CN105277270B - 一种基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统，属于纤光栅振动检测领域。所述基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统包括：窄线宽可调谐激光器、光纤光栅传感器、相移光纤光栅传感器、环形器、光电探测器、A/D转换及数据采集卡和计算机；所述窄线宽可调谐激光器与所述环形器的第一端口连接，所述光纤光栅传感器的一端与所述环形器的第二端口连接，另一端与所述相移光纤光栅传感器的一端连接，所述相移光纤光栅传感器的另一端与所述光电探测器的第一端口连接；所述环形器的第三端口与所述光电探测器的第二端口连接；所述光电探测器与所述A/D转换及数据采集卡连接，所述A/D转换及数据采集卡与所述计算机连接。

Description

一种基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统

技术领域

本发明属于光纤光栅振动检测领域，具体涉及一种基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统，具有高灵敏度低动态范围和低灵敏度大动态范围两种模式。

背景技术

目前振动探测方法主要包括机械式、电气式和光学式，机械式振动测量以杠杆原理为基础，将测得的振动信号放大后记录下来，这种测量频率范围窄，精度低，多用于测量低频、大幅度振动；电气式振动测量主要用电气测试仪来探测振动，灵敏度较高，但容易受电磁场干扰；光学式振动探测方法是用光学传感器，将振动信号的交变变化转换为光信号来测量，具有精度高、频带宽、灵敏度高、抗干扰能力强、可远距离测量等优点，目前应用越来越广泛。

随着光纤传感技术的发展，为了利用其抗干扰能力强、传输距离远、灵敏度高等优点，光学式振动测量方面的研究越来越多，光纤光栅传感器出现以后，振动传感测试领域发生了很大的变革，光纤光栅传感器由于体积小、抗干扰能力强、集传感和传输为一体等优点，已经成为目前振动测试领域的研究热点。

目前国内外研究者已经成功研制出了很多光纤振动传感器，克服了传统振动传感器的诸多缺陷，受到了业内人士的广泛重视。目前可看到的有关光纤光栅振动测量方面的专利不多，多集中在研制光纤光栅传感器本身，一般的光纤传感系统由光源、信号传输线(光缆)、传感器件、光电转换及信号处理四部分组成。光波作为载波经入射光纤传输到传感头，光波的某些特征参量在传感头内被外界物理参量所调制，含有被调制信息的光波经出射光纤传输到光电转换部分，经解调后就能得到被测物理量的大小和状态。

利用光纤光栅传感进行振动探测主要集中在低频信号检测，对于超声波探测目前尚未搜索到成熟的专利技术，而且光纤光栅传感器的灵敏度和动态范围普遍比较低。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统，将普通光纤光栅传感和相移光纤光栅传感结合组成一个双模式传感系统，形成一种具有高灵敏度低动态范围和低灵敏度大动态范围两种模式的光纤光栅振动探测系统，克服了光纤光栅传感进行振动探测主要集中在低频信号检测的难题，提高测量信号的频宽和灵敏度，拓宽应用范围。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统，包括：窄线宽可调谐激光器、光纤光栅传感器、相移光纤光栅传感器、环形器、光电探测器、A/D转换及数据采集卡和计算机；

所述窄线宽可调谐激光器与所述环形器的第一端口连接，所述光纤光栅传感器的一端与所述环形器的第二端口连接，另一端与所述相移光纤光栅传感器的一端连接，所述相移光纤光栅传感器的另一端与所述光电探测器的第一端口连接；

所述环形器的第三端口与所述光电探测器的第二端口连接；

所述光电探测器与所述A/D转换及数据采集卡连接，所述A/D转换及数据采集卡与所述计算机连接。

当窄线宽可调谐激光器的输出波长调谐到所述光纤光栅传感器的中心波长一致时，该系统的工作模式为低灵敏度大动态范围工作模式；

当窄线宽可调谐激光器的输出波长调谐到所述相移光纤光栅传感器的中心波长一致时，该系统的工作模式为高灵敏度低动态范围工作模式。

所述相移光纤光栅传感器中的相移光纤光栅在反射谱带阻中线宽为5-15pm，反射谱斜率为70-80nm^-1。

所述光纤光栅传感器的中心波长与所述相移光纤光栅传感器的中心波长要尽可能接近但不能相同，光谱不能重叠。

所述窄线宽可调谐激光器发出的激光从环形器的第一端口输入，从第二端口输出，然后依次耦合进所述光纤光栅传感器和相移光纤光栅传感器中；

经过所述光纤光栅传感器和相移光纤光栅传感器的透射光经光电探测器的第一端口接收，经过所述光纤光栅传感器和相移光纤光栅传感器的反射光再由环形器的第二端口输入，从环形器的第三端口输出，再进入光电探测器的第二端口；

所述A/D转换及数据采集卡对光电探测器的输出信号进行采集，将采集到的信号输入给计算机进行处理及振动信号的显示。

所述光纤光栅传感器和相移光纤光栅传感器紧贴在待测物体的表面上。

所述窄线宽可调谐激光器与环形器之间、环形器与所述光纤光栅传感器之间、所述光纤光栅传感器与相移光纤光栅传感器之间、所述相移光纤光栅传感器与光电探测器之间均用光纤连接；

所述光电探测器输出的电信号通过同轴电缆传输给A/D转换及数据采集卡。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明实现了一种基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统，具有高灵敏度低动态范围和低灵敏度大动态范围两种工作模式，可检测到频率从1Hz～1MHz的频带宽带，从低频振动到超声波振动都可以较好的检测到，大大拓宽了应用范围，可用在任何需要检测振动包含超声波振动的各个领域，具有灵敏度很高、动态范围大、带宽宽、不受电磁干扰等特点。

附图说明

图1是本发明基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统框图。

图2是相移光栅反射光谱。

图3是实验室双模式超声探测示意图。

图4-1是高灵敏度低动态范围测量时的时域波形图。

图4-2是高灵敏度低动态范围测量时的频域响应图。

图5-1是大动态范围测量时的时域波形图。

图5-2是大动态范围测量时的频域响应图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明提出了一种基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统，具体包括窄线宽可调谐激光器101、相移光纤光栅传感器104、光纤光栅传感器103、环形器102、光电探测器105、A/D转换及数据采集卡106、计算机107(用于计算机处理及振动信号显示)等部分构成。系统配置框图如图1所示。本发明将普通光纤光栅传感器和相移光纤光栅传感器组合串联，使系统具有高灵敏度低动态范围和低灵敏度大动态范围两种工作模式。

两种传感器(相移光纤光栅传感器104和光纤光栅传感器103)组合在一起放在需要检测振动的物体上，由TLS窄线宽激光器101发出的激光从光纤环形器102的第一端口1输入，从第二端口2输出，然后分别耦合进FBG103、PS-FBG104中(这两个传感器是放在一起的，先连接FBG，再连接PS-FBG)，透射光经平衡探测器105的第一端口P1端接收，经两者的反射光(两个反射光合起来)再由环形器102的第二端口2输入，从光纤环形器102的第三端口3输出，再进入光电平衡探测器105，然后利用A/D转换及数据采集卡106对光电平衡探测器105的输出信号进行采集，对采集到的信号输入计算机107进行处理及振动信号的显示。图1中，激光器101和环形器102，传感器103、104，光电探测器105均用光纤连接，光电探测器105输出的电信号通过同轴电缆传输给A/D转换及数据采集卡106，再传输给计算机107。

鉴于相移光栅谱宽窄，动态范围小，采用普通FBG103和PS-FBG104级联(两个光栅通过光纤连接)的形式来拓宽系统的动态范围，通过调谐激光器101的波长，可分别工作在高灵敏度低动态范围或灵敏度低大动态范围两种模式。图2为设计的相移光纤光栅光谱。在设计相移光纤光栅时，设计相移光栅在反射谱带阻中线宽为0.016nm，反射谱斜率为70nm^-1(使用本发明，在这个值附近即可，制作时还会有一定的偏差)，这样能够对振动信号获得极高的灵敏度。通过调节TLS激光器101的波长，使激光器101的中心波长处在相移光栅的线性区域范围内(即调节激光器101的输出波长与PS-FBG中心波长匹配)，由于相移光栅的斜率大，但线宽小，所以动态范围小。而相比之下，光纤光栅的斜率小，线宽宽，动态范围大，但灵敏度低。这里设计的FBG103的中心波长为1550.2nm，谱宽0.2nm，PS-FBG中心波长为1550.0198nm，谱宽0.016nm，这个数值根据选用的光栅传感器不同而不同，但两者的波长要尽可能接近但不能相同，光谱不能重叠。

选择系统工作模式时，将TLS调谐到特定线性区域，将激光器101输出波长调节到FBG103的波长(即调节到1550.2nm)时可获得大动态范围、灵敏度稍低的振动探测效果，将激光器101的输出波长调节到PS-FBG104的波长(即调节到1550.0198nm)时可获得高灵敏度、但动态范围稍小的振动探测效果。

利用该发明，在实验室内对超声波信号进行了探测实验。测试如图3所示，TLS为窄线宽激光器101，PZT1为超声激发源，FG为脉冲发生器，PS-FBG为相移光纤光栅传感器104，FBG为普通光纤光栅传感器103，BPD为光电平衡探测器，DAQ为数据采集，可以是示波器，也可以通过采集卡连接计算机。

两种传感器串联组合紧贴在铝板上，超声波由PZT1激励源产生，PZT1产生超声波耦合至铝板中，超声波引起的应力波很好的传递到光纤光栅，导致光纤光栅折射率随时间变化，因此，引起光纤光栅的反射光和透射光的变化，经过解调相移光纤光栅的反射光和透射光的强度随时间的变化，就可以对铝板中传播的超声波进行实时地测量。

这里，FBG的中心波长为1550.2nm，谱宽0.2nm；PS-FBG中心波长为1550.0198nm，谱宽0.011nm。

参数设置：

超声波频率：150kHz

函数发生器(FG)激励方式：连续正弦波

驱动信号峰峰值：20V

数字滤波器设置为高通，截止频率为10Khz.

高灵敏度低动态范围模式：

高灵敏度低动态范围测量时域波形和频域响应图如图4-1和图4-2所示。

大动态范围测量(FBG)模式：

大动态范围测量时域波形和频域响应图如图5-1和图5-2所示。

从实验可以看出：

①灵敏度：从两种模式下的时域和频域响应图可以看出，高灵敏度下的信号幅度比大动态范围下高1个数量级。

②动态范围：由于实验无大幅度超声源，仅从光栅的谱宽来分析，FBG的引入将使系统的动态范围将会提高20倍左右。

本发明实现了一种基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统，将普通光纤光栅传感器和相移光纤光栅传感器组合串联，使系统具有高灵敏度低动态范围和低灵敏度大动态范围两种工作模式，拓宽了振动频带宽带，也大大拓宽了应用范围，可用在任何需要检测振动包含超声波振动的各个领域，具有灵敏度很高、动态范围大、带宽宽、不受电磁干扰等特点。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统，其特征在于：所述基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统包括：窄线宽可调谐激光器、光纤光栅传感器、相移光纤光栅传感器、环形器、光电探测器、A/D转换及数据采集卡和计算机；

所述窄线宽可调谐激光器与所述环形器的第一端口连接，所述光纤光栅传感器的一端与所述环形器的第二端口连接，另一端与所述相移光纤光栅传感器的一端连接，所述相移光纤光栅传感器的另一端与所述光电探测器的第一端口连接；

所述环形器的第三端口与所述光电探测器的第二端口连接；

所述光电探测器与所述A/D转换及数据采集卡连接，所述A/D转换及数据采集卡与所述计算机连接；

当窄线宽可调谐激光器的输出波长调谐到与所述光纤光栅传感器的中心波长一致时，该系统的工作模式为低灵敏度大动态范围工作模式；

当窄线宽可调谐激光器的输出波长调谐到与所述相移光纤光栅传感器的中心波长一致时，该系统的工作模式为高灵敏度低动态范围工作模式。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统，其特征在于：所述相移光纤光栅传感器中的相移光纤光栅在反射谱带阻中线宽为5-15pm，反射谱斜率为70-80nm^-1。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统，其特征在于：所述窄线宽可调谐激光器发出的激光从环形器的第一端口输入，从第二端口输出，然后依次耦合进所述光纤光栅传感器和相移光纤光栅传感器中；

经过所述光纤光栅传感器和相移光纤光栅传感器的透射光经光电探测器的第一端口接收，经过所述光纤光栅传感器和相移光纤光栅传感器的反射光再由环形器的第二端口输入，从环形器的第三端口输出，再进入光电探测器的第二端口；

所述A/D转换及数据采集卡对光电探测器的输出信号进行采集，将采集到的信号输入给计算机进行处理及振动信号的显示。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器和相移光纤光栅传感器紧贴在待测物体的表面上。

5.根据权利要求4所述的基于光纤光栅传感的双模式振动探测系统，其特征在于：所述窄线宽可调谐激光器与环形器之间、环形器与所述光纤光栅传感器之间、所述光纤光栅传感器与相移光纤光栅传感器之间、所述相移光纤光栅传感器与光电探测器之间均用光纤连接；

所述光电探测器输出的电信号通过同轴电缆传输给A/D转换及数据采集卡。