CN104390694B - 包层光纤光栅振动传感仪 - Google Patents

Abstract

一种包层光纤光栅振动传感仪，半导体激光器通过单模光纤与光纤环形器相连，光纤环形器通过单模光纤与光纤光栅传感器和光纤波分复用器相连，光纤波分复用器通过单模光纤与包层光栅光电探测器和纤芯光栅光电探测器相连,包层光栅光电探测器和纤芯光栅光电探测器通过同轴电缆与示波器相连，在细芯光纤上写有纤芯光栅，光纤包层上写有包层光栅。在建筑物震动检测时，半导体激光器发出的激光经光纤环形器传输至纤芯光栅和包层光栅，待测振动体振动引起包层光栅反射的包层模能量分布变化，改变耦合进入单模光纤的能量，获得振动方向信息，实时检测桥梁、隧道、大坝等土木工程的结构形变，研究地球内部结构和地震波传播特性，实现临震预报。

Description

包层光纤光栅振动传感仪

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及到光纤光栅振动传感器。

背景技术

作为一种新型的光无源器件，光纤光栅加速度传感器具有许多电磁类加速度传感器无法比拟的优点,如灵敏度高、动态范围宽、不受电磁干扰、抗腐蚀、传输损耗小、可靠性高、体积小、重量轻等特点，而且具有传感信号不受光源起伏、光路损耗等因素的影响，抗干扰能力强、传感探头结构简单、易于使用波分复用技术而形成分布式测量等特点。因此光纤光栅加速度传感器也成为了一个新的研究和发展的方向。光纤检波器已从地层几千米深的油气资源地质勘探研究，拓展到地层万米深的天然地震波实时监测，探索天然地震灾害、次生灾害、地质滑坡以及桥梁、大坝、公路破损等预警预报监测，具有十分重要的科学技术研究意义和广阔的应用前景。

光纤类加速度传感器采用光纤传感技术来测量惯性质量块与传感器基座的相对位移，如光弹效应法、光强波动法、干涉法、布拉格光栅法、多普勒效应法等。一般当光纤的长度发生变化时，光纤中传输的光的相位或振幅将发生相应的变化。光纤类加速度传感器就是利用光纤的这种特性，外界的振动加速度会引起光纤长度的变化，进而引起传输光的相位或振幅的变化，通过光学方法检测出传输光的相位或振幅的变化即能检测出外界的振动加速度。但对于未知振源、振源变化或多源振动等复杂监测对象来说(例如地震波监测)，振动方向的准确识别起到至关重要的作用，即实现振动矢量传感。已报道的三分量振动传感器通常需要三个独立的传感单元(例如光纤干涉仪、光纤光栅)，分别感测三维正交振动分量信息，取得了可喜的研究进展。但此类传感器通常采用组合式的应变传递结构，难以实现传感器的微型化和嵌入式感测；此外，三个独立传感单元间的噪声串扰、功率分配不均衡、相位不一致等问题为振动方向的准确识别带来难度。

随着光纤光栅传感技术的发展和材料学以及加工技术的进步，国内外科研人员设计了多种性能优异的光纤布拉格光栅加速度传感器。1996年美国的Berkoff和Kersey提出了一种FBG嵌入式加速度传感器的设计，即将FBG嵌入安装在橡胶材料层中，橡胶材料层介于质量块和刚性基座之间。该传感器主要是基于FBG的压力效应，当质量块感受到外界的惯性力时会引起橡胶材料层的横向变形，最终导致FBG应变的产生而使中心波长发生漂移。然而正是由于FBG嵌入式的安装使得此种方法设计的加速度传感器很容易受横向振动的干扰，此外振动过程中容易引起光纤的双折射效应致使反射谱的谱峰分裂从而大大降低了测量精度。1998年美国海军研究所(Naval Research Laboratory,NRL)的Todd等人设计了一种基于双挠性梁作为转换器的FBG加速度传感器，将FBG粘贴在第二个矩形梁的下表面，质量块通过点接触焊接在两矩形梁中间。当质量块感受到外界的惯性力时会使两个矩形梁产生挠度，最终导致FBG应变的产生而使中心波长发生漂移。上述检波器主要通过机械结构设计将外界振动信号传递给光纤，这类检波感器结构复杂，体积较大，不具有方向识别性，而且解调已波长漂移解调为主，解调费用高。最近，加拿大卡尔顿大学J.Albert课题组于2008年报道了一种基于倾斜光纤光栅错位熔接技术实现高灵敏度振动传感的方法此方法可利用一根光纤探头实现两个独立的能量输出，分别用于振动信息提取和光源抖动等补偿。此方法可实现对振动信息的快速实时解调，解调成本低，但此方法尚未实现对振动方向的准确鉴别。因此，一种具有方向识别性的高灵敏且具有潜在复用能力的光纤检波器成为现代传感技术发展和工业应用的迫切需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述光纤光栅传感器3的缺点，提供一种方向识别性好、不受电磁干扰、结构紧凑、产品成本低、易于组网的基于强度解调的包层光纤光栅振动传感仪。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：半导体激光器通过单模光纤与光纤环形器相连，光纤环形器通过单模光纤与光纤光栅传感器和光纤波分复用器相连，光纤波分复用器通过单模光纤与包层光栅光电探测器和纤芯光栅光电探测器相连,包层光栅光电探测器和纤芯光栅光电探测器通过同轴电缆与示波器相连。

本发明的传感器为：与光纤环形器连接的单模光纤端部与细芯光纤相连，细芯光纤上刻写有纤芯光栅，光纤包层上刻写有包层光栅。

本发明的纤芯光栅的波长为1520～1620nm，纤芯光栅的波长与包层光栅的波长差为8nm。

本发明的纤芯光栅的波长最佳为1563nm，纤芯光栅的波长与包层光栅的波长差为8nm。

本发明的纤芯光栅的长度与包层光栅的长度相等，包层光栅与纤芯光栅位于同一轴向长度位置平行排列。

本发明的细芯光纤纤芯直径最佳为4.4μm。

本发明的半导体激光器产生波长为1520～1620nm的激光。

由于本发明采用在细芯光纤的纤芯上写有纤芯光栅、光纤包层上写有相对称的包层光栅构成的振动传感器，在建筑物震动检测时，半导体激光器发出的激光经光纤环形器传输至纤芯光栅和包层光栅，待测振动体振动引起包层光栅反射的包层模能量分布变化，改变耦合进入单模光纤的能量，获得振动方向信息。实时检测桥梁、隧道、大坝等土木工程的结构形变，通过记录震源、研究地球内部结构和地震波传播特性，实现临震预报，可在地震灾害预报、石油天然气勘探、土木工程等领域应用。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是图1中传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和各实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实施例的包层光纤光栅振动传感仪由半导体激光器1、光纤环形器2、光纤光栅传感器3、示波器4、纤芯光栅光电探测器5、包层光栅光电探测器6、光纤波分复用器7连接构成。

半导体激光器1通过单模光纤与光纤环形器2相连，半导体激光器1产生波长为1520～1620nm的激光通过单模光纤输出到光纤环形器2，光纤环形器2通过单模光纤与光纤光栅传感器3和光纤波分复用器7相连，半导体激光器1为光纤光栅传感器3和光纤波分复用器7提供激光，光纤波分复用器7通过单模光纤与纤芯光栅光电探测器5和包层光栅光电探测器6相连，纤芯光栅光电探测器5和包层光栅光电探测器6通过同轴电缆与示波器4相连。示波器4显示出被测物体的振动曲线。

在图2中，本实施例的光纤光栅传感器3由光纤套3-1、细芯光纤3-2、包层光栅3-3、纤芯光栅3-4构成。单模光纤的端部插入到光纤套3-1内，单模光纤的端部与细芯光纤3-2熔接，细芯光纤3-2纤芯直径为4.4μm，细芯光纤3-2的纤芯上刻写有纤芯光栅3-4，纤芯光栅3-4的波长为1563nm，光纤包层上刻写有包层光栅3-3，包层光栅3-3的波长为1555nm，包层光栅3-3的长度与纤芯光栅3-4的长度相等，包层光栅3-3与纤芯光栅3-4位于同一轴向长度位置平行排列，细芯光纤3-2的包层光栅3-3反射的波长与纤芯光栅3-4反射的波长明显分立，便于滤波解调。这种结构的光纤光栅传感器3，实现单一光纤光栅的二维振动方向识别，具有灵敏度高、结构紧凑、成本低、易于组网等优点。

实施例2

在本实施例中，单模光纤的端部熔接有细芯光纤3-2，细芯光纤3-2纤芯上刻写有纤芯光栅3-4，光纤包层上刻写有包层光栅3-3，纤芯光栅3-4的波长为1520nm，包层光栅3-3的波长为1512nm，包层光栅3-3的长度与纤芯光栅3-4的长度相等，包层光栅3-3与纤芯光栅3-4位于同一轴向长度位置平行排列。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

在本实施例中，单模光纤的端部熔接有细芯光纤3-2，细芯光纤3-2的纤芯上刻写有纤芯光栅3-4，光纤包层上刻写有包层光栅3-3，光纤包层上刻写有包层光栅3-3，纤芯光栅3-4的波长为1620nm，包层光栅3-3的波长为1612nm，包层光栅3-3的长度与纤芯光栅3-4的长度相等，包层光栅3-3与纤芯光栅3-4位于同一轴向长度位置平行排列。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

本发明的工作原理如下：

测试时，将光纤光栅传感器3粘贴在待测振动体上，半导体激光器1发出的激光经光纤环形器2传输至纤芯光栅3-4和包层光栅3-3，待测振动体振动引起光纤光栅传感器3微形变，导致包层光栅3-3反射的包层模能量分布变化，改变耦合进入单模光纤的能量，包层光栅3-3对形变引起的包层模能量分布变化具有明显的方向性，提取不同方向上包层模耦合能量随外界振动激励的动态变化信息，可获得振动方向信息。同时纤芯光栅3-4耦合的纤芯模能量一直被限制在纤芯内部，纤芯模能量不随环境振动发生变化，纤芯模能量会受到光源、光纤环形器2和光纤波分复用器7等对光传输的影响而发生波动，纤芯光栅3-4和包层光栅3-3分别反射两个不同波长的激光，反射的激光经光纤环形器2传输至光纤波分复用器7，光纤波分复用器7将激光分成两束与入射激光波长相同独立的激光，通过光纤波分复用器7分束的方式提取纤芯模的能量用于校准系统的不稳定对传感信号的干扰，包层光栅3-3反射的光传输至包层光栅光电探测器6，纤芯光栅3-4反射的激光传输至纤芯光栅光电探测器5，纤芯光栅光电探测器5和包层光栅光电探测器6将光信号转换为电信号，通过导线传输到示波器4，示波器4显示出两束激光的能量变化，实现振动体高灵敏度实时检测。

根据上述原理，还可设计出另外一种具体结构的包层光纤光栅振动传感仪，但均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种包层光纤光栅振动传感仪，半导体激光器(1)通过单模光纤与光纤环形器(2)相连，光纤环形器(2)通过单模光纤与光纤光栅传感器(3)和光纤波分复用器(7)相连，光纤波分复用器(7)通过单模光纤与包层光栅光电探测器(6)和纤芯光栅光电探测器(5)相连,包层光栅光电探测器(6)和纤芯光栅光电探测器(5)通过同轴电缆与示波器(4)相连，其特征在于所述的光纤光栅传感器(3)为：与光纤环形器(2)连接的单模光纤端部与细芯光纤(3-2)相连，细芯光纤(3-2)上刻写有纤芯光栅(3-4)，光纤包层上刻写有包层光栅(3-3)，包层光栅(3-3)与纤芯光栅(3-4)位于同一轴向长度位置平行排列。

2.根据权利要求1所述的包层光纤光栅振动传感仪，其特征在于：所述的纤芯光栅(3-4)的波长为1520～1620nm，纤芯光栅(3-4)的波长与包层光栅(3-3)的波长差为8nm。

3.根据权利要求1所述的包层光纤光栅振动传感仪，其特征在于：所述的纤芯光栅(3-4)的波长为1563nm，纤芯光栅(3-4)的波长与包层光栅(3-3)的波长差为8nm。