CN102374895A - 一种大动态光纤振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大动态光纤振动传感器，包括光源、第一光纤耦合器、高灵敏度干涉仪、低灵敏度干涉仪、两个光探测器。高灵敏度干涉仪的两臂等长，分别缠绕于质量块两端的弹性柱体，组成对称推挽式结构，用以探测小信号；低灵敏度干涉仪的一臂穿过质量块而缠绕于两弹性柱体，两弹性柱体缠绕的光纤长度有所不同，另一臂空置，用以探测大信号。本发明扩大了干涉型光纤振动传感器的动态范围，实现了光纤振动传感器的共点、同时、大动态检测，并易于振动传感器的小型化。

Description

一种大动态光纤振动传感器

技术领域

本发明涉及一种用于振动传感领域的振动传感器，特别涉及一种大动态光纤振动传感器。

背景技术

振动传感器广泛应用于地质勘探和能源开发、地震检测和海啸预警、仪器设备及建筑结构的安全监测等领域。其中干涉型光纤振动传感器因灵敏度高、适用于检测动态信号、抗电磁干扰、在高温、潮湿及化学腐蚀等恶劣环境中生存能力强、易于复用而构成大规模阵列等诸多优点而备受青睐。

干涉型光纤振动传感器基于干涉仪的原理构建，具体来说，是用质量块连接在传感光纤上，外界振动引起质量块的振动而使传感光纤拉伸应力发生变化，导致传感光纤伸长或缩短，从而使干涉仪输出信号的相位发生变化，此相位的大小正比于质量块作用于光纤上的力，因而也正比于加速度。通过检测干涉仪输出信号相位来检测加速度，即可得到振动信号的特征，例如“三分量全光纤加速度地震检波器”(专利公开号CN2599599)、“加速度传感器”(专利公开号CN1693899)、“芯轴式干涉型保偏光纤加速度传感器研究”(光电子·激光，2004，15(6)：675)等公开的技术方案。

然而无论哪种结构，其检测信号的动态范围都是有限的，受制于信号解调系统。对于光纤干涉仪来说，相位信号解调常用的方法有相位载波调制法(Phase generated carrier，PGC)、外差法和3×3耦合器法，其中PGC法和外差法比较适用于大规模阵列，但是PGC法固有的信号混叠问题限制了解调的动态范围，外差法动态范围虽然比PGC法大，但是对于广泛应用的数字解调系统来说，系统的采样率从本质上限制了外差法解调的动态范围。相比起来，3×3耦合器法因为没有外加更高频率的调制信号，动态范围比前述两种都大，但也有两个致命的弱点使其不适用于光纤振动传感器阵列：一是这种方法每路干涉信号有三个输出，如果构成三维矢量型传感器，每个探头将有9个输出，这将增加光学系统及信号解调系统的复杂度，不利于大规模成阵。

在实际应用中，尤其在油气勘探等领域应用时，需要振动传感器系统具有大的检测动态范围，因为在进行地层勘探时，需要探测发射声源的直达波及反射波，其中直达波用于定位，反射波用于探测地层信息。为了得到丰富的地层信息，需要发射大功率宽频带脉冲声信号，这将使得直达波的幅度很大，而反射波经过反射面及传输过程的衰减，幅度相对较小，地层越深，反射幅度越弱。检测的目标就是要有足够的大信号解调能力，以保证不失真地检测直达波，又要有较高的检测灵敏度，检测到尽可能丰富的反射小信号。如前所述，因为系统检测动态范围有限，若传感器灵敏度高，则探测大信号时易饱和；灵敏度低，则小信号检测能力难以达标。这对矛盾制约了光纤振动传感器在实际中的应用。

发明内容

为了解决现有振动传感器检测动态范围不足的技术问题，本发明提供一种可扩大振动传感器的动态范围，既能不失真地检测大信号，又能保证较高的检测灵敏度以探测小信号的一种大动态光纤振动传感器。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种大动态光纤振动传感器，包括光源、第一光纤耦合器、高灵敏度干涉仪、低灵敏度干涉仪、第一光探测器、第二光探测器、质量块、第一弹性柱体、第二弹性柱体和外壳，所述的高灵敏度干涉仪、低灵敏度干涉仪、质量块、第一弹性柱体和第二弹性柱体均封装于所述的外壳内，所述的第一弹性柱体和第二弹性柱体分别固定于外壳两侧相对内壁上，所述的质量块固定于第一弹性柱体和第二弹性柱体之间，所述的高灵敏度干涉仪和低灵敏度干涉仪分别固定于质量块、第一弹性柱体和第二弹性柱体上，所述的光源通过第一光纤耦合器分别连接至低灵敏度干涉仪的输入端和高灵敏度干涉仪的输入端。所述的高灵敏度干涉仪的输出端连接至第一光探测器，所述的低灵敏度干涉仪的输出端连接至第二光探测器。

所述的一种大动态光纤振动传感器，所述的高灵敏度干涉仪包括第二光纤耦合器、第一传感臂光纤、第二传感臂光纤，所述的第二光纤耦合器固定于质量块上，所述的第一传感臂光纤缠绕于第一弹性柱体上，第一传感臂光纤的一端与第二光纤耦合器相连接，另一端为第一反射端；所述的第二传感臂光纤缠绕于第二弹性柱体上，第二传感臂光纤一端与第二光纤耦合器相连接，另一端为第二反射端。

所述的一种大动态光纤振动传感器，所述的第一传感臂光纤和第二传感臂光纤的长度相等。

所述的一种大动态光纤振动传感器，所述的低灵敏度干涉仪包括第三光纤耦合器、第三传感臂光纤、参考臂光纤。所述的第三光纤耦合器固定于质量块上，所述的第三传感臂光纤缠绕于第一弹性柱体上并穿过质量块后再缠绕于第二弹性柱体上，第三传感臂光纤的一端与第三光纤耦合器相连接，另一端为第三反射端，所述的参考臂光纤的一端与第三光纤耦合器相连接，另一端为第四反射端。

所述的一种大动态光纤振动传感器，所述的第三传感臂光纤缠绕在第一弹性柱体和第二弹性柱体上的长度不等。

所述的一种大动态光纤振动传感器，所述的第一传感臂光纤和第二传感臂光纤为保偏光纤，所述的第一反端、第二反射端为高反膜。

所述的一种大动态光纤振动传感器，所述的第一传感臂光纤和第二传感臂光纤为单模光纤，所述的第一反射端和第二反射端为法拉第旋镜。

所述的一种大动态光纤振动传感器，所述的第三传感臂光纤和参考臂光纤为保偏光纤，所述的第三反射端和第四反射端为高反膜。

所述的一种大动态光纤振动传感器，所述的第三传感臂光纤和参考臂光纤为单模光纤，所述的第三反射端和第四反射端为法拉第旋镜。

所述的一种大动态光纤振动传感器，还包括第一光隔离器和第二光隔离器，所述的第一光隔离器设置于高灵敏度干涉仪与第一光纤耦合器之间，所述的第二光隔离器设置于低灵敏度干涉仪与第一光纤耦合器之间。

本发明的技术效果在于，通过采用不同灵敏度的双干涉仪对振动信号进行测试，既可以检测微小的振动信号，又可以对大的振动信号进行不失真的测量，有效拓展了振动传感器的动态范围。同时双干涉仪封装在一个传感单元中，共用同一个光源、同一个质量块及相同的弹性体，集成度高，实现了不同灵敏度的共点、同时的振动探测，易于实现大范围振动传感器的小型化。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的具体实施例的结构示意图；

其中1为光源，2为第一光纤耦合器，3为第一光隔离器，4为第二光隔离器，5为第二光纤耦合器，6为第三光纤耦合器，7为第一传感臂光纤，8为第二传感臂光纤，9为第一反射端，10为第二反射端，11为质量块，12为第三传感臂光纤，13为参考臂光纤，14为第三反射端，15为第四反射端，16为第一光探测器，17为第二光探测器，18为第一弹性柱体，19为第二弹性柱体，20为外壳，201为第一圆柱形凹槽，202为工艺缝，203为第二圆柱形凹槽，111为第一圆柱凹槽，112为圆柱型工艺孔，113为第一工艺槽，114为第二工艺槽，115为圆角，116为圆弧槽，117为第二圆柱凹槽，21为第一支撑底座，22为第二支撑底座，211为第一凹槽，221为第二凹槽。

具体实施方式

参见图1，本实施例的高灵敏度干涉仪、低灵敏度干涉仪、质量块11、第一弹性柱体18、第二弹性柱体19、支撑底座21均封装于外壳20内。

高灵敏度干涉仪包括第二耦合器5、第一传感臂光纤7、第二传感臂光纤8、第一反射端9、第二反射端10；低灵敏度干涉仪包括第三光纤耦合器6、第三传感臂光纤12、参考臂光纤13、第三反射端14、第四反射端15。

外壳20为不锈钢圆柱形部件，外壳相对的两侧内壁上分别开有第一圆柱形凹槽201和第二圆柱形凹槽203，第一支撑底座21对接粘固于第一圆柱形凹槽201内，第二支撑底座22对接粘固于第二圆柱形凹槽203内。外壳20开有工艺缝202，用以高、低灵敏度干涉仪上、下行光纤的引入引出。二支撑底座为刚性圆柱形部件，上面分别开有第一凹槽211和第二凹槽221，第一弹性柱体18对接粘固于第一凹槽211内，第二弹性柱体19对接粘固于第二凹槽221内。质量块11的两端分别开有第一圆柱凹槽111和第二圆柱凹槽117，并通过这两个圆柱凹槽固定于第一弹性柱体18和第二弹性柱体19之间。

光源1发出的光经光纤耦合器2分成两束，分别注入高灵敏度干涉仪和低灵敏度干涉仪。光隔离器3和4置于耦合器2和耦合器5、6中间，以避免两干涉仪返回光经所述耦合器2的空置端面反射后，形成交叉耦合而引入噪声。

高灵敏度干涉仪两臂的光纤7和8分别缠绕于两圆柱形弹性体18上，两传感臂光纤7和8的长度相同，组成对称推挽式结构。低灵敏度干涉仪的一个臂穿过质量块11，质量块两端的光纤12和13分别缠绕于两弹性体18上、传感光纤7和8的外面，作为低灵敏度干涉仪的传感光纤，传感光纤12和13长度不同；另一个臂为干涉仪的参考臂。

质量块11的两端分别开有第一圆柱凹槽111和第二圆柱凹槽117，第一圆柱凹槽111的直径与第一弹性体18的外径相同，第二圆柱凹槽117的直径与第一弹性体19的外径相同，两个圆柱凹槽用于与两个弹性体对接粘固。质量块11中轴线上打有圆柱型工艺孔112，圆柱型凹槽111的底部开有半圆型或V形的第一工艺槽113，侧壁开有半圆形或V型的第二工艺槽114。工艺孔112和第一工艺槽113、第二工艺槽114的半径与光纤半径相仿，并略大于光纤半径，作用是让低灵敏度干涉仪的传感臂光纤通过质量块11。圆柱型工艺孔112和第一工艺槽113的转接处为圆角115，第一工艺槽113和第二工艺槽114的转接处为圆弧槽116。圆角115和圆弧槽116的作用是防止低灵敏度干涉仪的传感臂光纤在转弯处折断。低灵敏度干涉仪的传感臂光纤在通过工艺孔112和第一工艺槽113、第二工艺槽114时，将光纤与质量块11粘固。第二光纤耦合器5、第三光纤耦合器6粘固于质量块11上。

本发明的工作原理如下：

在振动环境中，质量块11在惯性力作用下拉伸或压缩两端的两个弹性体，导致了两个干涉仪的传感臂光纤均产生了同步的拉伸和压缩，从而使高灵敏度干涉仪和低灵敏度干涉仪输出的信号相位发生变化。在同一惯性力的作用下，对于高灵敏度干涉仪，发生在传感臂7上的相位变化为Δφ₁，发生在传感臂8上的相位变化为-Δφ₁，则高灵敏度干涉仪输出总的相位变化量δΦ₁为

δΦ₁＝Δφ₁-(-Δφ₁)

＝2Δφ₁

对于低灵敏度干涉仪，因为第三传感臂光纤12和参考臂光纤13的长度不同，则同一惯性力下二者发生的相位变化也不同，发生在第三传感臂光纤12上的相位变化为Δφ₂，发生在参考臂光纤13上的相位变化为-Δφ₂′，则低灵敏度干涉仪输出总的相位变化量δΦ₂为

δΦ₂＝Δφ₂+(-Δφ₂′)

＝δφ_ε

δφ_ε是一个小量，其大小与第三传感臂光纤12和参考臂光纤13的长度差有关。通过控制第三传感臂光纤12和参考臂光纤13的长度差，可以控制δφ_ε的大小。长度差越小，灵敏度越低。

信号处理采用全数字化方式。根据高、低灵敏度干涉仪的灵敏度确定各自的动态范围。可以先判断高灵敏度干涉仪的传感信号解调结果是否失真，如果不失真，则采纳该解调信号作为真实信号，以此得到振动加速度；如果失真，则启用低灵敏度干涉仪的传感信号解调结果作为真实信号来得到振动加速度。也可以先用低灵敏度干涉仪的传感信号进行解调，判断该结果是否会超出高灵敏度干涉仪信号解调的动态范围，如果在高灵敏度干涉仪信号解调的动态范围之内，则启用高灵敏度干涉仪的传感信号进行解调，以此得到振动加速度；如果失真，则继续用低灵敏度干涉仪传感信号的解调结果来得到振动加速度。

虽然参照上述实施例详细描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例。对于本专业领域的技术人员来说，可以对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变型。

Claims (10)

1.一种大动态光纤振动传感器，其特征在于，包括光源、第一光纤耦合器、高灵敏度干涉仪、低灵敏度干涉仪、第一光探测器、第二光探测器、质量块、第一弹性柱体、第二弹性柱体和外壳，所述的高灵敏度干涉仪、低灵敏度干涉仪、质量块、第一弹性柱体和第二弹性柱体均封装于所述的外壳内，所述的第一弹性柱体和第二弹性柱体分别固定于外壳两侧相对内壁上，所述的质量块固定于第一弹性柱体和第二弹性柱体之间，所述的高灵敏度干涉仪和低灵敏度干涉仪分别固定于质量块、第一弹性柱体和第二弹性柱体上，所述的光源通过第一光纤耦合器分别连接至低灵敏度干涉仪的输入端和高灵敏度干涉仪的输入端。所述的高灵敏度干涉仪的输出端连接至第一光探测器，所述的低灵敏度干涉仪的输出端连接至第二光探测器。

2.根据权利要求1所述的一种大动态光纤振动传感器，其特征在于，所述的高灵敏度干涉仪包括第二光纤耦合器、第一传感臂光纤、第二传感臂光纤，所述的第二光纤耦合器固定于质量块上，所述的第一传感臂光纤缠绕于第一弹性柱体上，第一传感臂光纤的一端与第二光纤耦合器相连接，另一端为第一反射端；所述的第二传感臂光纤缠绕于第二弹性柱体上，第二传感臂光纤一端与第二光纤耦合器相连接，另一端为第二反射端。

3.根据权利要求2所述的一种大动态光纤振动传感器，其特征在于，所述的第一传感臂光纤和第二传感臂光纤的长度相等。

4.根据权利要求1所述的一种大动态光纤振动传感器，其特征在于，所述的低灵敏度干涉仪包括第三光纤耦合器、第三传感臂光纤、参考臂光纤。所述的第三光纤耦合器固定于质量块上，所述的第三传感臂光纤缠绕于第一弹性柱体上并穿过质量块后再缠绕于第二弹性柱体上，第三传感臂光纤的一端与第三光纤耦合器相连接，另一端为第三反射端，所述的参考臂光纤的一端与第三光纤耦合器相连接，另一端为第四反射端。

5.根据权利要求4所述的一种大动态光纤振动传感器，其特征在于，所述的第三传感臂光纤缠绕在第一弹性柱体和第二弹性柱体上的长度不等。

6.根据权利要求2或3所述的一种大动态光纤振动传感器，其特征在于，所述的第一传感臂光纤和第二传感臂光纤为保偏光纤，所述的第一反端、第二反射端为高反膜。

7.据权利要求2或3所述的一种大动态光纤振动传感器，其特征在于，所述的第一传感臂光纤和第二传感臂光纤为单模光纤，所述的第一反射端和第二反射端为法拉第旋镜。

8.根据权利要求4或5所述的一种大动态光纤振动传感器，其特征在于，所述的第三传感臂光纤和参考臂光纤为保偏光纤，所述的第三反射端和第四反射端为高反膜。

9.根据权利要求4或5所述的一种大动态光纤振动传感器，其特征在于，所述的第三传感臂光纤和参考臂光纤为单模光纤，所述的第三反射端和第四反射端为法拉第旋镜。

10.根据权利要求1-5任一所述的一种大动态光纤振动传感器，其特征在于，还包括第一光隔离器和第二光隔离器，所述的第一光隔离器设置于高灵敏度干涉仪与第一光纤耦合器之间，所述的第二光隔离器设置于低灵敏度干涉仪与第一光纤耦合器之间。

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