(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210920609.5 (22)申请日 2022.08.02 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路2号 (72)发明人 荆振国　彭伟　张杨　郭逸航　 刘悦莹　刘强　李昂　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 专利代理师 许明章　王海波 (51)Int.Cl. G01D 5/353(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 基于法布里-珀罗标准具的静压和声压双参 量测量的传感系统及方法 (57)摘要 本发明属于光纤传感技术领域， 提出了一种 基于法布里‑珀罗标准具的静压和声压双参量测 量的传感系统及方法， 以实现大动态范围低频静 压和高频微扰声压同时存在环境下传感器的高 速解调。 该系统包括宽 可调谐范围 的VT‑DBR激光 器、 光纤法布里 ‑珀罗标准具、 探测器和相应 静压 和声压解调算法； 本发明采用了宽可调谐激光 器， 简化了低频静压和高频微扰声压测量的系统 复杂性， 降低整体成本， 不涉及膜片机械变形的 光纤法布里 ‑珀罗标准拥有较好的频率响应、 较 大的动态范围； 利用白光干涉信号处理算法和固 定工作点算法实现低频静压和 高频微扰声压的 测量。 本发明可适用于航空声学、 涡轮发动机等 动态声压， 静压均需要快速 检测的典型应用中。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 115265615 A 2022.11.01 CN 115265615 A 1.一种基于法布里 ‑珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系统， 其特征在于， 该 基于法布里 ‑珀罗标准具 的静压和声压双参量测量的传感系统包括光纤法布里 ‑珀罗标准 具型压力传感器(3)、 波长控制和同步采集模块(4)、 激光器(5)、 光电探测器(6)、 数据处理 模块(7)和光纤环形器(8)； 光纤法布里 ‑珀罗标准具型压力传感器(3)用于测量静压和声压， 其包括导入光纤(1) 和光纤法布里 ‑珀罗标准具(2)， 二者连接； 光纤环形器(8)分别与光纤法布里 ‑珀罗标准具 型压力传感器(3)、 激光器(5)、 光电探测器(6)相连； 波长控制和同步采集模块(4)分别连接 激光器(5)、 光电探测器(6)、 数据处理模块(7)相连； 波长控制和同步采集模块(4)控制激光 器(5)的波长控制和 输出； 波长控制和同步采集模块(4)根据时钟同步， 同时进行光电探测 器(6)数据的采集、 转换并传输 至数据处 理模块(7)； 光纤环形器(8)将来自激光器(5)的光信号引入光纤法布里 ‑珀罗标准具型压力传感器 (3)， 来自光纤法布里 ‑珀罗标准具型压力 传感器(3)的反射光信号再次经过光纤环形器(8) 被光电探测器(6)探测； 光电探测 器(6)将探测 到的光信号转换为模拟信号， 经波长控制和 同步采集模块(4)采集后传输给数据处理模块(7)进 行信号处理和反馈控制； 波长控制和同 步采集模块(4)根据接 收的用户指令选择进行全光谱扫描模式， 后根据阈值条件选择全光 谱扫描模式或单波长 输出模式， 从而实现 静压和动态声压的双参 量探测。 2.根据权利要求1所述的基于法布里 ‑珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系 统， 其特征在于， 所述激光器(5)为宽可调谐波长扫描激光器。 3.根据权利要求2所述的基于法布里 ‑珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系 统， 其特征在于， 所述宽可调谐波长扫描激光器为基于Ver nier调谐效应的分布式布拉格反 射器。 4.根据权利要求1或2所述的基于法布里 ‑珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感 系统， 其特 征在于， 所述 光纤法布里 ‑珀罗标准具(2)为无膜片结构。 5.一种基于法布里 ‑珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系统的解调方法， 其 特征在于， 包括以下步骤： 1)波长控制和同步采集模块(4)控制激光器(5)进行线性波长扫描， 通过光电探测器 (6)同步采集强度数据， 获取光纤法布里 ‑珀罗标准具 型压力传感器(3)的全干涉光谱； 2)根据光纤法布里 ‑珀罗标准具型压力传感器(3)的全干涉光谱， 再通过白光干涉信号 处理算法， 计算出在静压环境下的光学腔长Lf， 确定静压大小， 同时确定法布里珀罗腔干涉 光谱斜率最大处， 即正交工作点对应的波长λ0， 使光纤法布里 ‑珀罗标准具型压力传感器 (3)的灵敏度最大； 其中， n为静压变化环境下的腔内折 射率， L是光纤法布里 ‑珀罗标准具(2)的几何腔长； 静压发生改变后的折 射率的变化 量为Δn： 法布里‑珀罗腔的折 射率变化对静压P的变化具有 线性响应， 如下式：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115265615 A 2Δn＝kΔP， 其中， k为常数， ΔP为静压变化 量； 外部静压变化引起的光学腔长变化 为： ΔL＝LΔn＝LkΔP； 3)在已知正交工作点对应的波长λ0的情况下， 计算干涉光谱信号强度直流成分IDC， 通 过波长控制和同步采集模块(4)控制激光器(5)锁定输出波长λ0， 此时光谱曲线斜率有最大 值， 光纤法布里 ‑珀罗标准具型压力传感器(3)的灵敏度最高， 并且波长λ0工作在干涉条纹 的准线性范围内， 从而使光纤法布里 ‑珀罗标准具型压力 传感器(3)返回光信号 强度与光程 差或光信号强度与相位差变化成线性关系； 4)对于光纤法布里 ‑珀罗标准具型压力传感器(3)， 声信号导致的相位变化影响光信号 强度变化， 干涉光谱信号强度I满足： 其中， r为光纤法布里 ‑珀罗标准具型压力传感器(3)中反射镜的反射系数， q为波长对 应的相位角， Δn2为高频声 压微扰导致的腔内折射率变 化， n1为静压参数相关的准静态折射 率参数， 为初始相位； 5)实时干涉光谱信号强度I 交流成分IAC用以表征声信号， 对其频谱分析， 得到声压参数 信息； 根据实时干涉光谱信号强度直流成分IDC来反映正交工作点受环境静压变化导致的漂 移情况； 设置正交校准的触发 阈值， 当直流成分达到触发条件， 重新寻找输出满足正交工作 点的波长， 从而实现正交工作点的自适应与自稳定 。 6.根据权利要求5所述的基于法布里 ‑珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系 统的解调方法， 其特征在于， 所述正交校准的触发阈值分别为Iup、 Ilow； 当直流成分IDC大于 Iup或小于Ilow， 触发锁定正交工作 点的步骤1)、 2)、 3)， 输出满足正交工作 点的波长； 在此基 础上依次执 行步骤4)、 5)。 7.根据权利要求5或6所述的基于法布里 ‑珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感 系统的解调方法， 其特 征在于， 所述 Iup取值是1.2*IDC， Ilow取值是0.8*IDC。 8.根据权利要求5所述的基于法布里 ‑珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系 统的解调方法， 其特 征在于， 所述白光干涉信号处 理算法包括 傅里叶变换和交叉相关算法。 9.根据权利要求5所述的基于法布里 ‑珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系 统的解调方法， 其特 征在于， 所述 步骤2)中的k取值 为2.66×10‑9。 10.根据权利要求5所述的基于法布里 ‑珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系 统的解调方法， 其特 征在于， 所述声压参数信息包括声压频率和声压幅值。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115265615 A 3