CN100507473C - 单端光纤圈反射式振动、声波传感器 - Google Patents

单端光纤圈反射式振动、声波传感器 Download PDF

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Abstract

一种单端光纤圈反射式振动、声波传感器，它只用一条光纤输入输出、易于安装、低成本、高灵敏度的振动、声波传感器。它包括光源、光纤圈反射器和连通光源和光纤圈反射器的耦合器，以及与耦合器连接的解调电路，其特征是所述光纤圈反射器包括中间部分熔融在一起的两根光纤，将两根光纤的输出端融接构成光纤圈反射器。本发明主要用于振动及声波传感器。

Description

单端光纤圈反射式振动、声波传感器
技术领域
本发明涉及一种动态应变、振动、声波传感器，尤其涉及一种基于融熔双锥过度耦合技术的光纤圈反射式振动、声波传感器。
背景技术
振动传感器正被广泛应用在国民经济的各部门，然而，电子基的振动传感器体积大，易受电磁干扰，传感部件有电流与电压的存在，这大大限制了其应用范围，例如大型机电设备在工作时会产生强电磁场及存在易燃、易爆气体的场所，因此体积小、抗电磁干扰能力强、易于多点复用、传感元件不需带电的光纤振动传感器正成为研究的热点。目前报道的光纤振动传感器大致有干涉仪式、光纤光栅式、融熔双锥式。其中干涉仪式的光纤加速度传感器基于光纤干涉仪，其传感部件需机械增敏，体积较大，整体技术复杂。光纤光栅式的光纤振动传感器基于光纤布拉格光栅(FBG)，传感部分需要机械增敏，体积较大，且易受环境温度影响。融熔双锥式的光纤振动传感器基于融熔双锥技术，它以体积小、灵敏度高、成本低而受到格外重视，传感部件不需机械增敏，可直接贴在待测部件表面，它一般采用分光比会受到振动的影响而发生改变这一原理，通过检测从输入端到两个输出端的分光比变化得到振动信号，这样，需要一入二出三条光纤，这不仅增加了传感器的安装难度，而且由三条光纤受外界影响导致的变化不一致会带来测量误差。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足提出了一种单端光纤圈反射式振动、声波传感器，它所要解决融熔双锥过度耦合型光纤振动、声波传感器必需采用3条光纤传输光波这一问题，提供一种只用一条光纤输入输出、易于安装、低成本、高灵敏度的振动、声波传感器。
本方案是通过如下技术措施来实现的：它包括光源、光纤圈反射器和连通光源和光纤圈反射器的耦合器，以及与耦合器连接的解调电路，其特征是所述光纤圈反射器包括中间部分熔融在一起的两根光纤，将两根光纤的输出端融接构成光纤圈反射器。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，光纤圈反射器是基于耦合器原理，如果将耦合在一起的两根光纤的输出端融接在一起，它就构成了光纤圈反射器，从输入端输入的光将沿原路返回，这样一根光纤就可以同时实现输入、输出。融熔双锥式声波、振动传感器中的传输光纤就变为一根，因此本发明与现有技术相比，实现了技术目的。
本方案的具体特点还有，所述光纤圈反射器固定在石英V形槽中。
所述光源为法-珀腔半导体激光器，所述耦合器为3dB耦合器。
所述解调电路包括与耦合器连接的两只探测器，与探测器连接的信号处理电路，以及与信号处理电路连接的滤波器。半导体激光器输出的光进入3dB耦合器后一分为二，一束进入一只探测器作为参考以消除光源功率的漂移，另一束导入光纤圈反射器，经光纤圈反射器反射沿原光路返回，返回的光信号再次经过耦合器耦合至另一只探测器，两只探测器将接受到的光强转化成电压，信号处理电路进行
Figure C200610069017D00041
运算，以消除光源漂移给测量带来的误差。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
图1是本发明的结构示意图。
图2作为光源的法-珀腔二极管激光器的输出光谱。
其中：x轴代表波长，单位为nm，Y轴代表光强，单位dBm。
图3是光纤圈反射器的外形图。
图4是光纤圈反射器中光纤耦合示意图。
图5是光纤圈反射器在加不同应变时的反射谱。
其中：x轴代表波长，单位为nm，Y轴代表反射率，单位为dB。
图6单端光纤圈反射式振动、声波传感器的低频响应。
其中：x轴代表时间，单位为S，Y轴代表传感系统输出，单位V。
图7单端光纤圈反射式振动、声波传感器的高频响应。
其中：x轴代表时间，单位为S，Y轴代表传感系统输出，单位V。
图8是探测器接收及信号处理电路。
图9是滤波器电路。
图中，1、法-珀腔半导体激光器，2、3dB耦合器，3、传感器，4、探测器，5、探测器，6、数据处理电路，7、滤波器，11、输入端，12、输出端，13、输出端，14、耦合区。
具体实施方式
如图1所示，本发明工作原理如图1所示，它由法-珀腔半导体激光器1、3dB耦合器2、光纤圈反射器3、探测器4和5、信号处理电路6、滤波器7组成。法-珀腔激光器1输出光谱如图2所示的光，它进入3dB耦合器2后一分为二，一束进入探测器5作为参考以消除光源功率的漂移，另一束导入光纤圈反射器3，经光纤圈反射器反射沿原光路返回，返回的光信号再次经过耦合器2耦合至探测器4，探测器4和5将接受到的光强转化成电压V1和V2，信号处理电路6进行
Figure C200610069017D00051
运算，以消除光源漂移给测量带来的误差，探测器接收电路和信号处理电路如图8所示，得到的信号再经过滤波器滤除噪声，滤波器电路如图9所示。
基于融熔双锥过度耦合技术的单端光纤圈反射式振动、声波传感器的传感器件光纤圈反射器外形图如图3所示，它可采用光纤融熔拉锥机制作，制作工艺与耦合器制作工艺相似，耦合区的长度比普通耦合器长，这里我们采用光强转换周期为90，分光比设定为50:50，光纤圈反射器拉制好后固定在石英V形槽中(直径2.6mm，长度60mm)。光纤圈反射器的内部构造如图4所示，输入光通过耦合区14分为输出1与输出2，将两路光纤的输出端12、13融接在一起，这种器件就组成了光纤圈反射器，它的反射率光谱如图5所示，当传感器受到振动或声波的作用时，耦合区将会产生应变，光纤圈反射器3的反射率将发生变化，图5中的实线、断续线、点化断续线代表光纤圈反射器在没有应变时、110微应变时、220微应变时由光纤圈反射器反射回输入端的反射率，我们可看出1312nm处，220微应变将会带来1.2dB反射率的变化，利用这个变化可将振动信号解调出来，解调器将反射率的变化转化成电子信号输出。
对传感系统测试时，我们将光纤圈反射器固定在悬臂梁上，给悬臂梁施加低频动态应力，光纤圈反射器的响应如图6下部曲线所示，图6上部曲线显示的是用于监测悬臂梁应变的电子动态应变仪的输出，1mV代表1微应变。对悬臂梁加以敲击信号，敲击将产生声波和动态应变，光纤圈反射器对它的响应如图7下部曲线所示，图7上部曲线是测量悬臂梁应变的电子动态应变仪的输出，1mV代表1微应变。实验表明，光纤圈反射器有非常好的高、低频响应。
这样，本发明实现了单根光纤输入输出的振动、声波传感。这种传感器安装方便，不受电磁干扰，易于多点复用、传感部分不带电，属本征安全型，它可用于传统电子传感器很难适应的场所，例如：大型发电机组内部的振动监测，
油气传输管道的监测油气传输管道的监测等场合，化工设备的监测等等。

Claims (5)

1、一种单端光纤圈反射式振动、声波传感器，它包括光源、光纤圈反射器和连通光源及光纤圈反射器的耦合器，以及与耦合器连接的解调电路，其特征是所述光纤圈反射器包括中间部分熔融在一起的两根光纤，将两根光纤的输出端融接构成光纤圈反射器。
2、根据权利要求1所述的单端光纤圈反射式振动、声波传感器，其特征是，所述光纤圈反射器固定在石英V形槽中。
3、根据权利要求1或2所述的单端光纤圈反射式振动、声波传感器，其特征是所述光源为法-珀腔半导体激光器。
4、根据权利要求3所述的单端光纤圈反射式振动、声波传感器，其特征是所述耦合器为3dB耦合器。
5、根据权利要求1或2所述的单端光纤圈反射式振动、声波传感器，其特征是解调电路包括与耦合器连接的两只探测器，与探测器连接的信号处理电路，以及与信号处理电路连接的滤波器。
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