CN105606195B - 基于带透镜光纤阵列的沙粒超低频振动传感器 - Google Patents

基于带透镜光纤阵列的沙粒超低频振动传感器 Download PDF

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Abstract

一种基于带透镜光纤阵列的沙粒超低频振动传感器，包括光纤阵列探头部分、光分路器合路器部分、光源和光电探测器部分，光纤阵列探头部分包括第一根多模光纤、第一根透镜光纤、第二根多模光纤、第二根透镜光纤、第三根多模光纤、第三根透镜光纤、第四根多模光纤、第四根透镜光纤，光分路器合路器部分包括一个1X4的光分路器、第一2X1光合路器、第二2X1光合路器，光源和光电探测器部分包括光源、光电探测器的第一通道、光电探测器的第二通道。本发明利用光纤阵列特殊的排布方式和带锥形根透镜光纤的较强收光能力，实现对微小体积的颗粒物体沙粒、PM2.5等超低频运动特征的探测。

Description

基于带透镜光纤阵列的沙粒超低频振动传感器
技术领域
本发明涉及一种光纤传感、风沙运力学、环境科学技术领域的装置，具体是一种基于带透镜光纤阵列的沙粒超低频振动传感器。
背景技术
沙尘暴是一种危害性极大的全球性灾害天气现象，严重威胁着人民生命财产安全。如2010年4月24日甘肃省民勤等地区遭受强沙尘暴袭击，造成130多万人受灾，3.33万公顷农田绝收，直接经济损失达9.37亿元。2011年9月15日英国《Nature》杂志以焦点新闻方式发表了题为“Science enters desert debate”的文章，认为“当前人们主要关注于土地退化、荒漠化所造成的水土流失和粮食减产的监测和评估，虽然科学家们已经通过卫星遥感数据进行荒漠化研究,但是这些研究仅能反映地表温度和植被盖度等宏观特征，接下来科学家们应该开始寻找土地退化和荒漠化的因素以及如何演化的机制”。因此，进行荒漠化和沙尘暴起因研究对沙尘暴预测和科学防治具有非常重要的现实意义。然而，沙漠与沙漠化研究已历经半个多世纪，但是对于沙粒起动机制问题仍存在很多争议，目前科学界存在有多达10种假说来解释这一问题。1971年Lyles L.和Krauss R.K.在TRANS of the ASAE上发表“Threshold velocities and initial particle motions as influenced by airturbulence”的论文。他们通过风洞实验发现，当风速接近沙粒起动的临界值时，直径小于0.84mm的沙粒会发生振动，其振动程度随风速的增加而增强；当振动达到某一程度时沙粒突然跃起，如射出一般。因此对沙粒起动前的细观运动参数，如振动频率、振幅等，及相对应实时风速的测量具有非常重要的意义。目前未见这种传感技术的应用报道。
为了达到这一目的，我们提出基于光纤微光学手段研制适用于沙粒这种微小物体的超低频振动传感器。此外，本发明亦可对于其它环境科学问题中的微小颗粒进行运动特征分析，如PM2.5。
在风沙运动力学领域，沙粒的碰撞可能是导致沙漠产生大量沙尘进而引发沙尘暴的原因之一。因此，观察沙粒振动运动特征具有重要学术价值。目前的测量手段主要针对沙粒的速度进行观测，包括了针对单点沙粒运动的激光多普勒测速(LDV)和高速摄影、以及针对整场沙粒运动的粒子图形测速(PIV)。这些技术手段在测量精度上各有特长，但系统复杂，设备昂贵，主要应用于实验室，不适合沙漠沙尘环境下的测量。
本发明是基于带锥形根透镜光纤阵列的沙粒超低频振动传感器，一方面利用光纤阵列特殊的排布方式探测沙粒的超低频振动，另一方面利用带锥形根透镜光纤的特殊结构提高探头的收光能力，整个传感器探头具有成本低、结构紧凑灵活，体积小、抗腐蚀、耐热绝缘、抗电磁干扰能力强的特点，极为适合针对于沙尘环境下沙粒尺度的细观测量。
发明内容
本发明的目的在于提出基于带锥形根透镜光纤阵列的沙粒超低频振动传感器，获取沙粒起动前的细观运动参数。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于带透镜光纤阵列的沙粒超低频振动传感器，特点在于其结构包括光纤阵列探头部分、光分路器合路器部分、光源和光电探测器部分，
所述的光纤阵列探头部分包括依次排列的第一根多模光纤、第一根透镜光纤、第二根多模光纤、第二根透镜光纤、第三根多模光纤、第三根透镜光纤、第四根多模光纤和第四根透镜光纤，形成周期性阵列结构；
所述的光分路器合路器部分包括一个1X4的光分路器、第一2X1光合路器和第二2X1光合路器；
所述的光源和光电探测器部分包括光源，光电探测器由第一通道和第二通道构成；
所述的光源的输出端与所述的1X4光分路器的输入端相连，该1X4光分路器的四个输出端分别与所述的第一根多模光纤、第二根多模光纤、第三根多模光纤和第四根多模光纤的输入端相连；
所述的第一根透镜光纤和第三根透镜光纤的输出端与所述的第一2X1光合路器的输入端相连，所述的第一2X1光合路器的输出端与所述的光电探测器的第一通道的输入端相连，所述的第二根透镜光纤和第四根透镜光纤的输出端与所述的第二2X1光合路器(2-3)的输入端相连，所述的第二2X1光合路器的输出端与所述的光电探测器的第二通道的输入端相连。
所述的光纤阵列的尺寸与发生振动的沙粒的尺寸接近。
所述的第一根透镜光纤、第二根透镜光纤、第三根透镜光纤和第四根透镜光纤具有相同的结构，即光纤的端头为透镜。
所述的透镜为锥形透镜。
所述的光纤阵列探头部分用于传导激光器所发光，照亮被探测的振动沙粒并接收由振动沙粒所反射的光；所述的光分路器合路器部分用于将光源发出的光分配给照明光纤以及将锥形探测光纤收集的光合并传入光电探测器；所述的光源和光电探测器部分用于发出照明用光以及将反射的光信号转化为电信号。
所述的光源发出的光进入1X4光分路器，所述的1X4光分路器将光信号分为四束，一束光信号进入第一根多模光纤，一束光信号进入第二根多模光纤，一束光信号进入第三根多模光纤，一束光信号进入第四根多模光纤，第一根多模光纤、第二根多模光纤、第三根多模光纤、第四根多模光纤输出的光共同照亮探测区域。
当振动沙粒经过所述的第一根透镜光纤前的探测区域，被沙粒反射的光信号被第一根透镜光纤接收，经过第一个2X1光合路器，最终被光电探测器的第一通道接收转化为电信号。
当振动沙粒经过所述的第二根透镜光纤前的探测区域，被沙粒反射的光信号被第二根透镜光纤接收，经过第二个2X1光合路器，最终被光电探测器的第二通道接收转化为电信号。
当振动沙粒经过所述的第三根透镜光纤前的探测区域，被沙粒反射的光信号被第三根透镜光纤接收，经过第一个2X1光合路器，最终被光电探测器的第一通道接收转化为电信号。
当振动沙粒经过所述的第四根透镜光纤前的探测区域，被沙粒反射的光信号被第四根透镜光纤接收，经过第二个2X1光合路器，最终被光电探测器的第二通道接收转化为电信号。
本发明具有以下优点：
1.本发明探头采用光纤阵列，集成了窥光、收光功能，相比普通的空间光学系统，其结构紧凑灵活体积小，抗腐蚀、耐热绝缘、抗电磁干扰能力强，更适合在野外沙漠环境下作业。
2.本发明探测光纤采用带锥形根透镜光纤，该光纤本身自带透镜，相比普通光纤，特点在于透镜汇聚能量与光纤融为一体，体积减小，收光能力增强，其在微弱的反射光下的收光能力更强，可实现对微小体积的颗粒物体如沙粒、PM2.5等运动特征的探测。
3.本发明的探头部分基于带锥形根透镜光纤阵列，该阵列的特有的光纤排布方式：照明光纤和探测光纤周期性排布构成了一个空间滤波器件，具有对振动沙粒的反射光信号的调制能力，另外，由于光纤阵列尺寸与可发生振动的沙粒尺寸接近，探头对于反射光信号的调制深度比较理想。
附图说明
图1为本发明基于带锥形根透镜光纤阵列的沙粒超低频振动传感器的结构示意图。
图2为本发明中光纤阵列探头部分所采用的带锥形根透镜光纤的结构示意图。
图3为本发明中光纤阵列探头部分的截面示意图。
图4为光电探测器的第一通道和第二通道获取的反射光信号的功率，其中,(a)为第一通道，(b)为第二通道。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的一个具体实施例。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和过程,但本发明的保护范围不应限于下述的实施例。
参阅图1，所述的光纤阵列探头部分包括第一根多模光纤1-1、第一根透镜光纤1-2、第二根多模光纤1-3、第二根透镜光纤1-4、第三根多模光纤1-5、第三根透镜光纤1-6、第四根多模光纤1-7、第四根透镜光纤1-8；所述的光分路器合路器部分包括一个1X4的光分路器2-1、第一个2X1光合路器2-2、第二个2X1光合路器2-3；所述的光源和光电探测器部分包括光源3-1、光电探测器的第一通道3-2、光电探测器的第二通道3-3。
所述的光源发出的光进入1X4光分路器，所述的1X4光分路器将光信号分为四束，一束光信号进入第一根多模光纤，一束光信号进入第二根多模光纤，一束光信号进入第三根多模光纤，一束光信号进入第四根多模光纤，第一根多模光纤、第二根多模光纤、第三根多模光纤、第四根多模光纤共同照亮探测区域。当振动沙粒经过所述的第一根透镜光纤前的探测区域，被沙粒反射的光信号被第一根透镜光纤接收，经过第一个2X1光合路器，最终被光电探测器的第一通道接收转化为电信号；当振动沙粒经过所述的第二根透镜光纤前的探测区域，被沙粒反射的光信号被第二根透镜光纤接收，经过第二个2X1光合路器，最终被光电探测器的第二通道接收转化为电信号；当振动沙粒经过所述的第三根透镜光纤前的探测区域，被沙粒反射的光信号被第三根透镜光纤接收，经过第一个2X1光合路器，最终被光电探测器的第一通道接收转化为电信号；当振动沙粒经过所述的第四根透镜光纤前的探测区域，被沙粒反射的光信号被第四根透镜光纤接收，经过第二个2X1光合路器，最终被光电探测器的第二通道接收转化为电信号。
图2为本发明中光纤阵列探头部分所采用的带锥形根透镜光纤的结构示意图，其中，1-2-1为锥形透镜，1-2-2为光纤。
本发明的工作原理如下：
当振动的沙粒以一定的速度经过光纤阵列探头部分时，由于该阵列的特有的排布方式如图3：第一根多模光纤为照明光纤、第一根透镜光纤为探测光纤、第二根多模光纤为照明光纤、第二根透镜光纤为探测光纤、第三根多模光纤为照明光纤、第三根透镜光纤为探测光纤、第四根多模光纤为照明光纤、第四根透镜光纤为探测光纤，照明光纤和探测光纤周期性排布构成了一个空间滤波器件，具有对振动沙粒的反射光信号的调制能力；即在图1中当振动沙粒经过所述的第一根透镜光纤前的探测区域，被沙粒反射的光信号被第一根透镜光纤接收，经过第一个2X1光合路器，最终被光电探测器的第一通道接收转化为电信号；当振动沙粒经过所述的第二根透镜光纤前的探测区域，被沙粒反射的光信号被第二根透镜光纤接收，经过第二个2X1光合路器，最终被光电探测器的第二通道接收转化为电信号；当振动沙粒经过所述的第三根透镜光纤前的探测区域，被沙粒反射的光信号被第三根透镜光纤接收，经过第一个2X1光合路器，最终被光电探测器的第一通道接收转化为电信号；当振动沙粒经过所述的第四根透镜光纤前的探测区域，被沙粒反射的光信号被第四根透镜光纤接收，经过第二个2X1光合路器，最终被光电探测器的第二通道接收转化为电信号，此时探测器所输出的信号就与沙粒的振动情况相关，如图4为测得光电探测器的第一通道和第二通道获取的反射光信号的功率。

Claims (4)

1.一种基于带透镜光纤阵列的沙粒超低频振动传感器，特征在于其结构包括光纤阵列探头部分、光分路器合路器部分、光源和光电探测器部分，
所述的光纤阵列探头部分包括依次排列的第一根多模光纤(1-1)、第一根透镜光纤(1-2)、第二根多模光纤(1-3)、第二根透镜光纤(1-4)、第三根多模光纤(1-5)、第三根透镜光纤(1-6)、第四根多模光纤(1-7)和第四根透镜光纤(1-8)，形成周期性阵列结构；
所述的光分路器合路器部分包括一个1X4的光分路器(2-1)、第一2X1光合路器(2-2)和第二2X1光合路器(2-3)；
所述的光源和光电探测器部分包括光源(3-1)、光电探测器的第一通道(3-2)、光电探测器的第二通道(3-3)；
所述的光源(3-1)的输出端与所述的1X4光分路器(2-1)的输入端相连，该1X4光分路器(2-1)的四个输出端分别与所述的第一根多模光纤(1-1)、第二根多模光纤(1-3)、第三根多模光纤(1-5)和第四根多模光纤(1-7)的输入端相连；
所述的第一根透镜光纤(1-2)和第三根透镜光纤(1-6)的输出端与所述的第一2X1光合路器(2-2)的输入端相连，所述的第一2X1光合路器(2-2)的输出端与所述的光电探测器的第一通道(3-2)的输入端相连，所述的第二根透镜光纤(1-4)和第四根透镜光纤(1-8)的输出端与所述的第二2X1光合路器(2-3)的输入端相连，所述的第二2X1光合路器(2-3)的输出端与所述的光电探测器的第二通道(3-3)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的基于带透镜光纤阵列的沙粒超低频振动传感器，其特征在于所述的光纤阵列的尺寸与发生振动的沙粒的尺寸接近。
3.根据权利要求1所述的基于带透镜光纤阵列的沙粒超低频振动传感器，其特征在于所述的第一根透镜光纤(1-2)、第二根透镜光纤(1-4)、第三根透镜光纤(1-6)和第四根透镜光纤(1-8)具有相同的结构，即光纤的端头为透镜。
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于带透镜光纤阵列的沙粒超低频振动传感器，其特征在于所述的透镜为锥形透镜。
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