CN103575380A - 基于荧光法的光纤振动传感器、振动传感方法及系统 - Google Patents
基于荧光法的光纤振动传感器、振动传感方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103575380A CN103575380A CN201310537227.5A CN201310537227A CN103575380A CN 103575380 A CN103575380 A CN 103575380A CN 201310537227 A CN201310537227 A CN 201310537227A CN 103575380 A CN103575380 A CN 103575380A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical fiber
- vibration
- fluorescent target
- fluorescence
- probing shell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于荧光法的光纤振动传感器、振动传感方法及系统。光纤振动传感器包括振动探头、光分束器、激励光源；振动探头包括探头外壳、荧光靶以及具有第一端和第二端的光纤，光纤的第一端与激励光源相连，荧光靶和光纤第二端这两者的其中之一与探头外壳弹性连接，另一个与探头外壳刚性连接，且荧光靶与光纤第二端不接触；光分束器串接于光纤的第二端与激励光源之间的光路中，用于将激励光源发射的激励光光路和荧光靶反射的反射光光路耦合于光纤。本发明的振动传感系统计算结果精度高，光信号在复杂的强电磁场干扰下不受干扰，能够非常有效地工作，且结构简单，成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于荧光法的光纤振动传感器、振动传感方法以及振动传感系统，属于分析及测量控制技术领域。
背景技术
振动是一种常见的物理现象，广泛存在于人们的生产生活中。在工程领域中，振动往往会给设备带来不利的影响，甚至会造成设备的损坏。例如在汽车设计领域，提高车辆的平顺性，降低车体振动与噪声振动已成为汽车设计的重要环节；高精度的数控机床也需要严格控制其自身振动量。因此，针对机械设备的振动测试一直以来都是工程技术人员关注的焦点。
现有的测试振动的传感器有电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式和光电式等，通过将被测物体的振动信息转化为电压或电流信号，经过放大环节和模数转换处理后传送给微处理器，由微处理器计算并输出控制信号。但是现有的振动传感器在强电磁干扰的环境下，根本不适用，它们无法测量到大型发电机及电动机的振动情况。因此，一些学者开始研究将振动信息转化为光信号的振动测试方法。
例如，光纤振动传感器（授权公告号：CN 101308042 B）提供一种检测灵敏度良好的光纤振动传感器，包括光源，受光器，光分支耦合部，信号处理单元及由光纤构成的光纤环形部。光纤振动传感器（申请号：201210054047.7）在长度方向整个长度上都具有良好的检测灵敏度，并且能够更细致地确定侵入者侵入的位置。上述光纤振动传感器能够在强电磁干扰的环境下，非常有效地工作，测量精度也比较高，但是该类光纤振动传感器结构复杂，而且成本较高。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种基于荧光法的光纤振动传感器、振动传感方法以及振动传感系统，该振动传感系统结构简单，成本较低。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于荧光法的光纤振动传感器，包括振动探头、光分束器和激励光源；所述振动探头包括探头外壳、荧光靶以及具有第一端和第二端的光纤，所述光纤的第一端与所述激励光源相连，所述荧光靶和光纤第二端这两者的其中之一与所述探头外壳弹性连接，另一个与探头外壳刚性连接，且荧光靶与光纤第二端不接触；荧光靶的靶面上涂覆有两种不同的荧光材料，振动探头静止时所述光纤第二端的光轴中心对准两种荧光材料的分界线，且所述光纤第二端的光轴与荧光靶的靶面相垂直；所述光分束器串接于所述光纤的第二端与激励光源之间的光路中，用于将激励光源发射的激励光光路和荧光靶反射的反射光光路耦合于所述光纤。
进一步的，所述荧光靶通过弹性连接件固定在所述探头外壳内部一侧，所述光纤的第二端固定在所述探头外壳内部与荧光靶相对一侧，且光纤第二端的端面与探头外壳内表面几乎平齐。
进一步的，所述荧光靶固定在所述探头外壳内部一侧，所述光纤的第二端固定在所述探头外壳内部与荧光靶相对一侧，且在探头外壳内伸出较长的一段距离，可随被测物体弹性振动。
进一步的，所述光纤第二端的端面与荧光靶之间的距离小于0.5mm。
一种振动传感方法，利用基于荧光法的光纤振动传感器将被测物体的振动信息转化为光信号，所述方法为将所述振动探头固定在被测物体上，激励光源向振动探头发射激励光，采集从光分束器分束出来反射光中的两种荧光信息，这两种荧光的相对强度及强度值变化频率表征被测物体的振动幅度和频率。
一种振动传感系统，包括基于荧光法的光纤振动传感器，还包括与光分束器依次连接的光电转换单元、电信号初级放大电路、放大及滤波电路、计算处理输出单元；所述光电转换单元用于将两种荧光靶反射光信号分别转化为电信号，所述电信号初级放大电路用于将电信号进行初步放大，所述放大及滤波电路用于将初步放大的电信号进行进一步精确放大并将信号中的直流分量滤除，所述计算处理输出单元用于计算振动参数并输出。
进一步的，所述光电转换单元为颜色光电转换器，用于将荧光靶反射的两种荧光信号分别转化为电信号。
采用上述方案后，本发明的有益效果为：振动探头部分利用荧光靶和光纤之间的相对运动，将被测物体的振动信息先转换为光信号，再通过光纤将含有振动信息的光信号导出至距离较远的光电转换模块进行后续处理。光信号在复杂的强电磁场干扰环境下能够不受干扰，光纤振动传感系统依然能够有效可靠地工作，计算结果精度较高，且结构简单，成本较低，因而有着更广阔的发展空间。
附图说明
图1是本发明的基于荧光法的光纤振动传感系统的流程图。
图2是本发明的基于荧光法的光纤振动传感器的振动探头的结构图。
图3是本发明的基于荧光法的光纤振动传感器的振动探头的结构图。
图4是本发明的基于荧光法的光纤振动传感器光传导原理图。
其中：1为探头外壳，2为支座，3为振动簧片，4为荧光靶（分上下两种荧光材料），5为光纤，6为振动探头，7为光分束器，8为准直透镜，9为颜色光电转换器，10为耦合透镜，11为激励光源。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
如图1所示为基于荧光法的光纤振动传感系统的流程图。
一种基于荧光法的光纤振动传感器，包括振动探头、光分束器和激励光源；所述振动探头包括探头外壳、荧光靶以及具有第一端和第二端的光纤，所述光纤的第一端与所述激励光源相连，所述荧光靶和光纤第二端这两者的其中之一与所述探头外壳弹性连接，另一个与探头外壳刚性连接，且荧光靶与光纤第二端不接触；荧光靶的靶面上涂覆有两种不同的荧光材料，振动探头静止时所述光纤第二端的光轴中心对准两种荧光材料的分界线，且所述光纤第二端的光轴与荧光靶的靶面相垂直；所述光分束器串接于所述光纤的第二端与激励光源之间的光路中，用于将激励光源发射的激励光光路和荧光靶反射的反射光光路耦合于所述光纤。
进一步的，所述荧光靶通过弹性连接件固定在所述探头外壳内部一侧，所述光纤的第二端固定在所述探头外壳内部与荧光靶相对一侧，且光纤第二端的端面与探头外壳内表面几乎平齐，即光纤第二端的端面可以伸出探头外壳的内表面0.1mm-5mm，也可以缩进探头外壳内表面0.1mm-5mm。
进一步的，所述荧光靶固定在所述探头外壳内部一侧，所述光纤的第二端固定在所述探头外壳内部与荧光靶相对一侧，且在探头外壳内伸出较长的一段距离，可随被测物体弹性振动。
进一步的，所述光纤第二端的端面与荧光靶之间的距离小于0.5mm。
一种振动传感方法，利用基于荧光法的光纤振动传感器将被测物体的振动信息转化为光信号，将所述振动探头固定在被测物体上，激励光源向振动探头发射激励光，采集从光分束器分束出来反射光中的两种荧光信息，这两种荧光的相对强度及强度值变化频率表征被测物体的振动幅度和频率。
一种振动传感系统，包括基于荧光法的光纤振动传感器，还包括与光分束器依次连接的光电转换单元、电信号初级放大电路、放大及滤波电路、计算处理输出单元；所述光电转换单元用于将两种荧光靶反射光信号分别转化为电信号，所述电信号初级放大电路用于将电信号进行初步放大，所述放大及滤波电路用于将初步放大的电信号进行进一步精确放大并将信号中的直流分量滤除，所述计算处理输出单元用于计算振动参数并输出。
进一步的，所述光电转换单元为颜色光电转换器，用于将荧光靶反射的两种荧光信号分别转化为电信号。
振动探头通过光纤第二端和荧光靶之间的相对运动来获得被测物体的振动信息，下面为振动探头的两种优选实施例，如图2所示为第一种结构，包括探头外壳1、支座2、振动簧片3、荧光靶4、光纤5；支座2固定在探头外壳1内部一侧，振动簧片3固定在支座2上，荧光靶4固定在振动簧片3的一端，光纤5的第二端固定在探头外壳1内部与荧光靶4相对的一侧，且光纤5第二端的端面与探头外壳内表面几乎齐平。被测物体振动时，探头外壳1随之振动，光纤5相对于外壳1来说是静止的，而荧光靶4相对于外壳1来说是振动的，从而达到光纤5固定，固定有荧光靶4的振动簧片3随被测物体上下振动的目的。
如图3所示为第二种结构，包括探头外壳1、支座2、荧光靶4、光纤5；支座2固定在探头外壳1内部一侧，荧光靶4固定在支座2上，光纤5的第二端固定在探头外壳1内部与荧光靶4相对的一侧，且光纤5的第二端在外壳里面伸出较长的一段距离，随被测物体弹性振动。被测物体振动时，探头外壳1随之振动，光纤5相对于外壳1来说是振动的，而荧光靶4相对于外壳1来说是静止的，从而达到荧光靶4固定，光纤5随被测物体上下振动的目的。
静止时光纤第二端的光轴中心对准两种荧光材料的分界线，以静止时两种荧光的相对光强值作为零振动位移的基准，当荧光靶与光纤第二端的光轴之间有相对位移时，两种荧光相对强度发生变化。两种荧光的相对强度值以及该值变化快慢分别表征被测物体的振动幅度和频率。
如图4所示，为本发明的基于荧光法的光纤振动传感器光传导原理图，其中：6为振动探头，7为光分束器，8为准直透镜，9为颜色光电转换器，10为耦合透镜，11为激励光源；光分束器7将荧光靶反射的两种荧光通过准直透镜8传送给颜色光电转换器9，激励光源11通过耦合透镜10向振动探头6发射激励蓝光，光分束器7将激励光光路和荧光靶反射的两种反射光光路耦合于一根光纤，用以连接振动探头6。
下面是基于荧光法的光纤传感系统获得物体振动信息的全过程。
首先将振动探头紧固在被测物体的表面，并将光纤传感系统的数字信号接线端与个人电脑相连接，设定到通讯波频率以及端口。也可以通过数字或模拟信号接口与其他嵌入式系统相连。
然后给光纤传感系统供电开始工作，LED激励光源向振动探头发射激励蓝光，振动探头将测到的被测物体的振动信息转化为交替变化的两种荧光信号，这两种荧光信号与LED激励光源发射的激励光共用一条光纤通道，LED激励光源由计算处理输出单元控制，也可以手动控制。
在光分束器和振动探头之间只有一根光纤，当三种光经过光分束器时，三种光信号在此光纤通道中波长不同，因此互不干涉影响。光分束器将激励光传送到振动探头，而将荧光靶反射的两种荧光传送给光电转换单元。此时的两种荧光相对强度及该值变化频率分别表征被测物体的振动幅度和频率。
光电转换单元接收到两种荧光信号后，先采用颜色光电转换器和双级运算放大分别将两种交替变化的荧光信号转化为电信号，颜色光电转换器用以识别两种荧光靶反射光的光强变化，并监控激发光的光强。颜色光电转换器可以输出对应的电信号，被测物体振动信息被包含在荧光光强变化所产生的电信号中。接着对该电信号进行放大及滤波处理，双级放大运算处理中的第一级可以由三个运放组成，负责对三股电信号（实际只有两股电信号有效）进行初步放大，而后在此基础上，对其进一步精确放大并做滤波处理，将信号中的直流分量滤除，这样就得到了高质量的包含振动信息的电信号。而后将处理后的信号传送给计算处理输出单元，计算处理输出单元计算还原被测物体的振动信息，并将结果以数字信号和模拟信号输出到个人电脑或其他工业嵌入式设备中，方便用户有多种选用方式。此时从个人电脑中就可以看到所测的振动信息，这样便完成了一次测量周期。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于荧光法的光纤振动传感器，其特征在于：包括振动探头、光分束器和激励光源；
所述振动探头包括探头外壳、荧光靶以及具有第一端和第二端的光纤，所述光纤的第一端与所述激励光源相连，所述荧光靶和光纤第二端这两者的其中之一与所述探头外壳弹性连接，另一个与探头外壳刚性连接，且荧光靶与光纤第二端不接触；荧光靶的靶面上涂覆有两种不同的荧光材料，振动探头静止时所述光纤第二端的光轴中心对准两种荧光材料的分界线，且所述光纤第二端的光轴与荧光靶的靶面相垂直；
所述光分束器串接于所述光纤的第二端与激励光源之间的光路中，用于将激励光源发射的激励光光路和荧光靶反射的反射光光路耦合于所述光纤。
2.如权利要求1所述的基于荧光法的光纤振动传感器，其特征在于：所述荧光靶通过弹性连接件固定在所述探头外壳内部一侧，所述光纤的第二端固定在所述探头外壳内部与荧光靶相对一侧，且光纤第二端的端面与探头外壳内表面几乎平齐。
3.如权利要求1所述的基于荧光法的光纤振动传感器，其特征在于：所述荧光靶固定在所述探头外壳内部一侧，所述光纤的第二端固定在所述探头外壳内部与荧光靶相对一侧，且在探头外壳内伸出较长的一段距离，可随被测物体弹性振动。
4.如权利要求1所述的基于荧光法的光纤振动传感器，其特征在于：所述光纤第二端的端面与荧光靶之间的距离小于0.5mm。
5.一种振动传感方法，利用如权利要求1所述的基于荧光法的光纤振动传感器，将被测物体的振动信息转化为光信号，其特征在于：将所述振动探头固定在被测物体上，激励光源向振动探头发射激励光，采集从光分束器分束出来反射光中的两种荧光信息，这两种荧光的相对强度及强度值变化频率表征被测物体的振动幅度和频率。
6.一种振动传感系统，包括如权利要求1所述的基于荧光法的光纤振动传感器，其特征在于：还包括与光分束器依次连接的光电转换单元、电信号初级放大电路、放大及滤波电路、计算处理输出单元；所述光电转换单元用于将两种荧光靶回射光信号分别转化为电信号，所述电信号初级放大电路用于将电信号进行初步放大，所述放大及滤波电路用于将初步放大的电信号进行进一步精确放大并将信号中的直流分量滤除，所述计算处理输出单元用于计算振动参数并输出。
7.如权利要求6所述的一种振动传感系统，其特征在于：所述光电转换单元为颜色光电转换器，用于将荧光靶反射的两种荧光信号分别转化为电信号。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310537227.5A CN103575380B (zh) | 2013-11-04 | 2013-11-04 | 基于荧光法的光纤振动传感器、振动传感方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310537227.5A CN103575380B (zh) | 2013-11-04 | 2013-11-04 | 基于荧光法的光纤振动传感器、振动传感方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103575380A true CN103575380A (zh) | 2014-02-12 |
| CN103575380B CN103575380B (zh) | 2016-03-02 |
Family
ID=50047654
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310537227.5A Active CN103575380B (zh) | 2013-11-04 | 2013-11-04 | 基于荧光法的光纤振动传感器、振动传感方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103575380B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108444613A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-08-24 | 南京五石金传感技术有限公司 | 一种荧光法温度测量系统及其测量方法 |
| CN112826492A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-05-25 | 上海联影医疗科技股份有限公司 | 振动传感器及医疗成像设备 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000346705A (ja) * | 1999-06-09 | 2000-12-15 | Nissin Electric Co Ltd | アーク光検出装置 |
| CN102788942A (zh) * | 2011-05-13 | 2012-11-21 | 通用电气公司 | 检测光和声波的方法、系统和设备 |
| CN103134833A (zh) * | 2013-01-30 | 2013-06-05 | 南京五石金传感技术有限公司 | 一种基于荧光法的物质导热分析装置 |
| CN103278183A (zh) * | 2013-05-28 | 2013-09-04 | 福州英诺电子科技有限公司 | 一种单光纤式荧光光纤传感头及其光路结构 |
| CN203615999U (zh) * | 2013-11-04 | 2014-05-28 | 南京五石金传感技术有限公司 | 基于荧光法的光纤振动传感器及振动传感系统 |
-
2013
- 2013-11-04 CN CN201310537227.5A patent/CN103575380B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000346705A (ja) * | 1999-06-09 | 2000-12-15 | Nissin Electric Co Ltd | アーク光検出装置 |
| CN102788942A (zh) * | 2011-05-13 | 2012-11-21 | 通用电气公司 | 检测光和声波的方法、系统和设备 |
| CN103134833A (zh) * | 2013-01-30 | 2013-06-05 | 南京五石金传感技术有限公司 | 一种基于荧光法的物质导热分析装置 |
| CN103278183A (zh) * | 2013-05-28 | 2013-09-04 | 福州英诺电子科技有限公司 | 一种单光纤式荧光光纤传感头及其光路结构 |
| CN203615999U (zh) * | 2013-11-04 | 2014-05-28 | 南京五石金传感技术有限公司 | 基于荧光法的光纤振动传感器及振动传感系统 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108444613A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-08-24 | 南京五石金传感技术有限公司 | 一种荧光法温度测量系统及其测量方法 |
| CN112826492A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-05-25 | 上海联影医疗科技股份有限公司 | 振动传感器及医疗成像设备 |
| CN112826492B (zh) * | 2020-12-29 | 2023-08-08 | 上海联影医疗科技股份有限公司 | 振动传感器及医疗成像设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103575380B (zh) | 2016-03-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Perrone et al. | A low-cost optical sensor for noncontact vibration measurements | |
| Vallan et al. | Displacement and acceleration measurements in vibration tests using a fiber optic sensor | |
| CN102095538A (zh) | 保偏光纤应力传感的数据解调方法 | |
| CN105277270B (zh) | 一种基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统 | |
| CN101949685A (zh) | 光纤型激光自混合干涉仪及其测量方法 | |
| CN204649162U (zh) | 一种光纤光栅分布式应变检测装置 | |
| CN108775954B (zh) | 一种分辨率可调的双波长ld自混合振动测量仪及其测量方法 | |
| Shang et al. | Experimental study on minimum resolvable velocity for heterodyne laser Doppler vibrometry | |
| CN104713575A (zh) | 一种闭环光纤陀螺频率特性的测试方法 | |
| CN103575380B (zh) | 基于荧光法的光纤振动传感器、振动传感方法及系统 | |
| CN205505978U (zh) | 一种基于激光自混合干涉的小型光学测头 | |
| CN203615999U (zh) | 基于荧光法的光纤振动传感器及振动传感系统 | |
| CN103486444B (zh) | 基于3×3耦合器的Sagnac环形管道安全监测系统 | |
| CN206080489U (zh) | 基于f‑p腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统 | |
| CN206095586U (zh) | 一种新型光纤折射率分布测量装置 | |
| CN103983341A (zh) | 一种高精度激光散斑微振动测量系统及测量方法 | |
| CN102692268B (zh) | 一种用于结构振动检测的分布式光纤振动传感器 | |
| CN205981115U (zh) | 一种光电式振弦传感器 | |
| CN110332951A (zh) | 一种光频域反射技术中实现远端传感的装置及方法 | |
| CN202267590U (zh) | 自由曲面镜片的检测装置 | |
| CN104535170A (zh) | 三维低频振动检测装置 | |
| CN201993214U (zh) | 一种用于结构振动检测的分布式光纤振动传感器 | |
| CN107631814A (zh) | 光自相干传感光路结构、频移变化检测方法和传感装置 | |
| CN108337044B (zh) | 一种基于白光干涉的高灵敏度光缆普查装置及方法 | |
| CN203572440U (zh) | 激光瞬态位移测量装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |