CN103063291A - 光纤微振动传感器 - Google Patents

Abstract

一种光纤微振动传感器，包括由柱状面采集筒及其底端的腔室隔离盒密封连接构成的光学有感腔和腔室隔离盒下底面与中空底盖密封连接构成的光学无感腔；光学有感腔内，腔室隔离盒上支设有两个光纤耦合器和一个传感参考轮，传感参考轮上绕制有参考光纤，柱状面采集筒外表面绕制有接触传感光纤并开有防水微孔，接触传感光纤两端经防水微孔进入光学有感腔，两个光纤耦合器引出的无感引导光纤经腔室隔离盒进入光学无感腔；光学无感腔内，腔室隔离盒上支设有尾缆支撑架，两根无感引导光纤盘绕其上并连接传输引导光缆；传输引导光缆经腔室隔离盒从柱状面采集筒的顶端穿出；接触传感光纤、参考光纤、两个光纤耦合器和两根无感引导光纤构成马赫泽德传感结构。

Description

光纤微振动传感器

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体地指一种可探测地下、水下、气体中空间区域三维振动信号的光纤微振动传感器。

背景技术

通用的马赫泽德（Mach-Zehnder）传感器基本结构如说明书附图部分的图2所示，主要由传感光波导21，参考光波导22，连接上述两种光波导的两个1×2耦合器19、20，以及用于输入、输出信号的两根无感引导光波导组成。

由微振动产生的光波导变形拉伸，将产生传感光波导21与参考光波导22之间的长度差ΔL，当极窄带宽的单模激光从1×2耦合器19到达1×2耦合器20时，在传感光波导21与参考光波导22之间造成的激光光程差可换算为易测量的激光光波相位差φ，如下式（1）：

$\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π\ΔL}}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

假设传感光波导21和参考光波导22中的光波振幅分别为A₁、A₂，则在1×2耦合器20处形成干涉后，合成振幅如下式（2）所示：

$A=\sqrt{{A_1}^2+{A_2}^2-2A_1{A}_2\cos \left(\frac{2\mathrm{\π\ΔL}}{\mathrm{\λ}}\right)}---\left(2\right)$

在马赫泽德传感结构中，A₁=A₂，于是公式（2）化为：

$A=\sqrt{2{A_1}^2-2{A_2}^2\cos \left(\frac{2\mathrm{\π\ΔL}}{\mathrm{\λ}}\right)}---\left(3\right)$

由式（3）可知，马赫泽德传感结构输出光的合成振幅在0~2A₁之间变化。当λ为μm量级时，则振动使ΔL达到μm量级的长度变化，干涉合成光强就会有明显变化，这就是马赫泽德传感结构灵敏度较高的理论依据。

然而，普通马赫泽德传感器一方面仅适用于感应接触或者接近振源的振动信号，对于地下、水下、气体中空间区域三维振动或者距离较远的振源，则无法反应或反应极弱；另一方面，实际使用中，传感光波导21和参考光波导22往往处于同一物理环境中，振动干扰使两种光波导中光信号同时发生变化，致使合成光的光强不可控，使得难以通过后续的数据处理和分析获知振源性质及强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种光纤微振动传感器，能够解决上述普通马赫泽德传感器存在的问题，实现地下、水下、气体中空间区域三维振动信号的高保真探测，后续的数据处理能够分析出振源的频谱及幅度谱。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种光纤微振动传感器，包括光学有感腔和光学无感腔；所述光学有感腔由柱状面采集筒及其底端的腔室隔离盒密封连接构成，腔室隔离盒下底面与中空的底盖密封连接、构成所述光学无感腔；在光学有感腔内，所述腔室隔离盒上支设有两个光纤耦合器和一个筒状的传感参考轮，传感参考轮上绕制有参考光纤，参考光纤的两端分别与两个光纤耦合器连接，所述柱状面采集筒外表面绕制有接触传感光纤并开有防水微孔，接触传感光纤的两端经防水微孔进入光学有感腔内并分别与两个光纤耦合器连接，两个光纤耦合器分别引出的无感引导光纤经腔室隔离盒进入光学无感腔；在光学无感腔内，所述腔室隔离盒上通过支架固定结构支设有尾缆支撑架，两根无感引导光纤盘绕在所述尾缆支撑架上并连接传输引导光缆；传输引导光缆依次穿过腔室隔离盒和光学有感腔，从所述柱状面采集筒的顶端穿出，用于信号的输入和输出；所述接触传感光纤、参考光纤、两个光纤耦合器和两根无感引导光纤构成马赫泽德传感结构。

上述技术方案中，所述传感参考轮外表面设有海绵层。

上述技术方案中，所述底盖呈弹头状抛物面型。

上述技术方案中，所述柱状面采集筒上、传输引导光缆穿出处设有防水帽，用于光学有感腔的防水保护。

上述技术方案中，所述柱状面采集筒底端和底盖顶端结合处设有防水锁紧箍，用于结合处的固定和防水保护。

进一步地，所述防水锁紧箍由两个半环状结构组成，两个半环状结构的一端通过勾环结构连接、另一端通过螺母锁紧，防水锁紧箍的环内呈凹楔形；所述柱状面采集筒底端和底盖顶端分别设有凸半楔形裙边，两裙边一起构成凸楔形、与所述防水锁紧箍内环的凹楔形匹配。

更进一步地，所述防水锁紧箍为聚碳酸酯材质。

上述技术方案中，所述柱状面采集筒的顶面上设有把手。

上述技术方案中，所述柱状面采集筒和/或底盖为聚碳酸酯材质。

上述技术方案中，所述腔室隔离盒为圆形工程塑料盒。

与现有技术先相比，本发明的有益效果在于：采用了柱状面采集筒绕制接触传感光纤，由于柱状面采集筒的圆柱状结构能够将空间各方位的振动直接作用于敷设其上的接触传感光纤，导致接触传感光纤形变，且柱面效应如同雷达反射面一样会增加传感采集面积，使得形变进行叠加产生了放大，可造成接触传感光纤内极窄带宽单模激光的相位变化产生较大的输出，能够完成空间区域三维振动到光学相位变化的信号转换；光学有感腔的设置，使得其内的参考光纤与外界振动隔离，光学无感腔的设置，实现了马赫泽德传感结构中无感引导光波导的隔离，最大程度地排除了干扰，经后续数据处理可分析出振源特征，实现振动行为模式的识别；实验数据表明，本发明对地下、水下、气体中30m内的振动具有极高的灵敏度。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图；

图2为现有马赫泽德传感器的结构原理图；

图3为本发明传感器应用于一种古墓防盗系统的结构原理图；

图中：01—传输引导光缆，02—把手，03—柱状面采集筒，04—传感参考轮，05—光纤耦合器，06—腔室隔离盒，07—底盖，08—防水帽，09—防水微孔，10—接触传感光纤，11—参考光纤，12—海绵层，13—耦合器固定结构，14—防水锁紧箍，15—裙边，16—支架固定结构，17—无感引导光纤，18—尾缆支撑架，19、20—1×2耦合器，21—传感光波导，22—参考光波导。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：

图2示意出了现有马赫泽德传感器的结构和工作原理，因在背景技术部分已作了详细描述，于此不再赘述。本发明也是针对该现有马赫泽德传感器进行结构改进，以适用于地下、水下、气体中空间区域三维振动信号的高灵敏度、高保真探测。

如图1所示，本发明的一种光纤微振动传感器，包括光学有感腔和光学无感腔，光学有感腔由柱状面采集筒03及其底端的腔室隔离盒06密封连接构成，腔室隔离盒06下底面与中空的底盖07密封连接、构成光学无感腔。

本实施例中，柱状面采集筒03为圆柱形聚碳酸酯防弹胶筒，其外表面绕制有接触传感光纤10并开有防水微孔09，为便于握持，柱状面采集筒03顶面上还设有把手02。底盖07为弹头状抛物面型聚碳酸酯防弹胶筒，一方面，该形状在安装时阻力较小，另一方面，底盖的该形状也使整个传感器外形美观。

腔室隔离盒6为圆形工程塑料盒。在光学有感腔内，腔室隔离盒6通过耦合器固定结构13支设有两个光纤耦合器05，并通过若干支柱设有一个筒状的传感参考轮04。传感参考轮04上绕制有参考光纤11，该参考光纤11的两端分别与两个光纤耦合器05连接。上述接触传感光纤10的两端经防水微孔09进入光学有感腔内也分别与两个光纤耦合器05连接。为更好的隔离外界振动干扰，在传感参考轮04上还敷设有海绵层12。两个光纤耦合器05各自引出的无感引导光纤17经腔室隔离盒06进入光学无感腔。在光学无感腔内，腔室隔离盒06上通过支架固定结构16支设有尾缆支撑架18，两根无感引导光纤17盘绕在尾缆支撑架18上并连接传输引导光缆01。传输引导光缆01依次穿过腔室隔离盒06和光学有感腔，从柱状面采集筒03的顶端穿出，用于信号的输入和输出。至此，上述接触传感光纤10、参考光纤11、两个光纤耦合器05和两根无感引导光纤17构成马赫泽德传感结构。

为保证整个传感器的防水性能，在柱状面采集筒03上、传输引导光缆01穿出处设有防水帽08，柱状面采集筒03底端和底盖07顶端结合处设有防水锁紧箍14。本实施例的防水锁紧箍14为聚碳酸酯材质，由两个半环状结构组成，两个半环状结构的一端通过勾环结构连接、另一端通过螺母锁紧，防水锁紧箍14的环内呈凹楔形，柱状面采集筒03底端和底盖07顶端分别设有凸半楔形裙边15，两裙边15一起构成凸楔形、与防水锁紧箍14内环的凹楔形匹配。

本实施例的全无源采集、全无源传输、全无金属构造的结构尤其符合安防产品需求，能安全、高效、低故障、隐蔽的进行警戒传感。且应用于水下、气体中也有和在地下一样的极好安全防范效果。

本发明的光纤微振动传感器可应用于水底监听、光纤麦克风、地埋安防等多种场合，以下就上述实施例结构应用于一种古墓防盗系统作举例说明：

将本传感器埋入防范地区地下2m深，令接触传感光纤10接触地下土壤，若保护区域范围较大，应使用多传感器，且相邻传感器之间的平均距离不超过60m。每个传感器施工完成后需静置1~2日，确保传感器附近土壤稳固，不再有细小颗粒运动，减小噪声干扰。

传输引导光缆01为通用两芯铠装光缆，其一芯接入极窄带宽1550nm单模激光器，另一芯接入PIN光电探测管，经电信号转换和AD采集，将采集信号发送至PC机进行数据处理28以判断干扰源模式。另将采集信号做20~120Hz滤波处理，再接入低频增强功放音箱，可实现实时监听振源所产生的音频信号的功能，如图3所示。

由于古墓防盗系统主要是针对盗墓者进行防范，所以一方面经PC机进行频域和时域的分析以获得振动信号特征，捕捉盗墓挖掘信号；同时利用音箱声音对挖掘进行复核以降低误报和漏报。测试阶段，可在埋入传感器点周围30米内进行模拟敲击，通过监听声音及采集波形测试传感器效果。

本发明的核心在于采用了柱状面采集筒03绕制接触传感光纤10，使得地下、水下、气体中空间区域三维振动信号都能够作用于接触传感光纤10，使其形变且实现了形变的叠加放大，显著提高了马赫泽德传感结构的灵敏度；同时，光学有感腔和光学无感腔的设置，最大程度地排除了干扰，使得经后续数据处理可分析出振源特征，实现振动行为模式的识别。所以其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：防水锁紧箍14的结构及与柱状面采集筒03和底盖07的配合方式不限于实施例所述，只要能够与柱状面采集筒03和底盖07良好接触并密封固定即可；柱状面采集筒03、底盖07等的材质也不限于聚碳酸酯，根据使用场合的需求，采用其他工程塑料等材质也是可行的等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种光纤微振动传感器，其特征在于：它包括光学有感腔和光学无感腔；所述光学有感腔由柱状面采集筒(03)及其底端的腔室隔离盒(06)密封连接构成，腔室隔离盒(06)下底面与中空的底盖(07)密封连接、构成所述光学无感腔；在光学有感腔内，所述腔室隔离盒(06)上支设有两个光纤耦合器(05)和一个筒状的传感参考轮(04)，传感参考轮(04)上绕制有参考光纤(11)，参考光纤(11)的两端分别与两个光纤耦合器(05)连接，所述柱状面采集筒(03)外表面绕制有接触传感光纤(10)并开有防水微孔(09)，接触传感光纤(10)的两端经防水微孔(09)进入光学有感腔内并分别与两个光纤耦合器(05)连接，两个光纤耦合器(05)分别引出的无感引导光纤(17)经腔室隔离盒(06)进入光学无感腔；在光学无感腔内，所述腔室隔离盒(06)上通过支架固定结构(16)支设有尾缆支撑架(18)，两根无感引导光纤(17)盘绕在所述尾缆支撑架(18)上并连接传输引导光缆(01)；传输引导光缆(01)依次穿过腔室隔离盒(06)和光学有感腔，从所述柱状面采集筒(03)的顶端穿出，用于信号的输入和输出；所述接触传感光纤(10)、参考光纤(11)、两个光纤耦合器(05)和两根无感引导光纤(17)构成马赫泽德传感结构。

2.根据权利要求1所述的光纤微振动传感器，其特征在于：所述传感参考轮(04)外表面设有海绵层(12)。

3.根据权利要求1所述的光纤微振动传感器，其特征在于：所述底盖(07)呈弹头状抛物面型。

4.根据权利要求1所述的光纤微振动传感器，其特征在于：所述柱状面采集筒(03)上、传输引导光缆(01)穿出处设有防水帽(08)，用于光学有感腔的防水保护。

5.根据权利要求1所述的光纤微振动传感器，其特征在于：所述柱状面采集筒(03)底端和底盖(07)顶端结合处设有防水锁紧箍(14)，用于结合处的固定和防水保护。

6.根据权利要求5所述的光纤微振动传感器，其特征在于：所述防水锁紧箍(14)由两个半环状结构组成，两个半环状结构的一端通过勾环结构连接、另一端通过螺母锁紧，防水锁紧箍(14)的环内呈凹楔形；所述柱状面采集筒(03)底端和底盖(07)顶端分别设有凸半楔形裙边(15)，两裙边(15)一起构成凸楔形、与所述防水锁紧箍(14)内环的凹楔形匹配。

7.根据权利要求5所述的光纤微振动传感器，其特征在于：所述防水锁紧箍(14)为聚碳酸酯材质。

8.根据权利要求1所述的光纤微振动传感器，其特征在于：所述柱状面采集筒(03)的顶面上设有把手(02)。

9.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的光纤微振动传感器，其特征在于：所述柱状面采集筒(03)和/或底盖(07)为聚碳酸酯材质。

10.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的光纤微振动传感器，其特征在于：所述腔室隔离盒(06)为圆形工程塑料盒。

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