CN107255735A - 一种抗强电磁干扰的三维光纤加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗强电磁干扰的三维光纤加速度传感器，包括传感器外壳、振子结构以及传感光路，所述振子结构由三对弹性敏感元件和一个质量块组成，所述弹性敏感元件以质量块为中心，沿质量块三维轴向成对正交分布；每一维方向上对应的两个弹性敏感元件中，其中之一均缠绕有传感光纤，所述传感光纤一端通过第一光纤耦合器与外部光纤相连，另一端通过第二光纤耦合器与法拉第磁旋镜相连，构成三路所述传感光路。所述传感器外壳、振子结构均为非金属材质，法拉第磁旋镜设置在所述传感器外壳之外，位于被测强电磁环境外。本发明可同时检测三维方向的振动信号，并解决了在高电压、大电流、高温及强电磁等电力工业环境中高精度振动监测的难题。

Description

一种抗强电磁干扰的三维光纤加速度传感器

技术领域

本发明涉及电力工业领域的高精度振动测试技术，属于加速度传感器领域，具体地说，本发明涉及一种抗强电磁干扰的三维光纤加速度传感器。

背景技术

电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，近年来，电力系统规模日益扩大，电网容量和电压等级不断提升，电力系统的运行维护变得尤为重要。在电力系统中，振动是造成设备故障发生的主要表征之一，因此，实时检测设备的振动信息对电力系统的安全运行具有重要意义。传统的振动传感器主要是机电式加速度传感器，其传感性能易受环境因素影响，特别是当被测对象处于高电压、大电流、高温、腐蚀、空间受限等恶劣环境中，传统的机电式加速度传感器无法准确测量，且对于一些易燃易爆危险环境甚至存在极大的安全隐患。因而，基于光传感与光传输的光纤加速度传感器在这些方面展现了良好的应用前景。

光纤传感器是伴随着光纤通信技术的发展而兴起的新型传感技术，它以光纤作为媒介，感知外界被测参量。由于光纤具有无电源、直径小、重量轻、耐腐蚀、耐高低温等特点，特别适合在危险(如：易燃易爆)、空间受限及强电磁干扰等恶劣环境中使用。因此，光纤传感器广泛应用于电力工业等领域。

一般地，光纤加速度传感器按调制机理不同可分为强度调制型、相位调制型和波长调制型。其中，应用较为成熟的主要是基于迈克尔逊干涉仪的光纤加速度传感器，其典型结构如附图1所示，干涉仪两臂传感光纤分别缠绕在两个弹性体上，组成一个推挽式结构，传感光纤尾端使用法拉第磁旋镜作为光路反射镜，同时抑制光纤中偏振衰落问题。当振动信号作用在加速度传感器上，质量块在惯性力作用下使两个弹性体上分别发生压应变和张应变，导致光纤干涉仪两臂光路中的相位变化等幅反相，从而产生干涉相长效应。通过高精度相位解调技术，即可获得振动信息。但由于法拉第磁旋镜内部存在磁铁，在强电磁场环境中无法稳定控制光偏振态，因此基于迈克尔逊干涉仪的光纤加速度传感器不能在高电压、大电流等电力工业中使用。

近年来，新型光纤光栅加速度传感器得到迅速发展，常见的结构如附图2所示，光纤光栅埋在一个等强度弹性悬臂梁上，悬臂梁底边固定于基座，顶端固定有一个质量块。当存在振动信号时，质量块的惯性力会弯曲等强度弹性悬臂梁，使传感光栅上产生均匀应变，从而改变光栅反射中心波长。通过波长解调技术，即可获得相关振动信息。这种光纤光栅悬臂梁型结构具有体积小、成本低、制作简单等优点，但传感器工作频率带宽较窄、灵敏度较低，不能满足电力工业中高精度振动监测的需求。

目前，大部分的光纤加速度传感器只能测量单个方向上的振动信号，而实际工程应用中，需测量三维方向上的振动信息。除了传感器性能的限制外，现有的光纤加速度传感器结构材料大多是金属材质，不宜于安装在电力设备(比如高压变压器、开关柜等)内，存在电极放电的安全隐患。鉴于以上技术问题，实有必要提供一种抗强电磁干扰的三维光纤加速度传感器以克服以上技术缺陷。

发明内容

本发明提出了一种抗强电磁干扰的三维光纤加速度传感器，解决了在高电压、大电流、高温等电力工业环境中高精度振动监测的难题。

本发明的上述目的主要通过如下技术方案予以实现：

本发明提供一种抗强电磁干扰的三维光纤加速度传感器，包括传感器外壳011、振子结构以及传感光路；所述振子结构由三对弹性敏感元件031和一个质量块021组成，所述弹性敏感元件031以质量块021为中心，沿质量块021三维轴向成对正交分布，每一维方向对应的两个弹性敏感元件031，其中之一均缠绕有传感光纤041，所述传感光纤041一端通过第一光纤耦合器051与外部光纤相连，所述传感光纤041另一端通过第二光纤耦合器052与法拉第磁旋镜071相连，构成三路所述传感光路，分别用于感受三维方向振动信号；所述振子结构固定于所述传感器外壳011内，所述传感器外壳011、振子结构、传感光纤041均为非金属材质，法拉第磁旋镜071设置在所述传感器外壳011之外，位于被测强电磁环境外。

所述第一光纤耦合器051、第二光纤耦合器052均为2×2光纤耦合器，所述第一光纤耦合器051的一个输入端与外部光纤相连，所述第一光纤耦合器051的另一个输入端为无光端，所述第一光纤耦合器051的一个输出端与缠绕在弹性敏感元件031上的传感光纤041一端相连，所述第一光纤耦合器051的另一个输出端与所述第二光纤耦合器052的一个输入端相连，所述第二光纤耦合器052的另一个输入端与缠绕在弹性敏感元件031上的传感光纤041另一端相连，所述第二光纤耦合器052的一个输出端与法拉第磁旋镜071相连，所述第二光纤耦合器052的另一个输出端为无光端，所述第一光纤耦合器051、第二光纤耦合器052均封装在所述传感器外壳011内。

上述第一光纤耦合器051及第二光纤耦合器052多余部分均做无光处理，防止光纤端面反射对信号的影响。法拉第磁旋镜071设置在传感器外壳011之外，其余光路部分封装在传感器外壳011之内，解决了法拉第磁旋镜在强电磁场环境中无法稳定控制光偏振态问题，实现传感器抗强电磁干扰特性。

上述传感器外壳011内还可以设置有传感舱012和器件舱013，所述振子结构固定于传感舱012内，所述第一光纤耦合器051、第二光纤耦合器052及余长光纤042固定于器件舱013内，所述传感光路于传感器外壳011外部光纤均设于光纤光缆061中。所述传感器外壳011、弹性敏感元件031、质量块021、第一光纤耦合器051、第二光纤耦合器052、传感光纤041、余长光纤042均由非金属材料制作，确保传感器在高电压、大电流、高温等电力工业环境中能够安全工作。

参见附图3及附图4，本发明三维光纤加速度传感器的一个实施例包括：

由传感器外壳011、质量块021、弹性敏感元件031、传感光纤041、余长光纤042、光纤耦合器051(052)、光纤光缆061构成三维光纤加速度传感器；

传感器外壳011，用于三维光纤加速度传感器的内部结构保护，分为传感舱012和光器件舱013；

质量块021，其形状为正方体，六个外壁上均设有安装槽，用于固定弹性敏感元件031；

弹性敏感元件031，用于感受外界振动时质量块021产生的惯性力，并将其转变为弹性敏感元件031的拉伸与压缩形变；

传感舱012，其形状为正方体，六个内壁上均设有安装槽，用于固定弹性敏感元件031；

传感光纤041，缠绕于弹性敏感元件031上，将弹性敏感元件031的拉伸与压缩形变转换为传感光纤应变变化；

其中，弹性敏感元件031一端通过安装槽将其固定于质量块021外壁上，另一端通过安装槽将其固定于传感舱012内壁上，质量块021位于传感舱012的几何中心位置，三对弹性敏感元件031分别沿三维轴向安装于质量块021与传感舱012之间，其中每一维方向上均有一个弹性敏感元件031缠绕传感光纤041。

光纤耦合器051(052)，用于多路光纤的分束与合束，与传感光纤041、法拉第磁旋镜071连接形成改进型光纤马赫-曾德干涉仪(参见附图5)；

光器件舱013，用于固定安装光纤耦合器051、052以及余长光纤042；

法拉第磁旋镜071，连接于探头部分的光纤光缆061，用于控制偏振衰落以及提供光反射；

解调仪081，连接于传感器外部光纤光缆061，用于发射和接收光信号，并通过调制解调技术获取传感器感受的三维加速度信息；

上述方案中，传感器外壳011、质量块021、弹性敏感元件031均选用特定非金属材料加工制作，光纤耦合器051(052)采用非金属2×2光纤耦合器，光纤光缆061选用不含金属材质的多芯光纤光缆，传感器固定螺钉、密封胶及其他辅材也均为非金属材质，从而保证本发明在高电压、大电流环境中的适应性，以及良好的探测性能。

本发明可以带来以下有益效果：

1.创新性地设计了改进型的光纤马赫-曾德干涉仪光路。有别于传统的基于马赫-曾德干涉仪的光纤加速度传感器，其法拉第磁旋镜作为传感器外部光器件，不受测试环境影响。这种光路设计既抑制了光纤残余抖动与偏振衰落现象，又解决了法拉第磁旋镜在强电磁场环境中无法稳定控制偏振态的问题；

2.创新性地提出了三维光纤加速度传感器材料完全非金属化。选用弹性模量适合且耐疲劳性能良好的非金属材料制作弹性体，选用不含金属材质的光器件，选用弹性模量大的非金属材料制作质量块与传感器外壳，从而保证传感器在高电压、大电流环境中的适应性；

3.优化设计了三维光纤加速度传感器的力学结构，设计共芯振动结构，分别测量X、Y、Z三维方向的加速度信号，每一维方向上均采用改进型的光纤马赫-曾德干涉仪光路结构，设计独立的传感舱和光器件舱，提高传感器制作便捷性、结构紧凑性。

附图说明

附图1是迈克尔逊干涉型光纤加速度传感器结构示意图

附图2是光纤光栅加速度传感器结构示意图

附图3是本发明系统结构示意图

附图4是本发明传感舱的三维结构示意图

附图5是本发明传感光路示意图

011：传感器外壳 012：传感舱 013：光器件舱 021：质量块

031：弹性敏感元件 041：传感光纤 042：余长光纤

051：第一光纤耦合器 052：第二光纤耦合器 061：光纤光缆

071：法拉第磁旋镜 081：解调仪

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明一种抗强电磁干扰的三维光纤加速度传感器作进一步详细地说明，但本发明不限于这一实施例：

本发明一种抗强电磁干扰的三维光纤加速度传感器的工作机理是：当传感器受到加速度振动信号作用时，质量块021的惯性力将使弹性敏感元件031发生拉伸与压缩形变，从而导致缠绕在弹性敏感元件031上的传感光纤041产生与加速度振动相关的应变变化，由改进型的光纤马赫-曾德干涉仪将传感光纤041的应变变化转换为光相位变化。通过解调仪081获取光相位，并标定相位调制量随被测加速度振动变化的曲线，就可实现加速度振动信号的实时检测。

结合附图3、4所示，本发明提供的一种抗强电磁干扰的三维光纤加速度传感器一个实施例，包括传感器外壳011、质量块021、弹性敏感元件031、传感光纤041、余长光纤042、第一光纤耦合器051、第二光纤耦合器052、光纤光缆061。

作为本发明的一个实施例，所述传感器外壳011材料选用耐高温、耐腐蚀、电绝缘、弹性模量较大且机械加工性能好的PPS塑料；

作为本发明的一个实施例，所述传感器质量块021材料选用耐高温、电绝缘、弹性模量大且密度较大的陶瓷；

作为本发明的一个实施例，所述传感器弹性敏感元件031材料选用耐高温、电绝缘、弹性模量适合且耐疲劳性能良好的聚砜树脂；

作为本发明的一个实施例，所述传感器传感光纤041、余长光纤042选用小芯径碳涂覆光纤；

作为本发明的一个实施例，所述传感器第一光纤耦合器051及第二光纤耦合器052选用玻璃棒封装的2×2光纤耦合器；

作为本发明的一个实施例，所述传感器光纤光缆061选用四芯光纤光缆；

作为本发明的一个实施例，传感器安装过程为：首先将传感光纤041以一定张力缠绕于弹性敏感元件031上，并用粘合剂固定；然后将三对弹性敏感元件031通过安装槽三维轴向固定在质量块021的六个外壁上，且每一维方向上对应的两个弹性敏感元件031中，其中之一均缠绕有传感光纤041；再将上述部分通过安装槽固定在传感器外壳011的传感舱012内，且质量块021位于传感舱012的几何中心位置，参见附图4；然后将传感舱012内传感光纤041两端光纤引入传感器外壳011的光器件舱013；接着将第一光纤耦合器051、第二光纤耦合器052、传感光纤041、法拉第磁旋镜071进行光纤连接，制作改进型光纤马赫-曾德干涉仪，再将第一光纤耦合器051、第二光纤耦合器052以及余长光纤042固定在传感器外壳011的光器件舱013内，完成传感器光路部分制作；最后将传感器外壳盖板、出缆孔等灌胶封装，完成本发明一个实施例的制作。

以上所述一个实施例的实施方式仅用来说明本发明，而并非对本发明的限制，任何熟悉本技术领域的技术人员，在不脱离本发明揭露的技术范围内，可做出各种各样的变型、变化或替换，因此所有等同类似的技术方案都应涵盖在本发明的专利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种抗强电磁干扰的三维光纤加速度传感器，包括传感器外壳、振子结构以及传感光路，其特征在于，

所述振子结构由三对弹性敏感元件和一个质量块组成，所述弹性敏感元件以质量块为中心，沿质量块三维轴向成对正交分布，每一维方向对应的两个弹性敏感元件，其中之一均缠绕有传感光纤，所述传感光纤一端通过第一光纤耦合器与外部光纤相连，所述传感光纤另一端通过第二光纤耦合器与法拉第磁旋镜相连，构成三路所述传感光路，分别用于感受三维方向振动信号；

所述振子结构固定于所述传感器外壳内，所述传感器外壳、振子结构、传感光纤均为非金属材质，法拉第磁旋镜设置在所述传感器外壳之外，位于被测强电磁环境外。

2.如权利要求1所述的一种抗强电磁干扰的三维光纤加速度传感器，其特征在于，所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器均为2×2光纤耦合器，所述第一光纤耦合器的一个输入端与外部光纤相连，所述第一光纤耦合器的另一个输入端为无光端，所述第一光纤耦合器的一个输出端与缠绕在弹性敏感元件上的传感光纤一端相连，所述第一光纤耦合器的另一个输出端与所述第二光纤耦合器的一个输入端相连，所述第二光纤耦合器的另一个输入端与缠绕在弹性敏感元件上的传感光纤另一端相连，所述第二光纤耦合器的一个输出端与法拉第磁旋镜相连，所述第二光纤耦合器的另一个输出端为无光端，所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器均封装在所述传感器外壳内，所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器均为非金属材质。

3.如权利要求2所述的一种抗强电磁干扰的三维光纤加速度传感器，其特征在于，入射光经所述无光端处理后被充分衰减，防止光纤断面反射对信号的影响。

4.如权利要求1所述的一种抗强电磁干扰的三维光纤加速度传感器，其特征在于，所述传感器外壳内设置有传感舱和器件舱，所述振子结构固定于传感舱内，所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器及余长光纤固定于器件舱内，所述传感光路于传感器外壳外部光纤均设于光纤光缆中。