CN102636202A

CN102636202A - 微弱振荡监测光纤传感器及其构成的传感器系统以及系统的应用方法

Info

Publication number: CN102636202A
Application number: CN2012101302565A
Authority: CN
Inventors: 熊英; 蒋久清
Original assignee: CHENGDU LINGGUANG QUANTUM TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: CHENGDU LINGGUANG QUANTUM TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-04-28
Filing date: 2012-04-28
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2032-04-28
Also published as: CN102636202B

Abstract

本发明公开了一种微弱振荡监测光纤传感器，包括光源输入设备，与光源输入设备相对应的光源输出设备，该光源输入设备和光源输出设备的上方与下方均通过固定支座相连，且上方或下方的固定支座上还连接有振动感应膜，在光源输入设备和光源输出设备相邻的两个纵侧面上分别设置有透镜，在光源输入设备和光源输出设备的透镜之间设置有隔光板，该隔光板上设置有用于使光源从光源输入设备透射入光源输出设备的透光孔；及由微弱振荡监测光纤传感器构成的传感器系统以及系统的应用方法。本发明解决了现有技术中存在的传统振荡光纤传感器的测量精确度、灵敏度低，测量范围不够广的问题。

Description

微弱振荡监测光纤传感器及其构成的传感器系统以及系统的应用方法

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器，具体地说，是涉及一种微弱振荡监测光纤传感器及其构成的传感器系统以及系统的应用方法。

背景技术

地震从孕育到发震的过程中，会产生压电效应、动电效应、热电效应等，他们能导致岩石在微破裂时产生电荷积累与释放，从而使震源区辐射出频谱很宽的电磁波，这就是所谓的辐射异常，这种异常现象会在地震前传播到地球表面，并形成特定的可观测前兆。地震前兆主要包括：大地形变、应力形变、次声波、地电磁场、重力场、水文地球化学、地下流体动态等异常变化，通常情况下，这些异常变化十分微弱，采用现有仪器设备无法实时监测，比如地震前的次声波、电磁场和各种辐射等微弱异常变化能被鸡、狗、青蛙、鱼类等感知，但是却无法被次声波、电磁等传统精密测量系统及时检测到，这是一直困扰地震预报的“瓶颈”问题。但是，这种变量的微弱异常变化特别是次声波异常现象是存在的，如果能够对这种微弱次声波异常进行监测就能实现对地震的准确预报。通过对这种微弱变量的长期监测与变化规律分析，就能够为预报地震提供准确的可靠数据。

强度调制型光纤位移传感器是目前应用最广泛的一种光纤位移传感器，其工作原理是，利用被测量的扰动改变光纤中光信号的强度，通过测量输出光强的变化规律实现对被测量的测量，由于环境参数变化扰动与光强损耗存在较好的线性关系，强度调制型光纤位移传感器的性能比较稳定，灵敏度和测量精确度都比较高。但是，由于强度调制型光纤位移传感器的理论模型还不够系统化，且传感器的测量结果取决于射入光强的变化特性、传感光纤的耦合损耗、传输损耗、光电器件的耦合损耗等综合因素，外加传统强度调制型光纤位移传感器是通过两个被测量的差值得出测量结果的，因此测量精确度有限且分辨率很难达到0.1nm量级，相当于多模光纤纤芯直径的10^-6倍，或单模光纤纤芯直径的10^-4倍。

光纤位移传感器是强度调制型光纤位移传感器的典型代表，假设透射式光纤位移传感器的发射光纤和接收光纤均为阶跃折射率光纤，透镜的半径为r，遮光板的位移量为x，在线性近似条件下，可得到透射式光纤传感器的不透光面积百分比为：

（1）

显然，当x小于

Figure 2012101302565100002DEST_PATH_IMAGE002

时，透射光损耗小于-77dB，这对于传统透射式光纤传感器来说是一个可以忽略的变化量。根据公式（1）计算可以得到如下表所示的数据：

δ/r

1×10^-4

1×10^-5

1×10^-6

1×10^-7

1×10^-8

1×10^-9

不透光面积百分比

6.0×10^-7

1.9×10^-8

6.0×10^-10

1.9×10^-11

6.2×10^-13

2.0×10^-14

耦合损耗系数（dB）

62.2

77.2

92.2

107.2

122.1

137.0

我们称x/r大于0并小于1×10^-5的取值区间为传统透射式光纤传感器的不敏感区域或传感极限值区域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微弱振荡监测光纤传感器及其构成的传感器系统以及系统的应用方法，解决现有技术中存在的传统强度调制型光纤位移传感器在不敏感区域内基本无法使用，且无法准确区分振荡强弱的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

微弱振荡监测光纤传感器，包括光源输入设备，与光源输入设备相对应的光源输出设备，分别设置于光源输入设备和光源输出设备相邻的两个纵侧面上的透镜，所述光源输入设备和光源输出设备的上方与下方均通过固定支座相连，且上方或下方的固定支座上还连接有振动感应膜，在光源输入设备和光源输出设备的透镜之间设置有隔光板，该隔光板上设置有用于使光源从光源输入设备透射入光源输出设备的透光孔。

具体地说，所述光源输入设备和光源输出设备均由两个通过法兰固定并连接在一起的光纤组成，而所述光源输入设备和光源输出设备的透镜均有两个，分别设置于二者相邻两个纵侧面的两个光纤正对位置，所述隔光板为两块，且其中一块隔光板的一端安装于固定支座上，另一块隔光板的一端则安装于振动感应膜上，该隔光板上设置有用于使光源从光源输入设备的两个光纤透射入光源输出设备的两个光纤的透光孔。

进一步地，所述光源输入设备的两个光纤中的其中一个光纤和与其对应的光源输出设备中的光纤间的隔光板上设有使透射入光源输出设备的光纤的光能被高精度测量仪器测出的透光孔，而光源输入设备的两个光纤中的另一个光纤和与其对应的光源输出设备的光纤间的隔光板上设有使透射入光源输出设备的光纤的光能被低精度测量仪器测出的透光孔。

由微弱振荡监测光纤传感器构成的传感器系统，包括光源、系统控制和信息处理模块，还包括与光源相对应的微弱振荡监测光纤传感器，位于该微弱振荡监测光纤传感器与光源之间的隔离器，将光源分为两束的光纤分束器，该光纤分束器的输入端与隔离器相连，输出端分别与微弱振荡监测光纤传感器的光源输入设备的两个光纤相连，而微弱振荡监测光纤传感器的光源输出设备的两个光纤则分别通过高精度测量仪器和低精度测量仪器与系统控制和信息处理模块相连。

具体地说，所述高精度测量仪器与光源输出设备中输出光只能被高精度测量仪器测出的光纤相连，低精度测量仪器与光源输出设备的另一个光纤相连；所述高精度测量仪器为光子计数器，低精度测量仪器为pW功率计。

以上述硬件系统为基础，本发明提供了一种由微弱振荡监测光纤传感器构成的传感器系统的应用方法，包括以下步骤：

（1）设置均由法兰固定并连接在一起的两个光纤组成的光源输入设备及与其对应光源输出设备，在光源输入设备和光源输出设备相邻的两个纵侧面的光纤正对位置分别设置透镜，所述光源输入设备和光源输出设备的上方与下方均通过固定支座相连，且上方或下方的固定支座上还连接有振动感应膜；

（2）在光源输入设备和光源输出设备的透镜之间设置两块使二者无光源传输通道的带有透光孔的隔光板，将其中一块隔光板的一端安装于固定支座上，另一块隔光板的一端安装于振动感应膜上；

（3）移动振动感应膜，使光源输入设备和光源输出设备的光纤和隔光板上的透光孔形成光源传输的通道；

（4）光源通过隔离器后，从所述光源传输的通道穿过，输出光信号；

（5）分别使用高精度测量仪器和低精度测量仪器对光源输出设备的两个光纤的输出光信号的强度进行直接测量，之后由系统控制和信息处理模块对测量结果进行处理，得出振动感应膜的位移量。

在上述应用方法中，所述高精度测量仪器与光源输出设备中输出光只能被高精度测量仪器测出的光纤相连，低精度测量仪器与光源输出设备中输出光能被低精度测量仪器测出的光纤相连。

在上述应用方法中，如果高精度测量仪器和低精度测量仪器同时检测到光信号，则根据低精度测量仪器检测到的结果对高精度测量仪器检测到的结果进行校正。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1．本发明中光源输入设备与光源输出设备均由两个通过法兰固定并连接在一起的光纤组成，它们分别组成了高精度光纤传感器和低精度光纤传感器，二者相互配合对同一个振动源进行测量，其中高精度光纤传感器对任何振动都有响应，而低精度光纤传感器仅对较强的振动有响应，这样的组合方式使得本发明能对外界振动进行精确全面的测量，且能根据二者的响应情况准确分辨出振动强弱，即只有高精度光纤传感器响应的振动为微弱振动，高精度光纤传感器与低精度光纤传感器均有响应的为强振动，以此能实现对微弱振荡的监测。

2．本发明利用一个固定遮光板和一个移动遮光板设计了不同的透光孔，其中只有少量的光能通过高精度光纤传感器的光源输入设备和光源输出设备间的透光孔，而低精度光纤传感器的透光孔较高精度光纤传感器的透光孔大，因此有更多的光能通过低精度光纤传感器的透光孔，微弱振荡监测光纤传感器对通过这些透光孔的光测量后得出振动的强弱，进一步提高了测量的精确度。

3．本发明通过在传感器上设置带透光孔的隔光板，有效地减小环境干扰，实现了强光射入传感器、弱光输出传感器的变换，同时结合了高精度测量设备和低精度测量设备，二者相辅相成，有效地实现了对极微弱光的极高精确测量，即在传统强度调制型光纤位移传感器的不敏感区域或传感极限值区域内实现了极高精度测量，该方法的优点在于，在没有位移发生时就没有光通过传感器，而只要发生任意小的位移都将导致一定的光通过光源输入设备并被高分辨率的测量系统测量出来，从而以一种新颖的方式极大地提高了传感器的灵敏度和测量精度。

4．本发明利用极微小位移变化与进入微弱振荡监测光纤传感器的极弱光强度的线性关系，通过直接测量感应光的光功率或单光子数量水平实现对极微小位移的极高精确测量。本发明主要用于超高精度位移、压力、温度、振动、辐射、声波等传感测量，可以对诸如地震前兆、大脑思维活动与大脑皮层振动的关系等微弱振动进行实时监测。本发明突破了传统光纤位移传感器的测量精度极限值并可以到达1×10^-7nm的测量精度，是光纤位移传感器设计与应用的一个重大革新，具有非常重要的标志意义并将对微纳米技术、精密测量技术等产生重要影响。

5．本发明中基于微弱振荡监测光纤传感器的系统方案，将光源、隔离器、微弱振荡监测光纤传感器、光子计数器、pW功率计、系统控制和信息处理模块组合在一起，实现了不同精度的弱光测量；同时，隔离器的设置有效地防止了被隔光板反射的光返回到光源处，以至于对光源产生不利影响，从而保证了整个系统正常工作。

6．与传统的强度调制型光纤位移传感器通过计算被测量的变化量得出测量结果相比，本发明可以通过测量仪器，如光子计数器，pW功率计等，直接测量出被测量的测量值，该测量方式使得本发明能够有效避免被测量的相对变化量太小难以测量的问题，达到准确测出极小位移变化下的位移量的目的，进而使测量方式更为简洁、测量结果更为精确。

7．本发明通过对传统的强度调制型光纤位移传感器的组合和改进，实现光源的全方位高精度测量，从而为实际应用提供更佳的应用基础，具有非常广泛的应用前景和很高的实用价值。

8．本发明从根本上改变了传统光纤位移传感器的测量方式，从而解决了传统光纤位移传感器无法解决的难题，即：传统强度调制型光纤位移传感器在不敏感区域或传感极限值区域难以进行测量，因此，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步，并且具有很高的实用价值。

附图说明

图1为本发明-实施例的原理图。

图2为本发明-实施例的系统图。

图3为本发明-实施例进行信息处理的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例1

如图1所示，微弱振荡监测光纤传感器，包括光源输入设备，与光源输入设备相对应的光源输出设备，分别设置于光源输入设备和光源输出设备相邻的两个纵侧面上的透镜，所述光源输入设备和光源输出设备的上方与下方均通过固定支座相连，且上方或下方的固定支座上还连接有振动感应膜，在光源输入设备和光源输出设备的透镜之间设置有隔光板，该隔光板上设置有用于使光源从光源输入设备透射入光源输出设备的透光孔。

进一步地，所述光源输入设备的两个光纤中的其中一个光纤和与其对应的光源输出设备中的光纤间的隔光板上设有使透射入光源输出设备的光纤的光能被高精度测量仪器测出的透光孔，我们将这个光源输入设备的光纤及其对应的光源输出设备的光纤以及设置于它们之间的隔光板合称为高精度光纤传感器；而光源输入设备的两个光纤中的另一个光纤和与其对应的光源输出设备的光纤间的隔光板上设有使透射入光源输出设备的光纤的光能被低精度测量仪器测出的透光孔，我们将这个光源输入设备的光纤及与其对应的光源输出设备的光纤以及设置于它们之间的隔光板合称为低精度光纤传感器。由此，我们可以将本发明中的微弱振荡监测光纤传感器看做由高精度光纤传感器及低精度光纤传感器构成的传感器。

以图1所示的微弱振荡监测光纤传感器，来构成如图2所示的传感器系统，其系统构架包括：光源、系统控制和信息处理模块，还包括与光源相对应的微弱振荡监测光纤传感器，位于该微弱振荡监测光纤传感器与光源之间的隔离器，将光源分为两束的光纤分束器，该光纤分束器的输入端与隔离器相连，输出端分别与微弱振荡监测光纤传感器的光源输入设备的两个光纤相连，而微弱振荡监测光纤传感器的光源输出设备的两个光纤则分别通过高精度测量仪器和低精度测量仪器与系统控制和信息处理模块相连。

（1）设置均由法兰固定并连接在一起的两个光纤组成的光源输入设备及与其对应光源输出设备，在光源输入设备和光源输出设备相邻的两个纵侧面的光纤正对位置分别设置透镜，所述光源输入设备和光源输出设备的上方与下方均通过固定支座相连，且上方或下方的固定支座上还连接有振动感应膜；（2）在光源输入设备和光源输出设备的透镜之间设置两块使二者无光源传输通道的带有透光孔的隔光板，将其中一块隔光板的一端安装于固定支座上，另一块隔光板的一端安装于振动感应膜上；（3）移动振动感应膜，使光源输入设备和光源输出设备的光纤和隔光板上的透光孔形成光源传输的通道；（4）光源通过隔离器后，从所述光源传输的通道穿过，输出光信号；（5）分别使用高精度测量仪器和低精度测量仪器对光源输出设备的两个光纤的输出光信号的大小进行直接测量，之后由系统控制和信息处理模块对测量结果进行处理，得出振动感应膜的位移量。

本发明中，除微弱振荡监测光纤传感器之外的其他各电子元件或硬件模块均为现有技术，本发明并未对其进行改进，因此，对相应的现有技术在此不再赘述。

在本发明中，对于能被高精度测量仪器检测到，即耦合系数小于-77dB的光的测量原理如下：

当隔光板没有位移变化时，没有任何光通过高精度光纤传感器，当发生任意位移x时，都将有一定数量的光子通过高精度光纤传感器，并被光子计数器检测到。

根据公式（1）计算，当比值x/r从1×10^-9增加到1×10^-5时，光强损耗约为60dB，相当于位移在10^-5r到10^-9r之间，每一个数量级上有15dB的自由度，因此在传统透射式光纤传感器的不敏感区域，对于光子计数器来说反而具有更高的自由度，从而可以得到更高的灵敏度和精确度。

根据这个原理，本发明的微弱振荡监测光纤传感器中的高精度光纤传感器利用固定隔光板与移动隔光板形成的两个微小透光窗口实现对微弱振动的测量。与传统强度调制型光纤传感器的思路不同，本发明的微弱振荡监测光纤传感器的高精度光纤传感器在没有任何振动干扰的情况下，完全没有响应，即输入光全部被遮光板挡回；而对于任意小的振动都将导致一定数量级的光子通过微弱振荡监测光纤传感器的高精度光纤传感器，根据单光子计数器检测到的光子数量水平测量振动的强弱，即本发明的微弱振荡监测光纤传感器对任何微弱振动都能够检测。根据目前光纤位移传感器的测量精度水平，本发明的微弱振荡监测光纤传感器的高精度光纤传感器的主要特点是测量精度可以达到0.0001nm，

如图1所示的微弱振荡监测光纤传感器的高精度光纤传感器的工作原理是：当耦合系数为-137dB时，位移量为10^-9r；当耦合系数为-122.1dB时，位移量为10^-8r；当耦合系数为-107.2dB时，位移量为10^-7r；当耦合系数为-92.2dB时，位移量为10^-6r；当耦合系数为-77.2dB时，位移量为10^-5r；当耦合系数为-62.2dB时，位移量为10^-4r。其中具体数值是理论计算值，没有考虑实际传感器的硬件系统参数影响，与实际系统的实测值有一定的误差。

在本发明中，对于既能被高精度测量仪器检测到也能被低精度测量仪器监测到，即耦合系数小于-77dB的光的测量原理如下：

与微弱振荡监测光纤传感器的高精度光纤传感器的原理类似，本发明的低精度光纤传感器利用固定遮光板与移动遮光板形成的一个较大的透光窗口实现对较强振动的测量。如果振动较弱，那么通过传感器的光强较弱，pW功率计检测不到；如果振动较强，低精度光纤传感器和高精度光纤传感器将同时响应。

比如，如果所采用的光源0dBm的输入光通过传感器后衰减77dB，那么接收到的光功率大约是20pW；如果衰减90dB，那么每个脉冲大约包含几个到十几个光子，在这种情况下，只有使用光子计数器才能进行有效检测。因此本发明的高精度光纤传感器和低精度光纤传感器具有互补性。

微弱振荡监测光纤传感器的工作原理是：高精度光纤传感器对任何微弱振动都有响应，而低精度光纤传感器仅仅对较强的振动有响应，根据低精度光纤传感器的测量结果，通过剔除高精度光纤传感器测量结果中的与强振动相关的结果得到微弱振动的测量结果，根据微弱振动的测量结果分析微弱振动的特点并达到监测微弱振动异常的功能。

具体地说，对于微弱振动，只有高精度光纤传感器有响应，其进行信息处理的基本原理如图3所示，振动感应膜只要发生位移变化就一定有光通过高精度光纤传感器并被光子计数器检测出来，并输出光子数量，根据高精度光纤传感器的检测结果确定微弱振动的振幅、频率，如果高精度光纤传感器的检测系统和低精度光纤传感器的检测系统同时响应，说明遮光板的位移量较大，属于强振动。这种情况下，根据低精度光纤传感器的结果对高精度光纤传感器的测量结果进行校正，即去掉同时响应情况下的测量结果，得到微弱振动的监测结果。

以上具体数值是理论计算值，没有考虑实际传感器的硬件系统参数影响，与实际系统的实测值有一定的误差。

以上设计方案只工作在传统强度调制型光纤位移传感器的不敏感区域。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。

Claims

1.微弱振荡监测光纤传感器，包括光源输入设备，与光源输入设备相对应的光源输出设备，分别设置于光源输入设备和光源输出设备相邻的两个纵侧面上的透镜，其特征在于，所述光源输入设备和光源输出设备的上方与下方均通过固定支座相连，且上方或下方的固定支座上还连接有振动感应膜，在光源输入设备和光源输出设备的透镜之间设置有隔光板，该隔光板上设置有用于使光源从光源输入设备透射入光源输出设备的透光孔。

2.根据权利要求1所述的微弱振荡监测光纤传感器，其特征在于，所述光源输入设备和光源输出设备均由两个通过法兰固定并连接在一起的光纤组成，而所述光源输入设备和光源输出设备的透镜均有两个，分别设置于二者相邻两个纵侧面的两个光纤正对位置，所述隔光板为两块，且其中一块隔光板的一端安装于固定支座上，另一块隔光板的一端则安装于振动感应膜上，该隔光板上设置有用于使光源从光源输入设备的两个光纤透射入光源输出设备的两个光纤的透光孔。

3.根据权利要求2所述的微弱振荡监测光纤传感器，其特征在于，所述光源输入设备的两个光纤中的其中一个光纤和与其对应的光源输出设备中的光纤间的隔光板上设有使透射入光源输出设备的光纤的光能被高精度测量仪器测出的透光孔，而光源输入设备的两个光纤中的另一个光纤和与其对应的光源输出设备的光纤间的隔光板上设有使透射入光源输出设备的光纤的光能被低精度测量仪器测出的透光孔。

4.由微弱振荡监测光纤传感器构成的传感器系统，包括光源、系统控制和信息处理模块，其特征在于，还包括与光源相对应的微弱振荡监测光纤传感器，位于该微弱振荡监测光纤传感器与光源之间的隔离器，将光源分为两束的光纤分束器，该光纤分束器的输入端与隔离器相连，输出端分别与微弱振荡监测光纤传感器的光源输入设备的两个光纤相连，而微弱振荡监测光纤传感器的光源输出设备的两个光纤则分别通过高精度测量仪器和低精度测量仪器与系统控制和信息处理模块相连。

5.根据权利要求4所述的由微弱振荡监测光纤传感器构成的传感器系统，其特征在于，所述高精度测量仪器与光源输出设备中输出光只能被高精度测量仪器测出的光纤相连，低精度测量仪器与光源输出设备的另一个光纤相连。

6.根据权利要求5所述的由微弱振荡监测光纤传感器构成的传感器系统，其特征在于，所述高精度测量仪器为光子计数器，低精度测量仪器为pW功率计。

7.由微弱振荡监测光纤传感器构成的传感器系统的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的由微弱振荡监测光纤传感器构成的传感器系统的应用方法，其特征在于，所述高精度测量仪器与光源输出设备中输出光只能被高精度测量仪器测出的光纤相连，低精度测量仪器与光源输出设备中输出光能被低精度测量仪器测出的光纤相连。

9.根据权利要求8所述的由微弱振荡监测光纤传感器构成的传感器系统的应用方法，其特征在于，如果高精度测量仪器和低精度测量仪器同时检测到光信号，则根据低精度测量仪器检测到的结果对高精度测量仪器检测到的结果进行校正。