CN105181108B - 一种光纤光栅地声传感探头及传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤光栅地声传感探头，包括光纤，啁啾弱光栅，弹簧，质量块，啁啾弱光栅，筒体，弹簧一端与质量块连接，另一端与所述的筒体连接；光纤一端与质量块胶结，另一端与筒体胶结。两个啁啾光栅具有相同反射谱、反射率低于1％的低反射率光栅，并布置在应变传感工作区外，以避免光栅本身受应力影响。本发明还公开了一种基于所述地声传感探头的传感系统，该系统可实现多探头的大规模复用。所发明的传感探头结构简单、灵敏度高，基于该探头构建的时分复用传感系统，可根据具体的应用场景灵活配置传感器的数量和灵敏度，实现大规模、广域的传感监测，具有良好的应用前景。

Description

一种光纤光栅地声传感探头及传感系统

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地声传感探头及传感系统。

背景技术

泥石流地声是指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，这种振动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对泥石流的发生进行早期预警，最大限度地争取防灾减灾时间，有效降低灾害损失的程度。然而，相比较地震波的监测，泥石流产生的地声强度低，且在浅层地表的传播过程中衰落快，最大传播距离约100米，显著频率在100Hz左右。传统的电子振动传感器已经在泥石流地声监测中获得应用，但在布设和维护方面存在较大困难。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，在复杂环境的振动监测中倍受青睐。为了可靠监测泥石流地声信号，要求光纤传感器具有很高的灵敏度(可探测加速度小于0.1g)，固有频率高于250Hz左右。此外，由于大多数泥石流的源发地具有不确定性，为了准确预报和研究泥石流的爆发及演进规律，需要在可能爆发的区域大量布设传感器，这对传感器的复用数量、灵敏度、监测距离和实时性都提出了很高的要求。现有的“点式”光纤光栅传感器是将光纤光栅固定在机械结构上(如悬臂梁)，通过机械结构传导实现振动传感，其灵敏度可基本满足泥石流地声监测的要求，但很难进行大规模复用，不易在广域范围内进行布设；分布式光纤传感技术(如光纤布里渊传感器(BOTDA)、光纤拉曼传感器(DTS))能较好地满足大范围监测的要求，但检测的传感信号弱，需要通过大容量的数据处理提取信号，实时性不佳。

为了提升光纤振动传感器的灵敏度和复用能力，实现对泥石流地声的大范围、高可靠性监测，一些研究人员引入光纤水听计的传感方案(见“刘育梁,何俊等.光纤地震波探测的研究进展[J].激光与光电子学进展.2009,11:21～28.”)，采用DFB光纤激光技术将振动变化转换成波长的变化，再通过非平衡迈克尔逊干涉仪解调并放大这种波长变化，实现高灵敏度的地声传感，但该方案需要在有源光纤上刻写高反射率光栅，制备工艺复杂，可复用传感器的数量有限，且系统构建成本高，鲜有在民用领域应用的相关报道。其它光纤传感技术，诸如光纤光栅法布里-珀罗(FFP)干涉仪等，很难在光域内对传感信号进行放大，灵敏度改善十分有限，且系统复杂，实用性不强。因此，开发高灵敏度、强复用能力的新型地声传感器具有重要应用价值。

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地声传感探头及系统，该装置结构简单、制作方便、灵敏度高、配置灵活等优点。

本发明采取的技术方案为：

一种光纤光栅地声传感探头，包括光纤、弹簧、质量块、筒体，筒体内设有弹簧、质量块，弹簧一端与质量块连接，弹簧另一端与筒体连接；光纤一端与质量块胶结，光纤另一端与筒体胶结。

所述光纤上刻写有第一啁啾光栅、第二啁啾光栅，所述第一啁啾光栅、第二啁啾光栅位于光纤胶结点附近，应变传感工作区外。

所述第一啁啾光栅、第二啁啾光栅具有相同的反射光谱特性，且反射率低于1％。

质量块顶部到筒体内部顶面之间的距离为L，改变所述质量块与所述筒体之间的距离L，可以改变传感探头的灵敏度。

一种光纤光栅地声传感系统，包括激光光源、电光调制器、光环行器、传输光纤、以及一种地声传感探头，所述光环行器的第一端口连接激光光源；光环行器的第二端口连接传输光纤；所述传输光纤上串接多个所述地声传感探头；光环行器的第三端口连接所述光电探测器；光电探测器与带A/D转换的数据采集卡连接；所述延时模块的第一端口连接电光调制器；延时模块的第二端口连接所述数据采集卡的外触发端口；所述计算机与延时模块的控制端口连接；计算机与数据采集卡的输出端口连接。

所述激光光源的工作波长位于所述地声传感探头内的啁啾光栅的反射谱范围内。

一种光纤光栅地声传感系统的传感方法，光源的连续光经过电光调制器调制后，形成光脉冲，光脉冲进入光环行器，再进入所述地声传感探头，在各个探头位置形成反射的干涉脉冲信号，再经过光环行器进入光电探测器，将光信号的变化转换为电信号的变化。延时模块触发数据采集卡进行采集，将含有相位变化信息的数字信号传送给计算机，计算机调用相位解调算法，识别数字信号的相位变化，解调出振动参量。

所述地声传感探头通过光纤进行串接，所述延时模块产生两路时延可控的脉冲，驱动所述电光调制器和所述数据采集卡，基于单光纤上不同位置上地声传感探头反射相干脉冲光信号的时延不同进行分别采集和处理，实现多点时分复用。

一种光纤光栅地声传感系统的传感方法，应用于泥石流监测。

光纤光栅地声传感系统的工作及复用原理如下：

激光光源发出的光经过环形器注入到单光纤迈克尔逊干涉传感器，假定啁啾光栅(2)和啁啾光栅(6)反射系数为R₀，激光的光强为I₀，则啁啾光栅(2)反射光为I₀*R₀，透射光为I₀*(1-R₀)。透射光入射到啁啾光栅(6)上时，反射信号的强度为I₀*(1-R₀)*R₀，反射信号通过啁啾光栅(2)后的强度为：I₀*(1-R₀)²*R₀。则啁啾光栅(2)和啁啾光栅(6)两束返回光的强度之比为：1:(1-R₀)².

对于反射率低于1％的弱光栅，两个光栅之间的多次反射对干涉条纹的影响非常有限，可以近似为等功率两束光。两束光是同一激光光源的反射光，具有相同的传播方向和稳定的相位差，因此会产生双光束干涉，符合迈克尔逊干涉的条件，因此有：

I_D≈2R₀*I₀*{1+cos[4πn_effL/λ+φ_r]} (1)

式中，I_D为双光束干涉的光强，L为两光栅之间的距离，φ_r为两光栅之间的相位差。当两个光栅之间的光纤受到外界扰动时，干涉信号的相位差变化△φ：

由公式(2)可知，当光源的波长确定后，两束干涉光的干涉相位变化系数与光栅间距L直接相关。光栅距离越长，相位变化的灵敏度越高。研究表明，普通光栅的相位变化为：

式中，d为光栅的长度。大多数光栅的长度在几个毫米，而迈克尔逊干涉传感器两个光栅之间的距离理论上由激光光源的相干长度确定。比较式(2)和(3)可知，在同样的应变参数下，单光纤迈克尔逊干涉传感器的灵敏度比单光栅高L/d倍。例如，假定光栅的长度为6mm，迈克尔逊干涉传感器的臂长L为180mm，则系统的灵敏度可提高30倍！

在实际的地声传感探头制作时，为了保证光栅本身不受应力的影响，从而引起相位变化误差，将光栅分别封装在光纤的应力工作区以外。此外，根据不同泥石流地声的要求，可以改进传感探头机械结构的长度，灵活调节光栅之间应力区间长度L来改变探头的灵敏度。

对于多探头复用，可以采用弱光栅时分复用技术，即选用同波长的啁啾弱光栅制作探头，对多个探头进行依次串接。在振动监测时，延时模块产生两路时延可编程调节的脉冲，分别驱动所述电光调制器和所述数据采集卡，由于不同位置上的地声传感探头反射回来的相干脉冲光信号时延不同，通过调节延时模块的时延值，使采集卡在目标探头反射信号到达时被触发，采集卡采集当前信号并处理，而其他位置探头反射的信号将被隔离。基于该方法，通过预置不同的时延值，可依次检测各探头的振动信号，实现多探头的时分复用。而预置时延值的提取，可以在系统上电时，通过对整个光纤线路的扫描，结合光栅反射信号的强度定位获取并保存，无需人工配置。系统的复用能力与选用光栅的反射率直接相关，例如，选用反射率1％的光栅制作探头，其复用数量即可与传统高反射率光栅的波分复用方案(WDM)相当。当光栅反射率下降到0.01％，单工作窗口可复用500个传感探头。因此，该发明的传感系统既可以实现高灵敏传感，又可以根据具体监测对象或应用场景的要求，调整光栅的反射率、时延等参数，实现传感探头的大规模复用，具有极佳的适应性。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、干涉结构简单，灵敏度高。采用典型的活塞式振动传感结构，在一根光纤中实现双光栅干涉，无需对光栅进行特殊封转处理，物理结构简单；利用弱啁啾光栅反射光的迈克尔逊干涉，灵敏度比单光栅高L/d倍。

2、弱光栅制作工艺成熟。低反射率啁啾光栅可以在普通光纤上直接制备，尤其适合拉丝塔工艺制作光栅，只需在光纤拉丝过程中根据间距设计要求进行光栅刻写，易于工业化生产；

3、系统适应性强，可根据应用场景灵活配置。探头的灵敏度可以根据具体的应用场合灵活设计，即设计不同的光栅间距长度来调节干涉仪的灵敏度；探头复用数量可以通过调节光栅的反射率进行扩展，分段接续；探头的位置也可以任意选择，无需特定安装。

附图说明

图1为采用双光栅构成本发明传感探头的结构示意图；

图2为采用本发明传感器构成时分复用传感系统的结构图；

图中：1—光纤，2—第一啁啾光栅，3—弹簧，4—质量块，5—筒体，6—第二啁啾光栅，7—激光光源，8—电光调制器，9—光环行器，10—传输光纤，11—地声传感探头，12—光电探测器，13—数据采集卡，14—延时模块，15—计算机。

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：

本发明的光纤光栅地声传感探头结构如图1所示，包括光纤1，第一啁啾光栅2，弹簧3，质量块4，第二啁啾光栅6，筒体5。质量块4悬于筒体内壁，筒体5中心顶部设有导入孔，光纤1通过筒体5的导入孔引入，经质量块4后，另一端在筒体5的支座开设的导出孔引出。弹簧3一端与质量块4连接，弹簧3另一端与筒体5连接；光纤1一端与质量块4胶结，光纤1另一端与筒体5胶结。

第一啁啾光栅2、第二啁啾光栅6为啁啾弱光栅。啁啾光栅具有较宽的反射谱，能确保不受温度等因素的影响，在复杂环境下对入射激光的有效反射；弱光栅具有强的时分复用能力，方便制作的探头根据实际需要进行大规模复用。

光纤1上刻写第一啁啾光栅2、第二啁啾光栅6，第一啁啾光栅2、第二啁啾光栅6具有相同的反射光谱特性，反射率为0.1％，两光栅之间的距离为180mm。泥石流地声监测要求传感的灵敏度达到0.1g，接近普通光栅传感器的下限，设计两光栅之间的距离为180mm，灵敏度可以提升30倍(约14dB)，能较好的满足泥石流地声监测要求，且具有较佳的经济性。

第一啁啾光栅2、第二啁啾光栅6位于光纤胶结点附近，应变传感工作区外，以避免光栅本身受应力影响，从而对相位变化产生不确定的影响。

本发明的一种光纤光栅泥石流地声时分复用传感系统如图2所示，包括激光光源7，电光调制器8，光环行器9，传输光纤10，地声传感探头11，光电探测器12，带A/D转换的数据采集卡13，延时模块14，计算机15。光环行器9的第一端口连接激光光源7；光环行器9的第二端口连接传输光纤10；传输光纤10上串接多个地声传感探头11；光环行器9的第三端口连接光电探测器12；光电探测器12与带A/D转换的数据采集卡13连接；延时模块14的第一端口连接电光调制器8；延时模块14的第二端口连接数据采集卡13的外触发端口；计算机15与延时模块14的控制端口连接；计算机15与数据采集卡13的输出端口连接。

该发明的传感系统装置运行时，窄线宽激光光源发出约10dBm的连续光功率信号，激光光源7的工作波长位于第一啁啾光栅2、第二啁啾光栅6的反射谱范围内。光源的连续光经过电光调制器调8制后，形成大于50ns的光脉冲，光脉冲进入光环行器9，再进入地声传感探头11，在各个探头位置形成反射的干涉脉冲信号，再经过光环行器9进入光电探测器12，将光信号的变化转换为电信号的变化，此时，经延时后的触发数据采集卡13进行采集，转化成数字信号传送给计算机15，计算机15调用PGC相位解调算法，识别数字信号的相位变化，解调出振动参量。

地声传感探头11通过光纤进行串接，所述延时模块14产生两路时延可编程调节的脉冲，驱动所述电光调制器8和所述数据采集卡13，基于不同位置上地声传感探头反射相干脉冲光信号的时延不同进行分别采集和处理，实现多点时分复用。

本发明所涉及的延时模块14等，已经在光时域反射、大容量光纤光栅传感领域有应用，而相位解调模块的相关技术，在水听计等中已经获得广泛应用。在此只是列举部分实现方式，不对模块的细部特征再做具体叙述。

本发明的核心在于针对泥石流地声监测的特点，引入啁啾弱光栅迈克尔逊干涉技术制作高灵敏度的传感探头，并结合弱光栅较强的时分复用能力，构建可大规模复用、广域布设的光纤光栅传感器网络，具有良好的应用前景。

Claims (3)

1.一种光纤光栅地声传感探头，包括光纤（1）、弹簧（3）、质量块（4）、筒体（5），筒体（5）内设有弹簧（3）、质量块（4），其特征在于，弹簧（3）一端与质量块（4）连接，弹簧（3）另一端与筒体（5）连接；光纤（1）一端与质量块（4）胶结，光纤（1）另一端与筒体（5）胶结；所述光纤（1）上刻写有第一啁啾光栅（2）、第二啁啾光栅（6），所述第一啁啾光栅（2）、第二啁啾光栅（6）位于光纤胶结点附近、应变传感工作区外。

2.根据权利要求1所述一种光纤光栅地声传感探头，其特征在于：所述第一啁啾光栅（2）、第二啁啾光栅（6）具有相同的反射光谱特性，且反射率低于1 %。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅地声传感探头，其特征在于：质量块（4）顶部到筒体（5）内部顶面之间的距离为L，改变所述质量块（4）与所述筒体（5）之间的距离L，可以改变传感探头的灵敏度。