CN108548939A - 基于sagnac干涉仪的光纤加速度计及振动检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于SAGNAC干涉仪的光纤加速度计及振动检测装置，所述光纤加速度计包括：壳体和传感组件，其中，所述传感组件包括由一高双折射微结构光纤在一个平面上由内向外逐层盘绕形成的光纤线圈、叠设在所述光纤线圈上方的质量块以及位于所述微结构光纤一侧的光纤耦合器，所述光纤耦合器包括用于与外部光纤耦接的第一输入端、与所述微结构光纤的第一端连接的第一输出端及与所述光纤的第二端连接的第二输出端。利用SAGNAC干涉仪的技术，实现了对高频、大加速度的振动的传感，质量块的灵活选择可调节加速度计的灵敏度以及谐振频率，并且在较高加速度振动的情况下，光纤不易折断。
Description
技术领域
本发明属于传感设备领域，尤其涉及一种基于SAGNAC(Sagnac Effect，萨格纳克效应)干涉仪的光纤加速度计及振动检测装置。
背景技术
近年来，随着智能化监控的快速发展，对各类机械以及土木结构的振动监测变得越来越重要，其监测的要求和智能化也进一步在提高。其中，在我国高速铁路的迅猛发展中也对列车在行进过程中的振动情况需要做实时监控，并同时利用振动信号来判断列车运行的安全情况。而加速度计，也即振动传感器，在土木的结构振动监控中也发挥着至关重要的作用。对此，开发高灵敏以及谐振频率高的加速度计具有很大的应用前景。
光纤加速度计由于其能长距离传感，易于多传感器复用及分布式传感，抗电磁干扰，小尺寸等优点，已逐步被广泛应用起来。在石油开采、机电运行、航空航天、高铁等具有特殊环境要求的领域，光纤加速度计的这些优点得到了充分利用。目前，光纤加速度计的主要实现方案是基于光纤布拉格光栅的技术，采取不同的光栅类型、加速度计的封装方案以及应变转换装置等。
传统的基于光纤布拉格光栅的加速度计，主要是以悬臂梁系统或者弹簧-质量系统为主。比如悬臂梁结构的光纤光栅加速度计，该结构具有一个特定质量块位于悬臂梁的顶端，其优点是可以通过调节质量块的大小来改变加速计的谐振频率，但同时也会降低其灵敏度。又如通过正交分布三个具有光纤光栅的悬臂梁在三个相互垂直的平面上，形成的一种基于光纤光栅的三维加速度计。其优势是可以同时测量三个方向的振动，但由于悬臂梁的使用，质量块位于悬臂梁顶端，该类型的振动传感器谐振频率比较低。而且，简单正交分布三个悬臂梁，加速度计对每个方向的振动的可辨识度并不高，相互之间存在干扰。另外，还有一种光纤光栅加速度计的特殊设计结构，采用了铰接元件将两个质量块连接为一整体，光纤光栅则位于两个质量块中间。测量振动时，两个质量块随着一起振动并使中间的光栅受到张力。该结构的设计较复杂，加速度计的特性严重依赖于结构的机械参数，同时在振动达到较高的加速度时，位于两个质量块中间的光纤光栅易于折断。同样，还有一种柔性铰链结构，虽然结构不同并能提高谐振频率，但是同样在高加速度振动时，易于折断质量块中间的光栅。
目前，国内也没有成熟的利用特殊的微结构光纤来开发出可以用于高频大加速度的振动传感器。通过对微结构光纤进行特殊设计，可以灵活的调节振动压力对光纤中传输的光信号的影响，实现高频高灵敏的光纤加速度计。而这类型的加速度计对于具有高频振动以及大加速度的结构健康监测，尤其是高速铁路，可以提供重要的传感信息，对结构健康的智能化、远程化监控起到极大的促进作用。
因此，传统的加速度计存在谐振频率不高，灵密度低，传感光纤容易折断而不可靠的问题。
发明内容
本发明提供一种基于SAGNAC干涉仪的光纤加速度计及振动检测装置，旨在解决传统的技术方案中存在的谐振频率不高，灵密度低，光纤容易折断而不可靠的问题。
一种基于SAGNAC干涉仪的光纤加速度计，包括：
壳体，包括基座和密封盖合于所述基座的上表面的封盖；和
传感组件，固定设置在所述基座和所述封盖之间；
其中，所述传感组件包括由一高双折射微结构光纤在一个平面上由内向外逐层盘绕形成的光纤线圈、叠设在所述光纤线圈上方的质量块以及位于所述微结构光纤一侧的光纤耦合器，所述光纤耦合器包括用于与外部光纤耦接的第一输入端、与所述微结构光纤的第一端连接的第一输出端及与所述光纤的第二端连接的第二输出端。
此外，还提供了一种振动检测装置，包括上述的基于SAGNAC干涉仪的光纤加速度计、与所述光纤加速度计通过光纤连接的解调议和与所述解调议通讯连接的计算机终端。
上述的光纤加速度计的盘绕式光纤线圈和光纤耦合器构成SAGNAC干涉仪，利用SAGNAC干涉仪的技术，实现了对高频、大加速度的振动的传感；采用低弯曲损耗的高双折射微结构光纤，利于加速度计的小型化制备；利用保偏耦合器构成SAGNAC干涉环，有利于解决干涉信号受偏振态随机变化引起的扰动，并且有助于封装过程中干涉信号的稳定；质量块的灵活选择可调节加速度计的灵敏度以及谐振频率，并且在较高加速度振动的情况下，光纤不易折断。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于SAGNAC干涉仪的光纤加速度计的平面示意图；
图2为本发明实施例提供的基于SAGNAC干涉仪的光纤加速度计的侧面剖面图；
图3为图1所示出的光纤加速度计的干涉原理示意图；
图4为图1所示出的光纤加速度计的信号波长与振动时间的关系示意图；
图5为图1所示出的光纤加速度计的加速度与信号波长的关系示意图；
图6为图1所示出的光纤加速度计的灵敏度与频率关系的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1、图2和图3，示出了本实施例提供的基于SAGNAC干涉仪的光纤加速度计的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
本实施例提供的基于SAGNAC干涉仪的光纤加速度计包括壳体和传感组件，壳体包括基座3和密封盖合于基座3的上表面的封盖6，封盖6与基座3无缝匹配，并通过耐高温胶水密封；传感组件固定设置在所述基座3和所述封盖6之间。
其中，传感组件包括光纤线圈5、质量块4和光纤耦合器2，光纤线圈5由一高双折射微结构光纤在一个平面上由内向外逐层盘绕形成的光纤线圈5，质量块4叠设在光纤线圈5上方，光纤耦合器2位于微结构光纤一侧，光纤耦合器2包括用于与外部光纤1耦接的第一输入端(输入光纤)2-1、与微结构光纤(即光纤线圈5)的第一端连接的第一输出端(输出光纤)2-3及与光纤的第二端连接的第二输出端2-4。
进一步地，微结构光纤的是由内向外逐层等间距盘绕形成光纤线圈5，且微结构光纤的横截面的圆心落在光纤线圈5的位于构造面的上。
本实施例中，光纤耦合器2和光纤线圈5连接构成一个SAGNAC的干涉环。其中，光纤耦合器2为3dB耦合器，光纤耦合器2为保证与微结构光纤连接需保证获得较好的干涉信号，可以采用保偏光纤耦合器；当然，在其他实施方式中，也可以采用普通的非保偏光纤耦合器，采用此非保偏光纤耦合器时，亦需保证获得较好的干涉信号，以满足光纤加速度计的系统设计要求。
光纤耦合器2的第一输出端2-3、第二输出端2-4分别与微结构光纤的第一端、第二端通过熔融的方式连接。输入光通过光纤耦合器2被等分为两路从高双折射微结构光纤的两端分别相向传输，并在同样的光纤耦合器2的位置耦合在一起，形成相干加强或者相干减弱的干涉。在光纤耦合器2的输入端得到的光谱信号呈现出周期性的谐振。
在其中一个实施例中，微结构光纤的第一端和第二端分别由光纤线圈5外侧和中心引出，基座3的上表面开设有一沟槽，微结构光纤的第二端的引出线收纳于沟槽内，以保证光纤线圈5的盘绕主体能平铺在基座3的上表面。另外，也可以进一步开设至光纤耦合器2的第二输出端2-4的端部。微结构光纤盘绕形成光纤线圈5之后，合理排布干涉环在基座3上，微结构光纤的第二端的引出线收纳于沟槽内，并利用耐高温胶水固定。
在其中一个实施例中，微结构光纤包层排布设置多个以光纤中心轴对称的空气孔，以使光纤基模的两个偏振态模式在光纤纤芯中的传播常数不同。微结构光纤一端为中心向外逐层盘绕，优选地，高双折射微结构光纤采用纯石英玻璃材料，纯石英玻璃材料制备的微结构光纤具有较好的温度不敏感性。另外，以光纤中心轴为对称轴的方式在包层排布多个空气孔。各个空气孔的直径大小可以完全一致，也可以采用不同大小的空气孔，但整体结构满足轴对称，保证光纤基模的两个偏振态模式在光纤纤芯中的传播常数不同，以使微结构光纤进而具有高双折射。同时，该光纤的弯曲损耗比较小，可实现弯曲半径在15mm以下时不引入大于1dB的光功率损耗。
在其中一个实施例中，质量块4为圆柱形，在其他实施方式中，可以为立体长方形。质量块4叠设并固定于光纤线圈5的正上方，可使光纤线圈5的盘绕主体的中心和质量块4的中心重叠，光纤线圈5的盘绕主体受压于质量块4。光纤加速度计封装过程中，在获得良好的SAGNAC干涉信号之后，采用耐高温胶水将包括光纤耦合器2在内的SAGNAC干涉环内的所有光纤进行固定。质量块4、光纤线圈5通过胶水与光纤线圈5固定连接，光纤线圈5通过胶水固定于基座3上表面，质量块4光纤线圈5与基座3固定为一整体。
在其中一个实施例中，基座3的上表面还开设有用于收容光纤耦合器2的凹槽。具体的，凹槽为长方形槽，凹槽的深度刚好为光纤耦合器2的直径大小，或略大于光纤耦合器2的直径，使得光纤耦合器2完全埋入基座3。同时，干涉环中的其他部位的光纤和光纤耦合器2也通过耐高温胶水分别固定于基座3上表面的平面上和长形槽中。
在其他实施方式中，基座3的上表面可以不需要开设收容光纤耦合器2的凹槽，光纤耦合器2、质量块4、光纤线圈5也可以同时直接用胶水固定在基座3上表面的平面上，而封盖6则需要开设收容整个传感组件的收容槽。
另外，光纤耦合器2可以采用2输入/2输出或者1输入/2输出的形式，采用2输入/2输出形式的时候，光纤耦合器2还包括第二输入端2-1，第二输入端2-1的端口作斜面切割处理并悬空(光学性能上)固定，且收容固定在壳体内。
请参阅图3，一种振动检测装置，包括上述的基于SAGNAC干涉环的光纤加速度计、与光纤加速度计通过光纤连接的解调议和与解调议通讯连接的计算机终端，计算机终端分析传感信号。
测量振动的过程中，光纤加速度计的质量块4随着振动的强弱及相应频率，对光纤线圈5施加对应强弱与频率的侧向压力。通过实时监测SAGNAC干涉仪光谱中一个波谷波长的位置变化，可以得到图4所示的波长变化与振动时间的关系图。该时域的信号也可以通过傅里叶变化得到振动的频域信息。图4所示的波长变化大小直接与振动的加速度大小正相关，如图5所示。在特定振动频率下，本发明基于SAGNAC干涉仪的高频、大加速度光纤加速度计，可给出图6所示的加速度计灵敏度和振动频率的关系图。f0对应于加速度计的谐振频率，低于该频率下的灵敏度平滑区间为加速度计的工作频率范围。
上述的光纤加速度计的盘绕式光纤线圈5和光纤耦合器2构成SAGNAC干涉环，利用SAGNAC干涉环的技术，实现了对高频、大加速度的振动的传感；采用低弯曲损耗的高双折射微结构光纤，利于加速度计的小型化制备；利用保偏耦合器构成SAGNAC干涉环，有利于解决干涉信号受偏振态随机变化引起的扰动，并且有助于封装过程中干涉信号的稳定；质量块4的灵活选择可调节加速度计的灵敏度以及谐振频率，并且在较高加速度振动的情况下，光纤不易折断。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于SAGNAC干涉仪的光纤加速度计，其特征在于，所述光纤加速度计包括：
壳体，包括基座和密封盖合于所述基座的上表面的封盖；和
传感组件，固定设置在所述基座和所述封盖之间；
其中，所述传感组件包括由一高双折射微结构光纤在一个平面上由内向外逐层盘绕形成的光纤线圈、叠设在所述光纤线圈上方的质量块以及位于所述微结构光纤一侧的光纤耦合器，所述光纤耦合器包括用于与外部光纤耦接的第一输入端、与所述微结构光纤的第一端连接的第一输出端及与所述光纤的第二端连接的第二输出端。
2.如权利要求1所述的光纤加速度计，其特征在于，所述微结构光纤包层排布设置多个轴对称的空气孔，以使光纤基模的两个偏振态模式在光纤纤芯中的传播常数不同，进而具有高双折射。
3.如权利要求1所述的光纤加速度计，其特征在于，所述微结构光纤的第一端和第二端分别由所述光纤线圈外侧和中心引出，所述基座的上表面开设有一沟槽，所述微结构光纤的第二端的引出线收纳于所述沟槽内。
4.如权利要求1或2所述的光纤加速度计，其特征在于，所示沟槽至少开设于所述质量块在所述基座的上表面的投影区域内。
5.如权利要求4所述的光纤加速度计，其特征在于，所述质量块叠设并固定于所述光纤线圈的正上方。
6.如权利要求4所述的光纤加速度计，其特征在于，所述质量块、光纤线圈通过胶水与所述光纤线圈固定连接，所述光纤线圈通过胶水固定于所述基座的上表面。
7.如权利要求1或2所述的光纤加速度计，其特征在于，所述光纤耦合器的第一输出端、第二输出端分别与所述微结构光纤的第一端、第二端通过熔融的方式连接。
8.如权利要求1或3所述的光纤加速度计，其特征在于，所述基座的上表面于还开设有用于收容所述光纤耦合器的凹槽。
9.如权利要求1或2所述的光纤加速度计，其特征在于，所述光纤耦合器还包括第二输入端，所述第二输入端的端口作斜面切割处理并悬空，且收容固定在所述壳体内。
10.一种振动检测装置，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的基于SAGNAC干涉仪的光纤加速度计、与所述光纤加速度计通过光纤连接的解调议和与所述解调议通讯连接的计算机终端。
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