CN109323752B - 一种光纤微振动测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤微振动测量装置和测量方法，该装置包括相互平行设置的标准光纤和待测量光纤，所述标准光纤和待测量光纤之间通过环氧树脂连接固定，所述标准光纤远离待测量光纤的一端连接光源，另一端面抛光成呈一定角度倾斜的端面Ⅰ；所述待测量光纤远离标准光纤的一端连接光谱分析仪，另一端面抛光成呈一定角度倾斜的端面Ⅱ；所述标准光纤和待测量光纤上分别设置有F‑P腔。本发明灵敏度高，且灵敏度可调，能够实现光纤微米级振动测量。

Description

一种光纤微振动测量装置和测量方法

技术领域

本公开涉及微振动测量领域，具体涉及一种基于Mach-Zehnder干涉的光纤微振动测量装置和测量方法。

背景技术

微振动是一种很常见的现象，存在于我们生活中的每个领域。类似于汽车在桥梁上的运动、工厂里机器的运转以及人走在房间地板上，都会产生微小的振动。因此，实现对这些微小振动的测量，对人们的生产生活，具有十分重要的意义。

有很多场合要求微振动的测量传感器不能带电，且能够在有电磁干扰的环境下工作，而光纤微振动传感器本身具有抗电磁干扰的优势，能够在强电磁干扰环境下工作，这是电微振动传感器所没有的。

因此，如何基于光纤微振动传感器来实现微振动测量，仍是待解决的技术问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种光纤微振动测量装置和测量方法，灵敏度高，且灵敏度可调，能够实现光纤微米级振动测量。

本公开所采用的技术方案是：

一种光纤微振动测量装置，该装置包括相互平行设置的标准光纤和待测量光纤，所述标准光纤远离待测量光纤的一端连接光源，另一端面抛光成呈一定角度倾斜的端面Ⅰ；所述待测量光纤远离标准光纤的一端连接光谱分析仪，另一端面抛光成呈一定角度倾斜的端面Ⅱ；所述标准光纤和待测量光纤上分别设置有F-P腔。

进一步的，所述标准光纤和待测量光纤之间通过环氧树脂连接固定。

进一步的，所述端面Ⅰ和端面Ⅱ的倾斜角度分别为30°～60°。

进一步的，所述端面Ⅰ和端面Ⅱ上分别镀有反射膜。

进一步的，所述待测量光纤上套设有位置可调的金属环。

一种光纤微振动测量方法，该方法基于如上所述的光纤微振动测量装置实现的，该方法包括以下步骤：

光源发射的光线经标准光纤的一端入射到标准光纤的传输通道内并沿直线传输；

经过标准光纤上的F-P腔将光线分成蓝色和红色两束光线；

蓝色光线经环氧树脂传输到待测量光纤的端面Ⅱ上，经端面Ⅱ将蓝色光线沿水平方向反射到待测量光纤的传输通道内；

红色光线经标准光纤的端面Ⅰ反射到待测量光纤的F-P腔上，经待测量光纤的F-P腔将红色光线沿水平方向反射到待测量光纤的传输通道内；

蓝色光线和红色光线分别在待测量光纤的传输通道内沿着同一方向传输，并发生干涉；

通过光谱分析仪测量蓝色光线和红色光线的干涉光谱，得到待测量光纤的振动大小。

进一步的，经过标准光纤上的F-P腔将光线分成蓝色和红色两束光线后，标准光纤上的F-P腔沿垂直方向反射蓝色光线，标准光纤上的F-P腔沿水平方向反射红色光线。

进一步的，所述红色光线继续在标准光纤的传输通道内沿直线传输，红色光线传输到标准光纤的端面Ⅰ后，经端面Ⅰ沿垂直方向反射红色光线；红色光线经过空气传输到待测量光纤的F-P腔上。

进一步的，所述待测量光纤的振动大小的测量方法为：

通过光谱分析仪采集干涉光的光谱，获得振动前后的干涉光谱中相邻两波峰之间的距离；

利用相邻两波峰之间的距离与两根光纤空气介质间隔距离的关系表达式，计算振动前后的两根光纤空气介质间隔距离；

计算振动前后的两根光纤空气介质间隔距离的变化量，得到待测量光纤的振动大小。

进一步的，所述相邻两波峰之间的距离与两根光纤空气介质间隔距离的关系表达式为：

其中，FSR为相邻两波峰之间的距离；L为两根光纤空气介质间隔距离；Δn_eff为光纤包层和纤芯的有效折射率差，λ为光的波长。

通过上述的技术方案，本公开的有益效果是：

(1)灵敏度可调，由悬臂梁挠度的相关公式可知，随着金属环的移动，光纤受到振动所发生的弯曲程度也会改变，借此可以调节对微振动的灵敏度；

(2)由于本公开基于光干涉原理，两根光纤空气介质间隔距离微小的变化会使光谱条纹发生很明显的变化，故测量灵敏度较高，可测量微米级振动。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是光纤微振动测量装置的结构示意图；

图2是光纤微振动测量装置的结构框图；

图3a是金属环的结构图一；

图3b是金属环的结构图二。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

名词解释：

(1)Mach-Zehnder干涉为马赫-曾德干涉，是采用分振幅法产生双光线以实现干涉；

(2)F-P腔：光线在镀有反射膜的腔体内部的多次反射和折射，在腔内形成多束相干光，此腔体F-P腔。

一种或多种实施例提供了一种光纤微振动测量装置。如图1和2所示，该装置包括两根平行设置的用于传导光纤的第一光纤1和第二光纤2，两根光纤之间通过高透明度的环氧树脂3连接固定；所述第一光纤1远离第二光纤2的一端连接光源，另一端抛光成呈45°角倾斜的端面Ⅰ4，该端面Ⅰ上镀有反射膜，起到反射作用；所述第二光纤2远离第一光纤1的一端连接光谱分析仪，另一端抛光成呈45°角倾斜的端面Ⅱ5，该端面Ⅱ上镀有反射膜，起到反射作用；所述第一光纤1的传输通道上设置有椭圆形的用于分光和反射光的第一F-P腔6，所述第二光纤的传输通道上设置有椭圆形的用于分光和反射光的第二F-P腔7。

本实施例提出的光纤微振动测量装置的工作原理为：

光源发射的光线从第一光纤1的一端入射到第一光纤1的传输通道内，经过第一光纤传输通道上的第一F-P腔6将光线分为两束光线，分别为红色光线和蓝色光线，第一F-P腔6将蓝色光线反射到第二光纤2的端面Ⅱ5上，经端面Ⅱ5将蓝色光线反射到第二光纤2的传输通道内，蓝色光线经第二光纤2的传输通道沿直线传输；第一F-P腔6将红色光线输出到第一光纤1的传输通道内，红色光线经第一光纤1的传输通道沿直线传输；经过第一光纤的端面Ⅰ将红色光线反射到第二光纤2的第二F-P腔7上，经第二F-P腔7将红色光线发射到第二光纤2的传输通道内，使红色光线和蓝色光线在第二光纤2的传输通道内沿着同一方向传输，发生干涉，通过光谱分析仪测量干涉光谱，得到振动前后干涉谱中相邻两波峰之间的距离FSR，利用FSR与两根光纤空气介质间隔距离L的关系表达式，计算振动前后两根光纤空气介质间隔距离L，计算振动前后两根光纤空气介质间隔距离L的变化量即为光纤的微振动大小。

在本实施例中，蓝色光线与红色光线从第一光纤1传输到第二光纤2时，蓝色光线经过环氧树脂4传输到第二光纤，而红色光线经过空气传输到第二光纤，两者产生光程差，从而使后续光线发生干涉。

在本实施例中，所述第一光纤1为标准光纤，所述第二光纤2是测量光纤，当存在振动时，第二光纤2会上下振动，导致第一光纤1和第二光纤2之间的空气间隔L发生改变，从而光程差的变化，使得干涉条纹产生变化，从而通过光谱分析仪测出振动。

在本实施例中，光源采用宽带光源。

如图3a和图3b所示，在第二光纤2上套设一个位置可调的金属环8，通过调节金属环8在第二光纤2上的位置，可以改变金属环的力矩，从而调节该第二光纤对振动的灵敏度。在本实施例中，所述金属环可为铁环。

如图3a所示，当金属环8向靠近第二F-P腔的方向移动时，力矩变小，对振动灵敏度降低；如图3b所示，当金属环8向远离第二F-P腔的方向移动时，力矩变大，对振动灵敏度增加。

本实施例提出的光纤微振动测量装置，灵敏度更高，对于细微的振动更加敏感，并且灵敏度可调。

一种或多种实施例提供了一种光纤微振动测量方法，该方法基于如上所述的光纤微振动测量实现，该方法包括以下步骤：

S101，光源发射光线，光线经第一光纤1的一端入射到第一光纤的传输通道内；

S102，光线在第一光纤1的传输通道内沿直线传输，经过第一光纤上的第一F-P腔6将光线分为光束光线，分别为蓝色光线和红色光线；

S103，第一F-P腔6沿垂直方向反射蓝色光线，第一F-P腔6沿水平方向反射红色光线；

S103，蓝色光线经环氧树脂3传输到第二光纤的端面Ⅱ5上；经过第二光纤的端面Ⅱ5将蓝色光线反射到第二光纤的传输通道内；

S104，红色光线继续在第一光纤1的传输通道内沿直线传输，经过第一光纤的端面Ⅰ4沿垂直方向反射红色光线，红色光线经过空气传输到第二光纤的第二F-P腔7上，经第二F-P腔7将沿水平方向红色光线发射到第二光纤2的传输通道内；

S105，蓝色光线和红色光线分别在第二光纤2的传输通道内沿着同一方向传输，发生干涉；

S106，通过光谱分析仪测量蓝色光线和红色光线的干涉光谱，得到振动前后的干涉光谱中相邻两波峰之间的距离FSR，利用FSR与两根光纤空气介质间隔距离L的关系表达式，计算振动前后两根光纤空气介质间隔距离L，根据两根光纤空气介质间隔距离L的变化量，得到振动的大小。

所述步骤106的具体实现方式为：

通过光谱分析仪采集干涉光的光谱，获得振动前后的干涉光谱中相邻两波峰之间的距离FSR；

利用FSR与两根光纤空气介质间隔距离L的关系表达式，计算振动前后两根光纤空气介质间隔距离L，其具体实现方式如下：

干涉光的相位差其中Δn_eff是光纤包层和纤芯的有效折射率差，λ是光的波长，L是两根光纤空气介质间隔距离，即振动臂。

要使输出的干涉光谱有明显的干涉条纹，则要求是π的奇数倍，得到：

上式相减可得：

化简可得最终的FSR与两根光纤空气介质间隔距离L的关系表达式为：

由上式可知FSR与L成反比，通过得到的振动前后的干涉光谱中相邻两波峰之间的距离FSR，可得到振动前后两根光纤空气介质间隔距离L。

由于光纤的微振动导致两根光纤空气介质间隔距离L的变化，因此计算振动前后两根光纤空气介质间隔距离L的变化量即为光纤的微振动大小。

本实施例提出的光纤微振动测量方法还包括：

调节金属环8在第二光纤上的位置，将金属环8向远离第二F-P腔的方向移动，力矩变大，对振动灵敏度增加。

本实施例提出的光纤微振动测量方法，能够精确测量出光纤振动量，灵敏度更高，对于细微的振动更加敏感，并且灵敏度可调。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

(1)灵敏度可调，由悬臂梁挠度的相关公式可知，随着金属环的移动，光纤受到振动所发生的弯曲程度也会改变，借此可以调节对微振动的灵敏度；

(2)由于本公开基于光干涉原理，两根光纤空气介质间隔距离微小的变化会使光谱条纹发生很明显的变化，故测量灵敏度较高，可测量微米级振动。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种光纤微振动测量方法，该方法基于光纤微振动测量装置实现的，该装置包括相互平行设置的标准光纤和待测量光纤，所述标准光纤远离待测量光纤的一端连接光源，另一端面抛光成呈一定角度倾斜的端面Ⅰ；所述待测量光纤远离标准光纤的一端连接光谱分析仪，另一端面抛光成呈一定角度倾斜的端面Ⅱ；所述标准光纤和待测量光纤上分别设置有F-P腔；

其特征是，该方法包括以下步骤：

光源发射的光线经标准光纤的一端入射到标准光纤的传输通道内并沿直线传输；

经过标准光纤上的F-P腔将光线分成蓝色和红色两束光线；

蓝色光线经环氧树脂传输到待测量光纤的端面Ⅱ上，经端面Ⅱ将蓝色光线沿水平方向反射到待测量光纤的传输通道内；

红色光线经标准光纤的端面Ⅰ反射到待测量光纤的F-P腔上，经待测量光纤的F-P腔将红色光线沿水平方向反射到待测量光纤的传输通道内；

蓝色光线和红色光线分别在待测量光纤的传输通道内沿着同一方向传输，并发生干涉；

通过光谱分析仪测量蓝色光线和红色光线的干涉光谱，得到待测量光纤的振动大小。

2.根据权利要求1所述的光纤微振动测量方法，其特征是，所述标准光纤和待测量光纤之间通过环氧树脂连接固定。

3.根据权利要求1所述的光纤微振动测量方法，其特征是，所述端面Ⅰ和端面Ⅱ的倾斜角度分别为30°～60°。

4.根据权利要求1所述的光纤微振动测量方法，其特征是，所述端面Ⅰ和端面Ⅱ上分别镀有反射膜。

5.根据权利要求1所述的光纤微振动测量方法，其特征是，所述待测量光纤上套设有位置可调的金属环。

6.根据权利要求1所述的光纤微振动测量方法，其特征是，经过标准光纤上的F-P腔将光线分成蓝色和红色两束光线后，标准光纤上的F-P腔沿垂直方向反射蓝色光线，标准光纤上的F-P腔沿水平方向反射红色光线。

7.根据权利要求6所述的光纤微振动测量方法，其特征是，所述红色光线继续在标准光纤的传输通道内沿直线传输，红色光线传输到标准光纤的端面Ⅰ后，经端面Ⅰ沿垂直方向反射红色光线；红色光线经过空气传输到待测量光纤的F-P腔上。

8.根据权利要求1所述的光纤微振动测量方法，其特征是，所述待测量光纤的振动大小的测量方法为：

通过光谱分析仪采集干涉光的光谱，获得振动前后的干涉光谱中相邻两波峰之间的距离；

利用相邻两波峰之间的距离与两根光纤空气介质间隔距离的关系表达式，计算振动前后的两根光纤空气介质间隔距离；

计算振动前后的两根光纤空气介质间隔距离的变化量，得到待测量光纤的振动大小。

9.根据权利要求8所述的光纤微振动测量方法，其特征是，所述相邻两波峰之间的距离与两根光纤空气介质间隔距离的关系表达式为：

其中，FSR为相邻两波峰之间的距离；L为两根光纤空气介质间隔距离；

Δn_eff为光纤包层和纤芯的有效折射率差，λ为光的波长。