CN103245408B - 非本征光纤法珀振动传感器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非本征光纤法珀振动传感器及系统。其系统包括相位载波解调器和非本征光纤法珀振动传感器，非本征光纤法珀振动传感器包括带开口的壳体、振动敏感元件、反射镜、带尾纤的准直透镜、准直透镜夹持装置、弹簧固定装置、弹簧和端盖；在振动敏感元件的中央设置反射镜后将振动敏感元件连接于壳体内，将准直透镜夹持装置夹紧准直透镜后放入弹簧固定装置，将弹簧固定装置安装于壳体并将弹簧支持在壳体和弹簧固定装置之间，采用紧定螺钉将弹簧固定装置锁紧于壳体，端盖设置于壳体的开口并与壳体螺纹连接，准直透镜的出光面与反射镜平行构成法珀腔。本发明，法珀腔腔长和准直透镜的出光面和反射镜的反射面的平行度十分容易调节。

Description

非本征光纤法珀振动传感器及系统

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种非本征光纤法珀振动传感器及系统。

背景技术

在地震监测、结构健康监测和复杂环境下的机械振动测量中，由于光纤振动传感具有高灵敏度、大动态范围、抗电磁干扰和容易复用等特性，因此被广泛应用。目前，光纤振动传感主要包括光强调制型、波长调制型和相位调制型三种，其中相位调制型光纤振动传感由于其高性能和低成本等特性，被广泛研究和应用。相位调制型光纤振动传感一般是采用干涉仪将惯性力转化为干涉信号的相位变化实现加速度或位移传感，常用的干涉仪有Michelson干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪和Fabry-Perot(法布里－珀罗，以下简称“法珀”)干涉仪。具体的，中国专利(公开号：CN101788569B)公布了一种光纤加速度传感器探头及加速度传感器系统。其中，将梯度透镜固定在菲索干涉腔支架上，其出射端面与反光膜区域平行放置构成菲索干涉腔，且菲索腔的长度可以通过梯度透镜在支架上的位置来调节。该专利的加工方法工艺复杂，在实际应用中，梯度透镜的垂直度无法保证，且菲索腔的长度较难调节。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种非本征光纤法珀振动传感器及系统。可以十分容易的调节光纤法珀腔的腔长、以及准直透镜的出光面和反射镜的平行度。

本发明提供的非本征光纤法珀振动传感器系统，包括：相位载波解调器和非本征光纤法珀振动传感器，其特征在于：所述非本征光纤法珀振动传感器，包括：带开口的壳体、振动敏感元件、反射镜、带尾纤的准直透镜、准直透镜夹持装置、弹簧固定装置、弹簧和端盖；在所述振动敏感元件的中央设置所述反射镜后将所述振动敏感元件连接于所述壳体内，将所述准直透镜夹持装置夹紧所述准直透镜后放入所述弹簧固定装置中，并将所述弹簧固定装置安装于所述壳体内并将所述弹簧支持在所述壳体和所述弹簧固定装置之间，采用紧定螺钉将所述弹簧固定装置锁紧于所述壳体内，所述端盖设置于所述壳体的开口处并与所述壳体螺纹连接，将所述弹簧固定装置和弹簧固定在所述壳体内，所述准直透镜的出光面与所述反射镜平行构成实现加速度或位移传感的法珀腔，且所述法珀腔的腔长通过所述端盖和壳体间的螺纹调节，所述准直透镜的出光面与所述反射镜的平行度通过所述紧定螺钉微调。

进一步，所述相位载波解调器包括：信号发生器、电流驱动器、分布反馈DFB激光器、光隔离器、光纤耦合器、光纤接头、第一光电探测器、第二光电探测器和微处理器；所述信号发生器产生的正弦波信号通过所述电流驱动器转化为正弦信号对所述DFB激光器的输出光频进行调制，经过频率调制后的激光依次通过所述光隔离器、光纤耦合器、光纤接头进入所述非本征光纤法珀振动传感器；所述非本征光纤法珀传感器返回的干涉信号通过所述光纤接头、光纤耦合器后被第一光电探测器探测；所述光纤耦合器输出的所述经过频率调制后的激光被所述第二光电探测器探测；所述第一光电探测器、第二光电探测器和信号发生器产生的信号输至所述微处理器处理。

进一步，所述振动敏感元件包括：质量块和弹性膜片，所述质量块固定在所述弹性膜片的中央，所述反射镜固定于所述质量块的表面，所述弹性膜片的边与所述壳体固支或简支连接。

进一步，所述质量块和壳体底部之间安装阻尼器。

进一步，所述弹性膜片包括：平膜片、波纹膜片、十字梁、镂空膜片或复合梁。

近一步，所述弹性膜片上复合有阻尼材料改变传感器的阻尼特性

进一步，所述反射镜的反射面镀反射膜或者抛光。

进一步，所述准直透镜为梯度折射率GRIN透镜。

进一步，所述GRIN透镜的出光面镀半反半透膜或增透膜。

本发明提供的一种非本征光纤法珀振动传感器，包括：带开口的壳体、振动敏感元件、反射镜、带尾纤的准直透镜、准直透镜夹持装置、弹簧固定装置、弹簧和端盖；在所述振动敏感元件的中央设置所述反射镜后将所述振动敏感元件连接于所述壳体内，将所述准直透镜夹持装置夹紧所述准直透镜后放入所述弹簧固定装置中，并将所述弹簧固定装置安装于所述壳体内并将所述弹簧支持在所述壳体和所述弹簧固定装置之间，采用紧定螺钉将所述弹簧固定装置锁紧于所述壳体内，所述端盖设置于所述壳体的开口处并与所述壳体螺纹连接，将所述弹簧固定装置和弹簧固定在所述壳体内，所述准直透镜的出光面与所述反射镜平行构成实现加速度或位移传感的法珀腔，且所述法珀腔的腔长通过所述端盖和壳体间的螺纹调节，所述准直透镜的出光面与所述反射镜的平行度通过所述紧定螺钉微调。

进一步，所述振动敏感元件包括：质量块和弹性膜片，所述质量块固定在所述弹性膜片的中央，所述反射镜固定于所述质量块的表面，所述弹性膜片的边与所述壳体固支或简支连接。

进一步，所述反射镜的反射面镀反射膜或者抛光，所述准直透镜为梯度折射率GRIN透镜。

本发明的有益效果：

本发明提供的非本征光纤法珀振动传感器，其结构使得通过旋转端盖就能够实现法珀腔的腔长调节，通过松紧紧定螺钉就能够实现准直透镜的出光面与反射镜的平行度的调节，因此法珀腔的腔长、以及准直透镜的出光面与反射镜的平行度的调节都可以通过简单的操作实现，十分的容易。同时，非本征光纤法珀振动传感器的整体紧凑、简单，大大的降低了加工和调试难度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明提供的非本征光纤法珀振动传感系统的实施例的结构示意图。

图2是本发明提供的非本征光纤法珀振动传感器的实施例的结构示意图。

图3是本发明提供的带有阻尼器的非本征光纤法珀振动传感器的实施例的结构示意图。

具体实施方式

请参考图1，是本发明提供的非本征光纤法珀振动传感系统的实施例的结构示意图。该系统主要由非本征光纤法珀传感器30和相位载波解调器29构成。

其中，非本征光纤法珀传感器30的结构详图如图2所示。其包括：带开口的壳体，振动敏感元件，反射镜15，带尾纤1的准直透镜4，准直透镜夹持装置2、13，弹簧固定装置5，弹簧3和端盖11。

其中，带开口的壳体主要由基座10和外壳18构成，外壳18设置在基座10上并与基座10螺纹连接，且开口设在外壳18上。并且在基座10的底端设置有安装孔19，用于将基座10安装在被测物体上。

其中，振动敏感元件采用固支或简支的方式连接于壳体上。具体的，振动敏感元件为一质量-弹簧系统，其主要由质量块8、17和弹性膜片16构成，质量块8、17固定在弹性膜片16的中央，弹性膜片16的边与壳体固支或简支连接。进一步，弹性膜片16可以采用平膜片、波纹膜片、十字梁、镂空膜片或复合梁。进一步，质量块8、17和弹性膜片16的固定方式可以采用螺钉连接、粘接、焊接或者整体加工为一体；例如：图中所示即为直径相同的质量块8、17通过螺钉9固定在弹性膜片16的中央。进一步，弹性膜片16上复合有阻尼材料改变传感器的阻尼特性。

其中，反射镜15设置于振动敏感元件的中央，具体是固定在质量块8、17上。反射镜15的表面镀反射膜或者抛光或者采用其它方式提高其反射率。

其中，准直透镜4可以为GRIN(Gradient-IndexLens，梯度折射率)透镜，并且在准直透镜4的出光面可以不镀膜或镀半反半透膜或镀增透膜。

其中，准直透镜夹持装置2、13夹紧准直透镜4后放入弹簧固定装置5中，并将弹簧固定装置5安装于外壳18内，以及将弹簧3支持在外壳18和弹簧固定装置5之间，并采用紧定螺钉6、12、14将弹簧固定装置5、准直透镜夹持装置2、13和准直透镜4固定为一体，其中紧定螺钉6还具有将弹簧固定装置5锁紧于外壳18内的作用。通过调节紧定螺钉6的松紧度，可以对准直透镜4的出光面与反射镜15的平行度进行微调。

其中，端盖11设置于外壳18的开口处并与外壳18螺纹连接，从而将弹簧固定装置5和弹簧3固定在外壳18内。由上结构可知，准直透镜4的出光面与反射镜15平行构成法珀腔7。并且该法珀腔7的腔长可以通过旋转端盖11，轻松的实现调节。具体的，当将端盖11向下旋紧时，端盖11通过使弹簧固定装置5下移，从而带动准直透镜4下移和压缩弹簧3，实现减小法珀腔7的腔长。当将端盖11向上旋松时，弹簧3推动弹簧固定装置5上移，从而带动准直透镜4上移，增加法珀腔7的腔长。

如图3所示，是非本征光纤法珀传感器30的另一种结构示意图。其与图2的区别在于：为了被动的改变振动传感器的阻尼系数，非本征光纤法珀振动传感器的质量块8、17和基座10之间安装一个阻尼器31。阻尼器31与质量块8、17和基座10之间可以采用螺纹连接。阻尼器31自生应具有较小的刚度，以减小对传感器本身的刚度的影响。

继续如图1所示，相位载波解调器29包括：信号发生器22、电流驱动器21、DFB激光器20、光隔离器23、光纤耦合器24、光纤接头25、第一光电探测器27、第二光电探测器26和微处理器28。

其中，信号发生器22产生的正弦波信号通过电流驱动器21转化为正弦信号对DFB(DistributedFeedBack，分布反馈)激光器20的输出光频进行调制，经过频率调制后的激光依次通过光隔离器23、光纤耦合器24、光纤接头25进入非本征光纤法珀振动传感器30的法珀腔，在准直透镜4的出光面和反射镜15之间进行多次反射，通过光学干涉转换为法珀腔7的干涉信号的相位变化。由非本征光纤法珀传感器30返回的干涉信号通过光纤接头25、光纤耦合器24后被第一光电探测器27探测。同时，光纤耦合器24输出的经过频率调制后的激光被第二光电探测器26探测。第一光电探测器27、第二光电探测器26和信号发生器22产生的信号均输至微处理器28进行处理。

上述结构的非本征光纤法珀振动传感器，不仅具有结构简单、加工工艺简单、便于制造的优点。而且其法珀腔的腔长以及准直透镜4和反射镜15的平行度十分容易的调节。并且该非本征光纤法珀振动传感器中没有引入任何带电元件，因此可以避免电磁干扰，十分适合于远程和复杂电磁环境下的振动测量。

除具有上述优点外，本发明的非本征光纤法珀振动传感器，由于其性能只与振动敏感元件的结构参数(包括但不限于：膜片的厚度，直径，杨氏模量，质量块的直径和质量)和固定方式(固支和简支)有关，因此可以根据被测量对象，优化膜片参数使传感器具有合适的共振频率。而由惯性式传感器的原理，当激励频率远远小于传感器的共振频率时，质量块的位移与被测物体的加速度幅度成正比，考虑到采用激光器光频调制的相位载波解调方法具有相位解调能力，因此，传感器可以被用来进行加速度的测量。当激励频率远远大于传感器的共振频率时，质量块的位移与被测物体的位移幅度相等。考虑到采用激光器光频调制的相位载波解调方法具有绝对位移测量能力，因此，传感器可以被用来进行振动位移测量。

具体的，为了讨论振动传感器对外界激励的频率响应，可将传感器的机械结构简化为单自由度质量—弹簧—阻尼器系统，质量块的稳态振动位移D(t)与加速度激励幅度A_e的关系可以表示为

$D\left(t\right)={(1/2\mathrm{\π}{f}_0)}^2\frac{A_e\sin (2\mathrm{\πft}-\mathrm{\θ})}{\sqrt{{[1-{(f/f_0)}^2]}^2+{(2\mathrm{\ξf}/f_0)}^2}}---\left(1\right)$

式中f₀为共振频率；ξ是阻尼比，θ为激励信号和响应信号的相位差，f为激励频率的幅度。

质量块的稳态振动位移D(t)与传感器位移激励幅度L_e的关系可以表示为

$D\left(t\right)=\frac{L_e\sin (2\mathrm{\πft}-\mathrm{\θ})}{\sqrt{{[{(f_0/f)}^2-1]}^2+{(2\mathrm{\ξ}{f}_0/f)}^2}}---\left(2\right)$

根据式(1)可以看出，当激励频率远远小于传感器的共振频率时，质量块的位移与被测物体的加速度幅度成正比。根据式(2)可以看出，当激励频率远远大于传感器的共振频率时，质量块的位移与被测物体的位移幅度相等。

如图1所示，非本征光纤法珀振动传感器30中的法珀腔7的瞬时腔长主要由初始腔长L0(初始腔长取决于准直透镜4的出光面与反射镜15之间的距离)和振动激励引起的法珀腔的腔长变化L_a(t)组成，则法珀腔的瞬时腔长L为

L(t)＝L₀+L_a(t)+L_e(t)(3)

式中L_e(t)为环境扰动带来的Fabry-Perot腔腔长微小变化量，图1中未标出。

继续如图1所示，信号发生器22产生的正弦波信号通过电流驱动器21转化为一个频率为ω_c，幅值为i_m的正弦波电流信号对DFB激光器20的输出光频进行调制。激光的光频调制通过法珀腔7转化为相位调制产生相位载波信号，而且光频调制的激光在准直透镜4的出光面和反射镜15之间进行多次折射和反射，反射回光纤的激光会在光纤中发生多光束干涉。根据多光束干涉的原理，非本征光纤法珀振动传感器30的输出干涉信号可以表示为

$I_R=\frac{R_1+R_2+2\sqrt{R_1{R}_2}\cos \mathrm{\φ}\left(t\right)}{1+R_1{R}_2+2\sqrt{R_1{R}_2}\cos \mathrm{\φ}\left(t\right)}{I}_0---\left(4\right)$

式中R1和R2分别为准直透镜4出光面和反射镜15的反射率，I₀为DFB激光器20输出的光功率，为光学相位，且可以表示为

φ(t)＝φ_L(t)+φ_c(t)(5)

式中为由法珀腔7的瞬时腔长L决定的光学相位，是DFB激光器20光频正弦调制产生的相位载波信号，且可以表示为

φ_L(t)＝φ₀+φ_a(t)+φ_e(t)(6)

式中为法珀腔7的初始相位，是由振动激励引起的法珀腔7腔长变化L_a(t)产生的相位变化，是由环境噪声引起的相位变化。且

${\mathrm{\φ}}_a\left(t\right)=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{L}_a\left(t\right)---\left(7\right)$

式中λ是DFB激光器20的波长。

DFB激光器20输出光频调制作用在法珀腔7中产生的相位载波信号可表示为

φ_c(t)＝Ccosω_ct(8)

式中C为相位载波幅度，且

$C\≈\frac{4\mathrm{\πL}}{c}{K}_{\mathrm{LD}}{i}_m---\left(9\right)$

式中c为光速，K_LD为单位电流变化下的光频的变化量。

当准直透镜4的出光面不镀膜的时候，其反射率R1为4％，R2的反射率较小时，可以将法珀腔7看作双光束干涉。采用正弦波电流信号对DFB激光器20的输出光频进行调制时，DFB激光器20的输出激光功率也会被调制，这将给相位载波解调器29的输出结果带来很大的误差。可以将光纤法珀振动传感器30输出的干涉信号除以DFB激光器20的输出激光功率信号用来消除DFB激光器20的输出光频调制时伴随的激光功率调制对干涉信号的影响，得到的干涉信号可以表示为

I＝A+Bcos(Ccosω_ct+φ_L(t))(10)

式中A和B都可认为是常数(当非本征光纤法珀传感系统的各个元件确定后)。

根据式(8)，在微处理器中采用交叉相乘或者求反正切的算法得到干涉信号I_R中的解调得到的电信号I₁与质量块位移D(t)的关系为

$I_1=\frac{4\mathrm{\πn}}{\mathrm{\λ}}D\left(t\right)---\left(11\right)$

根据式(2)和(11)看出，当激励频率远远大于传感器的共振频率时，输出的电信号与振动激励的位移成正比，当电信号I₁为绝对相位时，即可得到绝对位移传感。

根据式(1)和(11)看出，当激励频率远远小于传感器的共振频率时，解调得到的电信号I₂与被测加速度a(t)的关系分别为

$I_2=\frac{4\mathrm{\πnm}}{{\mathrm{\λK}}_{\mathrm{eff}}}a\left(t\right)---\left(12\right)$

式中m为质量块8、17和反射镜15的质量，K_eff为平膜片16的等效弹性系数，

且K_eff可以表示为

$K_{\mathrm{eff}}=\frac{{\mathrm{\πEh}}^3}{3r^2(1-v^2)(\frac{e^2-1}{{4e}^2}-\frac{{\ln }^{2}e}{e^2-1})}---\left(11\right)$

式中E为平膜片16的弹性模量，v为泊松比，h是平膜片16的厚度，e(＝r/b)为平膜片16半径r和惯性质量块8、17半径b之比。

综上所述，当激励频率远远大于传感器的共振频率时，可实现绝对位移测量。当激励频率远远小于传感器的共振频率时，可实现加速度传感。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种非本征光纤法珀振动传感器系统，包括：相位载波解调器和非本征光纤法珀振动传感器，其特征在于：所述非本征光纤法珀振动传感器包括：带开口的壳体、振动敏感元件、反射镜、带尾纤的准直透镜、准直透镜夹持装置、弹簧固定装置、弹簧和端盖；在所述振动敏感元件的中央设置所述反射镜后将所述振动敏感元件连接于所述壳体内，将所述准直透镜夹持装置夹紧所述准直透镜后放入所述弹簧固定装置中，并将所述弹簧固定装置安装于所述壳体内并将所述弹簧支持在所述壳体和所述弹簧固定装置之间，采用紧定螺钉将所述弹簧固定装置锁紧于所述壳体内，所述端盖设置于所述壳体的开口处并与所述壳体螺纹连接，用于将所述弹簧固定装置和弹簧固定在所述壳体内，所述准直透镜的出光面与所述反射镜平行构成实现加速度或位移传感的法珀腔，且所述法珀腔的腔长通过所述端盖和壳体间的螺纹调节，所述准直透镜的出光面与所述反射镜的平行度通过所述紧定螺钉微调；

所述振动敏感元件包括：质量块和弹性膜片，所述质量块固定在所述弹性膜片的中央，所述反射镜固定于所述质量块的表面，所述弹性膜片的边与所述壳体固支或简支连接。

2.如权利要求1所述的非本征光纤法珀振动传感器系统，其特征在于：所述相位载波解调器包括：信号发生器、电流驱动器、分布反馈DFB激光器、光隔离器、光纤耦合器、光纤接头、第一光电探测器、第二光电探测器和微处理器；所述信号发生器产生的正弦波信号通过所述电流驱动器转化为正弦信号对所述DFB激光器的输出光频进行调制，经过频率调制后的激光依次通过所述光隔离器、光纤耦合器、光纤接头进入所述非本征光纤法珀振动传感器；所述非本征光纤法珀振动传感器返回的干涉信号通过所述光纤接头、光纤耦合器后被第一光电探测器探测；所述光纤耦合器输出的所述经过频率调制后的激光被所述第二光电探测器探测；所述第一光电探测器、第二光电探测器和信号发生器产生的信号输至所述微处理器处理。

3.如权利要求1或2所述的非本征光纤法珀振动传感器系统，其特征在于：所述弹性膜片为平膜片、波纹膜片、十字梁、镂空膜片或复合梁；

和/或，所述弹性膜片上复合有阻尼材料以改变传感器的阻尼特性。

4.如权利要求1或2所述的非本征光纤法珀振动传感器系统，其特征在于：所述质量块和壳体底部之间安装阻尼器。

5.如权利要求1或2所述的非本征光纤法珀振动传感器系统，其特征在于：所述反射镜的反射面镀反射膜或者抛光。

6.如权利要求1或2所述的非本征光纤法珀振动传感器系统，其特征在于：所述准直透镜为梯度折射率GRIN透镜，所述GRIN透镜的出光面镀半反半透膜或增透膜。

7.一种非本征光纤法珀振动传感器，其特征在于：包括：带开口的壳体、振动敏感元件、反射镜、带尾纤的准直透镜、准直透镜夹持装置、弹簧固定装置、弹簧和端盖；在所述振动敏感元件的中央设置所述反射镜后将所述振动敏感元件连接于所述壳体内，将所述准直透镜夹持装置夹紧所述准直透镜后放入所述弹簧固定装置中，并将所述弹簧固定装置安装于所述壳体内并将所述弹簧支持在所述壳体和所述弹簧固定装置之间，采用紧定螺钉将所述弹簧固定装置锁紧于所述壳体内，所述端盖设置于所述壳体的开口处并与所述壳体螺纹连接，将所述弹簧固定装置和弹簧固定在所述壳体内，所述准直透镜的出光面与所述反射镜平行构成实现加速度或位移传感的法珀腔，且所述法珀腔的腔长通过所述端盖和壳体间的螺纹调节，所述准直透镜的出光面与所述反射镜的平行度通过所述紧定螺钉微调；

所述振动敏感元件包括：质量块和弹性膜片，所述质量块固定在所述弹性膜片的中央，所述反射镜固定于所述质量块的表面，所述弹性膜片的边与所述壳体固支或简支连接。

8.如权利要求7所述的非本征光纤法珀振动传感器，其特征在于：所述反射镜的反射面镀反射膜或者抛光，所述准直透镜为梯度折射率GRIN透镜。