CN105806468A - 一种光纤光栅振动传感器及其检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤光栅振动传感器及其检测装置。光纤光栅振动传感器，包括一个光纤光栅、一个光环形器、一个强度调制器和一个光纤马赫泽德干涉结构，所述光纤光栅、环形器、强度调制器以及光纤马赫泽德结构按顺序用光纤熔接。振动检测装置包括所述光纤光栅振动传感包括宽带光源、微波信号发生器、光电探测器和频谱仪，宽带光源和所述光电探测器分别连接所述振动传感器两端，微波信号发生器为强度调制器提供微波调制信号，光纤光栅振动传感器中的光纤光栅、环形器、强度调制器构成的光纤光栅传感单元固定于被检测的振动源之上。本发明结构简单牢固、可操作性强、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、测量动态范围大、测量精度高、可远程测量等。

Description

一种光纤光栅振动传感器及其检测装置

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于微波域马赫泽德干涉结构的光纤光栅振动传感器及其检测装置。

背景技术

自光纤出现以来，随着近几十年来光纤传感技术的不断发展，光纤传感技术几乎在各个领域得到研究与应用，特别是在通讯、工程、物理参数测量等领域应用得尤为广泛。随着社会发展，工程上对实现基础设施的结构健康状况实时监测有了越来越高的要求，例如桥梁振动和应力的监测、电机振动监测、变压器振动监测等，传统的机械与电磁传感方式已经没有办法满足现实的需求。光纤作为一种优质光学传输介质，当被应用在传感器领域时相较于传统传感器就能突显出很多优势，比如测量精度高、不受电磁干扰、体积小、重量轻、耐腐蚀等。因此光纤传感器实现对振动波的探测是现在研究的热点之一。

光纤光栅是一种刻写在光栅内部的光栅结构，对温度、应力等物理参量具有优良的传感特性，因此在光纤传感领域得到了广泛的应用。马赫泽德干涉仪是一种高效的光学干涉仪，对微小的光学参量的变化具有非常高的敏感性，是一种优秀的光纤光栅解调方式。但是由于光信号的相位信息很容易受到外界环境抖动的影响，所以传统光域的马赫泽德干涉仪对光纤光栅的解调结果可靠性往往不高。

微波信号经过调制之后，就能随着光载波在光纤中传播，而相比于光信号，外界环境抖动对微波信号的影响要小得多，所以这种光载微波信号就有望成为一种稳定高效的传感信号，因此在光纤传感领域引起了广泛的关注。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于微波域马赫泽德干涉结构的光纤光栅振动传感器，这种新型的光纤光栅振动传感器能有效地克服传统振动传感器的灵敏度受限问题，并且能拥有更大的动态响应范围。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光纤光栅振动传感器，包括一个光纤光栅、一个光环形器、一个强度调制器和一个光纤马赫泽德干涉结构，所述光纤光栅、环形器、强度调制器以及光纤马赫泽德结构按顺序用光纤熔接，所述光纤马赫泽德结构由第一光耦合器、两段光纤干涉臂和第二光耦合器组成，所述两段光纤干涉臂分别为标准单模光纤和色散补偿光纤，两段光纤干涉臂的长度相当，只存在细微的差别。

优选的，所述第一、第二光耦合器的分光比都是1:1。

所述两段光纤干涉臂的长度为几百米至几千米。。

本发明还提供了一种基于所述光纤光栅振动传感器的振动检测装置，包括所述光纤光栅振动传感器、宽带光源、微波信号发生器、光电探测器和频谱仪，所述宽带光源和所述光电探测器分别连接所述振动传感器两端，所述微波信号发生器为强度调制器提供微波调制信号，所述频谱仪用于监测所述光电探测器的输出信号；所述光纤光栅振动传感器中的光纤光栅、环形器、强度调制器构成光纤光栅传感单元，所述光纤光栅传感单元固定于被检测的振动源之上。

本发明的光纤光栅振动传感器及其检测装置的原理是，利用的是光纤光栅反射光的中心波长受到应力作用会产生漂移，该反射光在被强度调制器调制之后，与微波信号一起传输经过光纤马赫泽德干涉结构，而由于单模光纤与色散补偿光纤之间存在的可观的色散差，所以两臂之间的信号就会产生一定的延时差，形成微波信号之间的干涉，进而将振动信号调制到所述马赫泽德干涉结构的输出信号上。这克服了传统光纤振动传感器通过模式干涉来实现传感的灵敏度受限问题，同时具有光域马赫泽德干涉仪无法达到的高可靠性，更重要的是所述振动传感器的灵敏度可以简单地通过设定微波调制信号的频率来进行调节。

本发明的检测装置的优点是结构简单牢固、可操作性强、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、测量动态范围大、测量精度高、可远程测量等。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明所述基于微波域马赫泽德干涉结构的光纤光栅振动传感器示意图。

图2为本发明基于所述光纤光栅振动传感器的检测装置结构图。

其中1——光纤光栅，2——光环形器，3——强度调制器，4——第一光耦合器，5——单模光纤，6——色散补偿光纤，7——第二光耦合器，8——宽带光源，9——振动传感器，10——微波信号发生器，11——光电探测器，12——频谱仪。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的光纤光栅振动传感器，包括一个光纤光栅1、一个光环形器2、一个强度调制器3和一个光纤马赫泽德干涉结构，光纤光栅1、环形器2、强度调制器3以及光纤马赫泽德结构按顺序用光纤熔接，光纤马赫泽德结构由第一光耦合器4、两段光纤干涉臂和第二光耦合器6组成。两段光纤干涉臂分别为标准单模光纤5和色散补偿光纤6，单模光纤5和色散补偿光纤6分别与第一光耦合器4、第二光耦合器5的两个输出端相连，第一、第二光耦合器的分光比都是1:1，构成典型的马赫泽德干涉结构。两段光纤干涉臂的长度相当，只存在细微的差别，两个干涉臂的长度根据实际需要进行设定，通常可以达到几百米到数千米，这就使得本发明的震动传感器具有相当好的灵活性。

图2所示为本发明所述振动传感器的检测装置，它包括可对振动频率进行测量振动传感器9，宽带光源8，微波信号发生器10，光电探测器11和频谱仪12。其中宽带光源8和光电探测器11的输入端分别连接振动传感器9两端，光电探测器11的输出端连接到频谱仪12，此外微波信号发生器10连接强度调制器3来提供微波调制信号。光纤光栅振动传感器中的光纤光栅、环形器、强度调制器构成光纤光栅传感单元，光纤光栅传感单元固定于振动源之上。

本发明基于微波域马赫泽德干涉机构的光纤光栅振动传感器的检测装置的工作过程是，宽带光源8将光入射到光纤光栅1中，当传感器单元受到来自振动源的振动时，光纤光栅1的反射光中心波长会发生漂移，该反射光经过强度调制器3调制之后，进入到马赫泽德干涉结构中，由于单模光纤5与色散补偿光纤6之间存在的色散差，使得两臂之间的信号之间产生了一定的延时差，进而引起微波信号的干涉，最终导致光电探测器11输出信号强度的变化，这样就实现对振动信号的强度调制，通过频谱仪12对信号进行处理，即可获得振动的精确频率。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种光纤光栅振动传感器，其特征在于，包括一个光纤光栅、一个光环形器、一个强度调制器和一个光纤马赫泽德干涉结构，所述光纤光栅、环形器、强度调制器以及光纤马赫泽德结构按顺序用光纤熔接，所述光纤马赫泽德结构由第一光耦合器、两段光纤干涉臂和第二光耦合器组成，所述两段光纤干涉臂分别为标准单模光纤和色散补偿光纤，两段光纤干涉臂的长度相当。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述第一、第二光耦合器的分光比都是1:1。

3.根据权利要求2所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述两段光纤干涉臂的长度为几百米至几千米。

4.一种基于权利要求1所述的光纤光栅振动传感器的振动检测装置，其特征在于，包括所述光纤光栅振动传感器、宽带光源、微波信号发生器、光电探测器和频谱仪，所述宽带光源和所述光电探测器分别连接所述振动传感器两端，所述微波信号发生器为强度调制器提供微波调制信号，所述频谱仪用于监测所述光电探测器的输出信号；所述光纤光栅振动传感器中的光纤光栅、环形器、强度调制器构成光纤光栅传感单元，所述光纤光栅传感单元固定于被检测的振动源之上。