CN105136274B - 一种光纤光栅泥石流地声传感系统 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅泥石流地声传感系统，包括宽带光源、第一光环行器、第一传输光纤、光功率分配器、第二光环行器、第二传输光纤，宽带光源与第一光环行器的第一端口连接，第一光环行器的第二端口与第一传输光纤连接，第一光环行器的第三端口连接光功率分配器的输入端口；光功率分配器的第一输出端口与第二光环行器的第一端口连接，第二光环行器的第二端口与第二传输光纤连接，第二光环行器的第三端口与光强度差分解调装置连接，光功率分配器的第二输出端口与光强度差分解调装置连接。所述第一传输光纤、第二传输光纤分别与传感探头连接。所述传感探头悬空封装一个波长取样光栅、一个传感光栅。本发明系统具有灵敏度高、抗温度影响、布置简单、可多点复用、性价比高等优点。

Description

一种光纤光栅泥石流地声传感系统

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体而言涉及一种光纤光栅泥石流地声传感系统。

背景技术

泥石流、地震等灾害具有暴发突然、来势凶猛、迅速之特点，并兼有崩塌、滑坡和洪水破坏的双重作用，其危害程度比单一的地质灾害更为广泛和严重。泥石流在流动过程中，夹杂的颗粒物会与沿途山体发生碰撞，产生具有特定频率的振动，这种沿沟岸岩石传播便产生泥石流地声。通过监测泥石流地声可以在泥石流发生的早期及时报警，最大限度地争取防灾减灾时间，有效降低灾害损失的程度。近年来国内外许多学者专家提出发展泥石流监测系统，作为泥石流防治的先期措施，期望能在泥石流发生前对泥石流危及地区的居民提出报警，以保障其生命财产的安全。目前泥石流报警系统多为电子报警器，如中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所推出第三代泥石流地声波电子报警器DFW-1 III，其与世界知名品牌MODEL4190（丹麦B&KG公司）、MK222（德国产）具有相同的性质和精度。但这些电子地声监测装置在野外需要提供能源，或辅以太阳能装置供电，使传感系统变得复杂，且信号远程回传衰减严重，易受干扰，远程监控困难。

光纤传感技术具有高灵敏度、易于多点复用、抗电磁干扰、无源远程监测等特性，逐渐在振动传感器领域获得倍受青睐。将光纤振动传感器应用于地声监测，充分发挥其耐恶劣环境、远距离传输的优势，成为地灾监测技术研究的新方向。现有研究表明：泥石流地声的显著频率低于250Hz，最小振动的加速度幅度在0.2m/s2左右，属于低频微弱振动信号的范畴，接近传统单光栅悬臂梁结构的加速度传感器的灵敏度极限。为了对泥石流地声进行有效监测，需要对光纤光栅传感器的灵敏度进行提升，一些高性价比的技术方案相继被提出，其中，基于边坡法的强度解调方案兼有高灵敏度和易于多点复用的特点，成为研究的热点。

武汉理工大学的朱方东等（“朱方东.波分复用光纤光栅振动传感网络解调系统的研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.” ）提出采用DFB-LD作为光源，入射到传感光栅的光谱边坡上，通过传感光栅将加速度引起的波长变化转化为反射光信号强度的变化，这种方法可使传感系统的灵敏度获得数量级的提升，但这种方法受激光器光源波长稳定性和传感光栅温漂的影响，实用性不强。

山东省光纤传感技术重点实验室的刘统玉研究团队对上述系统进行改进，通过监测光栅反射信号中的直流分量来分析温度的影响，进而调节激光器的波长予以消除，但系统设计复杂，长期稳定性不佳（“Binxin Hu, Tongyu Liu,et al. Distributed fiberoptic micro-seismic monitoring system for coal mines[C]. Proc.of SPIE,Vol.8924, 89242F, 2013” ）。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤光栅泥石流地声传感系统，该系统具有灵敏度高、抗温度影响、布置简单、可多点复用、性价比高等优点。

本发明采取的技术方案为：

一种光纤光栅泥石流地声传感系统，包括宽带光源、第一光环行器、第一传输光纤、光功率分配器、第二光环行器、第二传输光纤，宽带光源与第一光环行器的第一端口连接，第一光环行器的第二端口与第一传输光纤连接，第一光环行器的第三端口连接光功率分配器的输入端口；光功率分配器的第一输出端口与第二光环行器的第一端口连接，第二光环行器的第二端口与第二传输光纤连接，第二光环行器的第三端口与光强度差分解调装置连接，光功率分配器的第二输出端口与光强度差分解调装置连接。所述第一传输光纤、第二传输光纤分别与传感探头连接。所述传感探头悬空封装一个波长取样光栅、一个传感光栅。

所述传感探头的个数还可以采用波分复用（WDM）技术进行扩展，多个传感探头通过第一传输光纤、第二传输光纤串接。

所述光功率分配器的第一输出端口、第二输出端口的功率比为2:1。

所述波长取样光栅的峰值波长位于传感光栅静态反射谱的半功率点。

所述传感光栅与悬臂梁式的机械结构连接，悬臂梁式的机械结构感测外界加速度的变化，从而引起光栅的拉伸应变变化。

所述波长取样光栅用于从宽带光源中选择反射特定波长的光信号，并感测探头内部环境温度的变化而变化。

所述波长取样光栅、传感光栅具有相同的温度敏感系数。

所述光强度差分解调装置对两输入端口的参考光（来自光功率分配器）和信号光（来自传感光栅）分别进行光电转换并放大，再对两路电信号进行差分。由于传感光栅静态时反射的信号光与参考光强度相当，差分后输出电信号强度为零。而当传感光栅受加速度作用，反射光信号强度随加速度大小变化时，差分后输出电信号强度将直接反应加速度的大小及频率特征。此外，光强度差分解调装置还可以很好抑制光源及传输光纤引起的功率波动。例如，当光源长期工作，输出功率下降后，参考信号和传感信号都会出现等比例下降，通过差分方法能很好地消除因光源的影响。

对于多个不同波长的传感探头通过WDM后的信号，需要在光强度差分解调装置中增加对应工作波长的WDM解复用器（或者带通滤波器），然后单传感器解调的方法分别进行各通道波长传感器的解调。

一种光纤光栅泥石流地声传感方法，宽带光源发出的连续光功率信号，进入第一光环行器，通过第一光环行器的第二端口进入波长取样光栅阵列，波长取样光栅对宽带光源信号进行反射，形成各种特定波长的反射谱，再经过光功率分配器分成两路：一路作为参考信号直接进行光电转换，另一路经第二光环行器进入传感光栅阵列。

当传感探头处于静态时，匹配波长的入射光信号被传感光栅反射，由于入射光处于传感光栅光谱的半功率点，反射光强信号约为入射光强信号功率的一半；

当传感探头受加速度影响后，传感光栅的光谱发生偏移，边坡反射点的位置发生变化，反射的光功率随之波动，通过对动态的光信号进行光电转换后，再与参考信号进行差分，即可获得与加速度变化相对应的稳定电信号，再采用计算机进行分析，提取加速度相关的频率和幅度信号。

一种悬臂梁传感探头，包括不锈钢壳体、波长取样光栅、传感光栅、弹簧片、质量块。弹簧片一端与质量块配合安装后采用激光焊接，另一端与壳体内配合安装后采用激光焊接。传感光栅一端胶结在不锈钢壳体的引入处，另一端胶结在质量块的过渡圆弧处。波长取样光栅一端胶结不锈钢壳体的引入处，另一端可以胶结在不锈钢壳体的内壁上。探头工作时，泥石流等地声振动通过不锈钢壳体传递到质量块上，质量块受加速度变化的影响在垂直方向产生往复运动，导致传感光栅的应力变化，使光栅反射谱的边坡位置发生变化，对应波长的反射率发生变化，通过检测光强的变化，可以提取振动的相关信息；波长取样光栅空悬在不锈钢壳体中，用于感测不锈钢壳体内环境温度的变化，平衡因为温度影响导致传感光栅8边坡变化引起的误差，提升探头的稳定性和适用范围。

本发明一种光纤光栅泥石流地声传感系统，优点在于：

1）、采用具有相同温漂系数的波长取样光栅和传感光栅同腔封装，通过光学补偿的方法消除温度对传感探头的影响，保证传感系统具有高灵敏度的同时，能长期稳定工作；

2）、采用波长取样光栅从宽带光源中分离信号，降低对光源的要求，简化系统成本；

3）、传感探头可以工作在不同的波长，易于多波长复用，构成多探头串联结构。

4）、针对泥石流地声的特性和复杂实用环境，对光纤传感系统进行优化设计，能实现对泥石流地声的无源、多点、高灵敏度监测。

附图说明

图1为本发明一种光纤光栅泥石流地声传感系统的原理图；

图中：1—宽带光源，2—第一光环行器，3—第一传输光纤3，4—传感探头，5—光功率分配器，6—第二光环行器，7—第二传输光纤，8—波长取样光栅，9—传感光栅，10—光强度差分解调装置。

图2为本发明的悬臂梁传感探头的一种具体结构图：

图中：8—波长取样光栅，9—传感光栅，11—不锈钢壳体，12—弹簧片，13—质量块。

图3 光强度差分解调装置的一种实现原理图。

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：

如图1所示，一种光纤光栅泥石流地声传感系统，包括宽带光源1、第一光环行器2、第一传输光纤3、光功率分配器5、第二光环行器6、第二传输光纤7， 宽带光源1与第一光环行器2的第一端口连接，第一光环行器2的第二端口与第一传输光纤3连接，第一光环行器2的第三端口连接光功率分配器5的输入端口。光功率分配器5的第一输出端口与第二光环行器6的第一端口连接，第二光环行器6的第二端口与第二传输光纤7连接，第二光环行器6的第三端口与光强度差分解调装置10连接，光功率分配器5的第二输出端口与光强度差分解调装置10连接。所述第一传输光纤3、第二传输光纤7分别与传感探头4连接。

所述传感探头4悬空封装一个波长取样光栅9、一个传感光栅8。

所述传感探头4的个数还可以采用波分复用（WDM）技术进行扩展，多个传感探头4通过第一传输光纤3、第二传输光纤7串接。

所述光功率分配器5的第一输出端口、第二输出端口的功率比为2:1。第一输出端口的光功率经过传感光栅8的半功率点反射后，可以获得与第二输出端口的参考信号光相同的强度，从而方便进行差分处理。

所述波长取样光栅9的峰值波长位于传感光栅8静态反射谱的半功率点。光栅半功率点的光谱具有较好的线性，且可以使传感系统具备最大的动态范围。

所述传感光栅8与悬臂梁式的机械结构连接，梁式的机械结构感测外界加速度的变化，从而引起光栅的拉伸应变变化。悬臂梁式机械结构成熟可靠，分体式结构加工简单（不锈钢壳体11的关键部位可以一次线切割完成），且方便进行谐振频率和灵敏度的调节，便于针对泥石流地声低频段监测的试验和。

所述波长取样光栅9用于从宽带光源1中选择反射特定波长的光信号，并感测探头内部环境温度的变化而变化。当探头内容的温度发生变化时，取样光栅9的波长会发生漂移，而宽带光源1经过取样光栅9反射后，反射信号的波长将如实反应取样光栅9的变化。

所述波长取样光栅9、传感光栅8具有相同的温度敏感系数。当探头内的环境温度变化时，由于两光栅具有相同的温度敏感系数，即对于同样的温度变化，两者具有同样的波长漂移幅度，从而保证半功率反射点的稳定。

光强度差分解调装置10的一种实现方案原理图如图3，包括第一光电转换器、第一可调放大器、第二光电转换器、第二可调放大器、差值运算电路、模数转换及数据采集卡、计算机。第一光电转换器一端与光纤连接，另一端与第一可调放大器连接，第一可调放大器另一端与差值运算电路连接；第二光电转换器一端与光纤连接，另一端与第二可调放大器连接，第二可调放大器另一端与差值运算电路连接；差值运算电路另一端与模数转换及数据采集卡，模数转换及数据采集卡的另一端与计算机连接。

光强度差分解调装置10对两输入端口的参考光（来自光功率分配器5）和信号光（来自传感光栅8）分别进行光电转换并放大，再对两路电信号进行差分。由于传感光栅8静态时反射的信号光与参考光强度相当，差分后输出电信号强度为零。而当传感光栅8受加速度作用，反射光信号强度随加速度大小变化时，差分后输出电信号强度将直接反应加速度的大小及频率特征。此外，光强度差分解调装置10还可以很好抑制光源1及传输光纤3引起的功率波动。例如，当光源1长期工作，输出功率下降后，参考信号和传感信号都会出现等比例下降，通过差分方法能很好地消除因光源的影响。

对于多个不同波长的传感探头4通过WDM后的信号，需要在光强度差分解调装置10中增加对应工作波长的WDM解复用器（或者带通滤波器），然后单传感器解调的方法分别进行各通道波长传感器的解调。

一种光纤光栅泥石流地声传感方法，宽带光源1发出的连续光功率信号，进入第一光环行器2，通过第一光环行器2的第二端口进入波长取样光栅9阵列，波长取样光栅9对宽带光源1信号进行反射，形成各种特定波长的反射谱，再经过光功率分配器5分成两路：一路作为参考信号直接进行光电转换，另一路经第二光环行器6进入传感光栅8阵列；

当传感探头4处于静态时，匹配波长的入射光信号被传感光栅8反射，由于入射光处于传感光栅8光谱的半功率点，反射光强信号约为入射光强信号功率的一半；

当传感探头4受加速度影响后，传感光栅8的光谱发生偏移，边坡反射点的位置发生变化，反射的光功率随之波动，通过对动态的光信号进行光电转换后，再与参考信号进行差分，即可获得与加速度变化相对应的稳定电信号，再采用计算机进行分析，提取加速度相关的频率和幅度信号。

如图2所示，一种悬臂梁传感探头，包括不锈钢壳体11、波长取样光栅9、传感光栅8、弹簧片12、质量块13。弹簧片12一端与质量块13配合安装后采用激光焊接，另一端与不锈钢壳体11内配合安装后采用激光焊接。传感光栅8一端胶结在不锈钢壳体11的引入处，另一端胶结在质量块13的过渡圆弧处。波长取样光栅9一端胶结不锈钢壳体11的引入处，另一端可以胶结在不锈钢壳体11的内壁上。探头工作时，泥石流等地声振动通过不锈钢壳体11传递到质量块13上，质量块13受加速度变化的影响在垂直方向产生往复运动，导致传感光栅8的应力变化，使光栅反射谱的边坡位置发生变化，对应波长的反射率发生变化，通过检测光强的变化，可以提取振动的相关信息；波长取样光栅9空悬在不锈钢壳体11中，用于感测的不锈钢壳体11内环境温度的变化，当波长取样光栅9和传感光栅8同时受到环境温度的影响时，由于两者具有相同的温度敏感系数，会产生相同的波长漂移，从而确保传感光栅8的峰值点始终位于半功率点，从而平衡因为温度影响导致传感光栅8边坡变化引起的误差，提升探头的稳定性和适用范围。

Claims (3)

1.一种光纤光栅泥石流地声传感系统，包括宽带光源（1）、第一光环行器（2）、第一传输光纤（3）、光功率分配器（5）、第二光环行器（6）、第二传输光纤（7），其特征在于：宽带光源（1）与第一光环行器（2）的第一端口连接，第一光环行器（2）的第二端口与第一传输光纤（3）连接，第一光环行器（2）的第三端口连接光功率分配器（5）的输入端口；光功率分配器（5）的第一输出端口与第二光环行器（6）的第一端口连接，第二光环行器（6）的第二端口与第二传输光纤（7）连接，第二光环行器（6）的第三端口与光强度差分解调装置（10）连接，光功率分配器（5）的第二输出端口与光强度差分解调装置（10）连接；所述第一传输光纤（3）、第二传输光纤（7）分别与传感探头（4）连接；所述传感探头（4）悬空封装一个波长取样光栅（9）、一个传感光栅（8）；

所述波长取样光栅（9）的峰值波长位于传感光栅（8）静态反射谱的半功率点。

2.采用如权利要求1所述一种光纤光栅泥石流地声传感系统的地声传感方法，其特征在于：光强度差分解调装置（10）对两输入端口来自光功率分配器（5）的参考光，来自传感光栅（8）的信号光分别进行光电转换并放大，再对两路电信号进行差分；由于传感光栅（8）静态时反射的信号光与参考光强度相当，差分后输出电信号强度为零；而当传感光栅（8）受加速度作用，反射光信号强度随加速度大小变化时，差分后输出电信号强度将直接反应加速度的大小及频率特征。

3.如权利要求2所述一种光纤光栅泥石流地声传感系统的地声传感方法，其特征在于，宽带光源（1）发出的连续光功率信号，进入第一光环行器（2），通过第一光环行器（2）的第二端口进入波长取样光栅（9）阵列，波长取样光栅（9）对宽带光源（1）信号进行反射，形成各种特定波长的反射谱，再经过光功率分配器（5）分成两路：一路作为参考信号直接进行光电转换，另一路经第二光环行器（6）进入传感光栅（8）阵列；

当传感探头（4）处于静态时，匹配波长的入射光信号被传感光栅（8）反射，由于入射光处于传感光栅（8）光谱的半功率点，反射光强信号约为入射光强信号功率的一半；

当传感探头（4）受加速度影响后，传感光栅（8）的光谱发生偏移，边坡反射点的位置发生变化，反射的光功率随之波动，通过对动态的光信号进行光电转换后，再与参考信号进行差分，即可获得与加速度变化相对应的稳定电信号，再采用计算机进行分析，提取加速度相关的频率和幅度信号。