CN105387923B - 极大角度倾斜光纤光栅机械振动传感阵列及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列及系统，极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列，包括光纤纤芯，其特征在于：所述光纤纤芯的前段设置45°倾斜光纤光栅，该45°倾斜光纤光栅作为极大角度倾斜光纤光栅振动传感器的起偏器；该45°倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤横截面的夹角为45°；所述光纤纤芯的中段设置N个极大角度倾斜光纤光栅，N≥1的自然数；N个极大角度倾斜光纤光栅的光栅条纹相互平行，每个极大角度倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤横截面的夹角均在79°～84°之间；每个极大角度倾斜光纤光栅对应的光纤包层的外表面均设置有弹性膜片；可广泛应用于光纤周界、结构安全监测、山体滑坡预警等领域。

Description

极大角度倾斜光纤光栅机械振动传感阵列及系统
技术领域
本发明涉及光纤传感器，具体涉及一种极大角度倾斜光纤光栅机械振动传感阵列及系统。
背景技术
在许多实际的工程应用中，对各种低频/高频的振动测量时非常重要和有必要的。比如：建筑工程中的桥梁、大坝、高层建筑、大型水轮发动机的低频振动(一般为0.1Hz～10Hz)的监测，地震和地脉动测量及工程地质勘探中的振动(一般为2Hz～50Hz)的监测，军事领域的水下声场(几百Hz)、超声波(>20kHz)的检测等。
目前，已有的振动传感器按各种参数的测量方法及测量过程的物理性质来分，可以分成三类：机械式、电测式、光学式。其中，机械式它能测量的频率较低，精度也较差，但在现场测试时较为简单方便；而电测式是将工程振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录。电测法的要点在于先将机械振动量转换为电量(电动势、电荷、及其它电量)，然后再对电量进行测量，从而得到所要测量的机械量，这是目前应用得最广泛的测量方法；光学式是将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录，如读数显微镜、激光测振仪、光纤光栅振动传感器等。采用光学方法测量振动具有高精度和可测量很高的振动频率的优势，可应用于要求很高的场合，但是成本相对较高。
过去的二十多年中，由于光纤光栅以其微型尺寸、抗干扰能力强、高灵敏度、高精度、实时性好、绝对测量、复用能力强等优点，为光学传感器家族在航空、航海和民用工程结构监测、海下油田以及许多其他领域的温度、应变、压力等物理量的测量当中。光纤光栅按照周期大小可以分为短周期光纤光栅(即，FBG，周期小于1μm)和长周期光纤光栅(LPFG，周期为几十～几百μm)两种最基本的类型。由于FBG较LPFG具有对温度、压力、应变等参量传感更好的稳定性，即FBG的交叉敏感效应比LPFG的要小得多，因此在实际的工程应用中FBG应用更为广泛。
到目前，国内外学者提出了各种基于FBG的振动传感器，主要包括：简支梁结构的FBG振动传感器、FBG非接触机械振动传感器、基于等强度梁的FBG高频振动传感器等。但是，目前的基于FBG的振动传感器基本上都是采用波长调制的方式，因此需要干涉的方法对其谐振波长的快速变化进行解调，虽然波长调制和干涉法解调的方式具有十分高的测量精度和灵敏度，但是对干涉解调对仪器设备的要求非常高，比如需要使用非平衡干涉仪器等。
发明内容
针对上述已有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供一种极大角度倾斜光纤光栅振动传感器及系统。
根据本发明的技术方案，极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列，包括光纤纤芯，其特征在于：所述光纤纤芯的前段设置45°倾斜光纤光栅，该45°倾斜光纤光栅作为极大角度倾斜光纤光栅振动传感器的起偏器；该45°倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤横截面的夹角为45°；所述光纤纤芯的中段设置N个极大角度倾斜光纤光栅，N≥1的自然数；每个极大角度倾斜光纤光栅均作为振动传感单元，N个极大角度倾斜光纤光栅的光栅条纹相互平行，每个极大角度倾斜光纤光栅的倾斜光栅条纹与光纤横截面的夹角均在79°～84°之间；所述45°倾斜光纤光栅的主轴X、Y分别与极大角度倾斜光纤光栅的主轴P1、P2平行；每个极大角度倾斜光纤光栅对应的光纤包层的外表面均设置有弹性膜片，该弹性膜片用于感应外部机械振动，并将外部机械振动转化为光纤侧压力。
根据本发明所述的极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列的优选方案，该传感阵列还包括N个金属盘，每个金属盘的左、右两侧壁分别设置安装孔，光纤穿过安装孔，每个极大角度倾斜光纤光栅分别位于不同的金属盘内；每个金属盘内壁位于安装孔的上方均设置安装凹槽，弹性膜片放置在安装凹槽上，弹性膜片的底部与极大角度倾斜光纤光栅对应的光纤包层的外表面相接触。
根据本发明所述的极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列的优选方案，45°倾斜光纤光栅的长度为20～30mm，每个极大角度倾斜光纤光栅的长度均为10～30mm，45°倾斜光纤光栅与相邻的极大角度倾斜光纤光栅之间的光纤长度为20～30mm。
极大角度倾斜光纤光栅机械振动传感阵列系统，包括:窄线宽激光光源阵列、合波器、极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列、分波器、光电探测器阵列、多通道电子示波器；窄线宽激光光源阵列的光源个数以及光电探测器阵列的探测单元个数与极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列中的极大角度倾斜光纤光栅的个数相同；每个极大角度倾斜光纤光栅均作为振动传感单元，窄线宽激光光源阵列的各光源的输出波长分别对应一个极大角度倾斜光纤光栅在其中一个主轴方向的谐振波谷的波长，以保证每个振动传感单元5都能获得最大的振动灵敏度和动态范围；合波器用于将窄线宽激光光源阵列的各个输出波长的光耦合到极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列所在的光纤中，分波器用于将各个输出波长的光分接至光电探测器阵列中的探测单元；光电探测器阵列将光信号转换成电信号，通过多通道电子示波器实时显示电信号的频率和幅度，各通道的电信号的频率和幅度分别与极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列中相应的振动传感器单元感应的外部机械振动的频率和幅度一一对应。
本发明具有一般光纤传感器的优越性，不易受电磁干扰，传感器尺寸小、轻，无毒绝缘，无电流，适于强酸、强碱、高温高压、易燃易爆等恶劣环境。另外，与其他类型的分布式光学振动传感器比较而言，本发明还有很多独特的优点，包括：本传感器结构独特巧妙，只用一个45°倾斜光纤光栅作为全光纤的起偏器，而采用不同光栅周期的极大角度倾斜光纤光栅构成线阵列，采用波分复用的方式对各极大角度倾斜光纤光栅振动传感单元进行编码和解码；传感系统采用光强调制/解调的方法，具有结构简单、解调方便、成本低廉的优点。
本发明所述的极大角度倾斜光纤光栅的机械振动传感阵列及系统的有益效果是，本发明利用极大角度倾斜光纤光栅的侧压力响应特性及光强度解调的方式进行机械振动传感，能够测量的振动频率范围宽，并且具有结构简单、解调方便、成本低、微型化、光纤化的优点，可广泛应用于光纤周界、山体滑坡预警等领域。
附图说明
下面结合附图对本发明作详细说明。
图1极大角度倾斜光纤光栅的机械振动传感阵列的结构示意图。
图2(a)是极大角度倾斜光纤光栅的机械振动传感单元的封装结构图
图2(b)是金属盘7的结构示意图。
图3是45°倾斜光纤光栅4与极大角度倾斜光纤光栅机械振动传感单元的主轴方向及偏振光传输光路示意图。
图4极大角度倾斜光纤光栅的机械振动传感阵列系统示意图。
图5某个极大角度倾斜光纤光栅机械振动传感单元在1250～1700nm的一系列偏振相关损耗峰。
图6某个极大角度倾斜光纤光栅机械振动传感单元在～1550nm的一组偏振相关损耗峰。
图7某个极大角度倾斜光纤光栅机械振动传感单元在～1550nm的一组偏振相关损耗峰的侧压力光谱响应实验数据图。
图8某个极大角度倾斜光纤光栅机械振动传感单元在～1550nm的一组偏振相关损耗峰的强度对侧压力响应实验数据图。
图9窄线宽激光光源阵列的输出波长与极大倾角光纤光栅线阵列的谐振谱的一一对应关系示意图。
具体实施方式
参见图1，极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列，包括光纤纤芯3，其特征在于：所述光纤纤芯3的前段设置45°倾斜光纤光栅4，该45°倾斜光纤光栅4作为极大角度倾斜光纤光栅振动传感器的起偏器；该45°倾斜光纤光栅4的倾斜光栅条纹与光纤横截面的夹角为45°；所述光纤纤芯3的中段设置N个光栅周期不同的极大角度倾斜光纤光栅5，N≥1的自然数；每个极大角度倾斜光纤光栅5均作为振动传感单元，N个极大角度倾斜光纤光栅5的光栅条纹相互平行，每个极大角度倾斜光纤光栅5的倾斜光栅条纹与光纤横截面的夹角均在79°～84°之间；参见图3，所述45°倾斜光纤光栅4的主轴与每个极大角度倾斜光纤光栅5的主轴平行，即所述45°倾斜光纤光栅4的其中一个主轴X与所述每个极大角度倾斜光纤光栅5的其中一个主轴P1平行，所述45°倾斜光纤光栅4的另一个主轴Y与所述极大角度倾斜光纤光栅5的主轴P2平行；每个极大角度倾斜光纤光栅5对应的光纤包层的外表面均设置有弹性膜片6，弹性膜片的表面与极大角度倾斜光纤光栅的其中一个主轴垂直，弹性膜片6用于感应外部机械振动并将其转化为光纤侧压力。
参见图2(a)、(b)，该传感阵列还包括N个金属盘7，每个金属盘7的左、右两侧壁分别设置安装孔15，光纤穿过安装孔15，每个极大角度倾斜光纤光栅分别位于不同的金属盘内；每个金属盘7内壁位于安装孔15的上方均设置安装凹槽8，弹性膜片6放置在安装凹槽8上，弹性膜片6的底部与极大角度倾斜光纤光栅5对应的光纤包层的外表面相接触。
45°倾斜光纤光栅的长度为20～30mm，每个极大角度倾斜光纤光栅的长度均为10～30mm，45°倾斜光纤光栅与相邻的极大角度倾斜光纤光栅之间的光纤长度为20～30mm，各相邻的极大角度倾斜光纤光栅之间的光纤长度为1m～1km可选。各极大角度倾斜光纤光栅的光栅周期不一致，但需保证它们同一高阶包层模的谐振峰间距大于对应的谐振峰带宽。
参见图4，极大角度倾斜光纤光栅机械振动传感阵列系统，包括:窄线宽激光光源阵列9、合波器10、极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列11、分波器12、光电探测器阵列13、多通道电子示波器14；窄线宽激光光源阵列9的光源个数以及光电探测器阵列13的探测单元个数与极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列中的圆形弹性膜片的个数相同；窄线宽激光光源阵列9的各光源的输出波长分别对应一个极大角度倾斜光纤光栅在主轴P1或P2方向的谐振波谷的波长，参见图9中的λ1～λn，以保证每个振动传感单元5都能获得最大的振动灵敏度和动态范围；合波器10用于将窄线宽激光光源阵列9的各个输出波长的光耦合到极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列11所在的光纤中，分波器12用于将各个输出波长的光分接至光电探测器阵列13中的探测单元；光电探测器阵列13将光信号转换成电信号，通过多通道电子示波器14实时显示电信号的频率和幅度，各通道的电信号的频率和幅度分别与极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列11中相应的振动传感器单元感应的外部机械振动的频率和幅度一一对应。
在具体实施例中，45°倾斜光纤光栅的长度为20～30mm，相关传输损耗谱的半带宽约200nm，在约1550nm的谐振中心波长处的偏振相关损耗>25dB；极大角度倾斜光纤光栅的长度为10～30mm，在波长约1550nm处具有一组偏振相关谐振峰，该组的两个相互垂直的偏振相关谐振峰的最大耦合效率>10dB；45°倾斜光纤光栅与相邻的极大角度倾斜光纤光栅之间的光纤长度为20～30mm。各相邻的极大角度倾斜光纤光栅之间的光纤长度为1m～1km可选；弹性膜片的长度与极大角度倾斜光纤光栅的长度相当，金属盘的长度略大于极大角度倾斜光纤光栅的长度。
本发明的传感原理是利用极大角度倾斜光纤光栅的侧压力响应特性进行振动传感的。由于极大倾斜条纹的引入大大的增强了光纤的双折射效应，因此极大角度倾斜光纤光栅体现出很强的偏振相关性，研究表明：其在1200nm～1700nm的透射谱中，存在一系列间距40nm～70nm的偏振相关谐振峰，参见图5，其中长波和短波谐振峰分别对应高阶和低阶包层模，且每个谐振峰内的双峰间距为4nm～7nm，参见图6，这两种波长间距都具有模式相关性，随包层模阶数的增大而增大。参见图7，为极大角度倾斜光纤光栅在～1550nm的一组偏振相关损耗峰的侧压力光谱响应实验数据图，参见图8，为其偏振相关损耗峰对应的波谷强度值对侧压力的响应数据图。可以看出，当侧压力逐渐增大或减小的时候，损耗光的能量将在两个主轴之间重新分配，并且两个偏振相关损耗峰的波谷强度值随侧压力逐渐增大或减小分别发生近似线性的减小或增大。利用极大角度倾斜光纤光栅的这个侧压力的响应特性，如果光源采用低成本的窄线宽激光光源，并通过设计将外部振动转化为光纤的侧压力，则通过测量相应的损耗光强的变化频率和幅度，就可以实现对外部振动信号的频率和幅度实时测量。
极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列对振动的准分布式测量的原理在于：采用窄线宽激光光源阵列作为光源，窄线宽激光光源阵列的各光源的输出波长均不相同，且分别与极大角度倾斜光纤光栅传感阵列中的各个振动传感单元的某个主轴的谐振波谷的波长呈一一对应的关系，即可保证高效的激发每个极大角度倾斜光纤光栅振动传感单元的某个高阶包层模的其中一个偏振相关共振模，由于各极大角度倾斜光纤光栅的光栅周期不一致，因此不同的极大角度倾斜光纤光栅振动传感单元中被激发的偏振相关共振模的谐振波长均不一致，于是构成了一个基于波分复用方式的极大角度倾斜光纤光栅振动传感线阵列。系统采用合波器将窄线宽激光光源阵列的各个输出波长的光耦合到极大角度倾斜光纤光栅阵列所在的光纤中传输，并采用分波器将各个输出波长的光分接至光电探测器阵列中的探测单元，光电探测器阵列将光强信号转换成电信号，通过多通道电子示波器可实时显示多个电信号的频率和幅度，分别对应各极大角度倾斜光纤光栅振动传感单元的外部振动信号的频率和幅度。

Claims (4)

1.极大角度倾斜光纤光栅机械振动传感阵列，包括光纤纤芯(3)，其特征在于：所述光纤纤芯(3)的前段设置45°倾斜光纤光栅(4)，该45°倾斜光纤光栅(4)的倾斜光栅条纹与光纤横截面的夹角为45°；所述光纤纤芯(3)的中段设置N个极大角度倾斜光纤光栅(5)，N≥1的自然数；N个极大角度倾斜光纤光栅(5)的光栅条纹相互平行，每个极大角度倾斜光纤光栅(5)的倾斜光栅条纹与光纤横截面的夹角均在79°～84°之间；所述45°倾斜光纤光栅(4)的主轴与极大角度倾斜光纤光栅(5)的主轴平行；每个极大角度倾斜光纤光栅(5)对应的光纤包层的外表面均设置有弹性膜片，每个极大角度倾斜光纤光栅采用不同的光栅周期，每个极大角度倾斜光纤光栅的同一高阶包层模的谐振峰间距大于对应的谐振峰带宽；利用极大角度倾斜光纤光栅的侧压力响应特性，将外部振动转化为光纤的侧压力，则通过测量相应的损耗光强的变化频率和幅度，实现对外部振动信号的频率和幅度实时测量。
2.根据权利要求1所述的极大角度倾斜光纤光栅机械振动传感阵列，其特征在于：该传感阵列还包括N个金属盘(7)，每个金属盘(7)的左、右两侧壁分别设置安装孔(15)，光纤穿过安装孔(15)，每个极大角度倾斜光纤光栅分别位于不同的金属盘内；每个金属盘(7)内壁位于安装孔(15)的上方均设置安装凹槽(8)，弹性膜片(6)放置在安装凹槽(8)上，弹性膜片(6)的底部与极大角度倾斜光纤光栅(5)对应的光纤包层的外表面相接触。
3.根据权利要求1或2所述的极大角度倾斜光纤光栅机械振动传感阵列，其特征在于：
45°倾斜光纤光栅的长度为20～30mm，每个极大角度倾斜光纤光栅的长度均为10～30mm，45°倾斜光纤光栅与相邻的极大角度倾斜光纤光栅之间的光纤长度为20～30mm。
4.极大角度倾斜光纤光栅机械振动传感阵列系统，包括:窄线宽激光光源阵列(9)、合波器(10)、极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列(11)、分波器(12)、光电探测器阵列(13)、多通道电子示波器(14)；其特征在于：该极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列(11)中每个极大角度倾斜光纤光栅的光栅周期不一致，每个极大角度倾斜光纤光栅的同一高阶包层模的谐振峰间距大于对应的谐振峰带宽；利用极大角度倾斜光纤光栅的侧压力响应特性，将外部振动转化为光纤的侧压力，则通过测量相应的损耗光强的变化频率和幅度，实现对外部振动信号的频率和幅度实时测量；窄线宽激光光源阵列(9)的光源个数以及光电探测器阵列(13)的探测单元个数与极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列中的弹性膜片的个数相同，窄线宽激光光源阵列的各光源的输出波长均不相同，且分别与极大角度倾斜光纤光栅传感阵列中的各个振动传感单元的某个主轴的谐振波谷的波长呈一一对应的关系；合波器(10)用于将窄线宽激光光源阵列(9)的各个输出波长的光耦合到极大角度倾斜光纤光栅振动传感阵列(11)所在的光纤中，分波器(12)用于将各个输出波长的光分接至光电探测器阵列(13)中的探测单元；光电探测器阵列(13)将光信号转换成电信号，通过多通道电子示波器(14)实时显示电信号的频率和幅度。
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