CN110132398A - 集成化干涉型微振动光纤传感器及其标定装置和标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成化干涉型微振动光纤传感器及其标定装置和标定方法，集成化干涉型微振动光纤传感器包括光纤准直器、超小光纤镜头、光纤干涉仪模块、指示激光器、宽带激光器、数据采集卡和计算机；集成化干涉型微振动光纤传感器的标定装置，包括压电陶瓷振动片、固定平台、带螺纹的五维调整台、隔振平台和压电陶瓷驱动器；集成化干涉型微振动光纤传感器的标定方法，将超小光纤镜头的输出端正对压电陶瓷振动片，通过调节压电陶瓷驱动器的驱动幅值来改变压电陶瓷振动片的振动幅值，得出输出干涉强度的电压与幅值的函数关系。根据本发明提供的集成化干涉型微振动光纤传感器及标定方法，可用于微小振幅的高精度、快速测量与标定。

Description

集成化干涉型微振动光纤传感器及其标定装置和标定方法

技术领域

本发明涉及一种集成化干涉型微振动光纤传感器及其标定装置和标定方法，用于微小振动的测量领域。

背景技术

振动是物体存在的一种运动形式，是自然界普遍的现象之一，广泛的存在于工业活动和人们的生活当中，如地震的发生，汽车、飞机、船舶发动机的运转，喇机的振动，机械工业中机床的运转，铁路和桥梁等的晃动，等等。对地震的监测能早期预警，减少灾难带来的生命财产的损失，对部件振动的检测能及时了解部件的工作状态，从而对部件性能做出科学的评估，减少事故的发生。因此，对振动的测量有着非常重要的现实意义。然而，随着高精度测量行业的发展，对于空间狭小、探测深度很深的零部件非接触微振动测量得到了越来越多的需求。光纤传感器是伴随着光纤及通信技术的发展而逐步形成的，是利用光在光纤中传播特性的变化来调制波导中的光波，使光纤中的光波参量随被测量的变化而改变，从而求得被测信号的大小。在这一背景下，可用于微小内窥振动测量中的集成化干涉型微振动光纤传感器就成为微小内窥振动测量技术的一个重要方向。然而，对于集成化的干涉型微振动光纤传感器，目前市场上虽然存在单独的光纤干涉仪模块和传感器标定装置，但缺少商用或专用的基于超小光纤镜头的集成化的干涉型微振动光纤传感器。

一个典型的集成化干涉型微振动光纤传感器应包括光纤干涉仪模块、超小光纤镜头和标定装置，目前，虽然有超小光纤镜头的研究、专用光纤干涉仪模块和传感器标定装置，但缺少它们的组合使用，尤其缺少超小光纤镜头和光纤干涉仪模块熔接集成的干涉型微振动光纤传感器。本发明正是针对这一关键技术进行展开的。

发明内容

本发明的目的在于解决目前尚无商用或专用的集成化干涉型微振动光纤传感器，提供集成化干涉型微振动光纤传感器及其标定装置和标定方法，是一种微小内窥式微振动测量装置及标定方法，可用于微深孔等狭小空间尺寸内微振动的快速检测技术，而且操作容易、便捷。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种集成化干涉型微振动光纤传感器，包括光纤准直器、超小光纤镜头、光纤干涉仪模块、指示激光器、宽带激光器、数据采集卡和计算机，所述光纤准直器、超小光纤镜头、指示激光器、宽带激光器分别通过光纤跳线连接光纤干涉仪模块，所述光纤干涉仪模块通过数据线连接数据采集卡和计算机。

所述光纤干涉仪模块包括参考臂接口、信号臂接口、指示激光接口、宽带激光接口、平衡探测器输出接口、宽带50/50熔融耦合器、WDM耦合器、环形器和平衡探测器；所述宽带50/50熔融耦合器一端分别通过光纤跳线连接所述参考臂接口和所述信号臂接口；所述WDM耦合器一端通过光纤跳线连接所述宽带50/50熔融耦合器，所述WDM耦合器另一端分别通过光纤跳线连接所述指示激光接口和所述平衡探测器；所述环形器一端通过光纤跳线连接所述宽带50/50熔融耦合器，所述环形器另一端分别通过光纤跳线连接所述宽带激光接口和所述平衡探测器；所述光纤准直器和所述超小光纤镜头分别通过光纤跳线连接所述参考臂接口和所述信号臂接口；所述指示激光器和所述宽带激光器分别通过光纤跳线连接所述指示激光接口和所述宽带激光接口；所述数据采集卡分别通过数据线连接所述平衡探测器输出接口和所述计算机；所述光纤准直器输出端镀反射膜。

所述超小光纤镜头由多模光纤镜头、空芯光纤隔片和单模光纤依次熔接而成。

一种集成化干涉型微振动光纤传感器的标定装置，基于所述的集成化干涉型微振动光纤传感器，包括压电陶瓷振动片、固定平台、带螺纹的五维调整台、隔振平台和压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷振动片和所述带螺纹的五维调整台分别通过夹具垂直固定于所述隔振平台和所述固定平台上；所述压电陶瓷振动片通过数据线连接所述压电陶瓷驱动器接口；所述超小光纤镜头通过磁吸夹具固定于所述带螺纹的五维调整台上；所述超小光纤镜头的输出端正对所述压电陶瓷振动片。

一种集成化干涉型微振动光纤传感器的标定方法，采用所述的集成化干涉型微振动光纤传感器及标定装置，具体实施步骤如下：

（1）选取分别与所述光纤准直器和所述超小光纤镜头连接的光纤跳线，使光纤跳线和所述光纤准直器连接的总长度，与光纤跳线和所述超小光纤镜头连接的总长度近似相等；

（2）调整所述带螺纹的五维调整台的方位，使所述超小光纤镜头的中轴线垂直正对所述压电陶瓷振动片；

（3）移动所述带螺纹的五维调整台的沿所述超小光纤镜头轴线方向的螺纹，使所述计算机输出的表示干涉强度的电压值达到最大。

（4）调节所述压电陶瓷驱动器的驱动频率和驱动幅值，使所述压电陶瓷振动片开始振动，设定所述计算机中可以检测到振动波形时的所述压电陶瓷振动片的最小振动频率为ω ₀ 、最小振动幅值为A ₀，在所述计算机中记录此时对应的表示干涉强度的电压有效值I ₀；

（5）保持所述压电陶瓷振动片的振动频率ω ₀不变，调节所述压电陶瓷驱动器的驱动幅值使所述压电陶瓷振动片的振动幅值A ₀增加微小幅值量ΔA，在所述计算机中记录此时对应的表示干涉强度的电压有效值I ₁；

（6）重复步骤（5）的操作，依次增加所述压电陶瓷振动片的微小幅值量2ΔA、3ΔA、……、NΔA，在所述计算机中记录对应的表示干涉强度的电压有效值I ₂、I ₃、……、I _N，至增加微小幅值量（N+1）ΔA时，所述计算机中干涉强度的波形开始失真；

（7）根据上述步骤取得的表示干涉强度的电压有效值I ₀、I ₁、I ₂、I ₃、……、I _N和对应的振动幅值A ₀ 、A ₀+2ΔA、A ₀+3ΔA、……、A ₀+NΔA，分别作为纵坐标和横坐标，并令A ₀为0，进行曲线拟合得出输出干涉强度的电压值与振动幅值的函数关系，即为所述集成化干涉型微振动光纤传感器的幅值标定函数。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明装置将超小光纤镜头、干涉仪模块和标定装置集成在一块，实现了干涉型微振动光纤传感器装置的集成化，并解决了对空间狭小、探测深度有要求的物体内微振动检测的难题，而且操作容易、便捷。

附图说明

图1是本发明的集成化干涉型微振动光纤传感器整体结构示意图。

图2是本发明的光纤干涉仪模块示意图。

图3是本发明的超小光纤镜头结构示意图。

图4是本发明的集成化干涉型微振动光纤传感器的标定方法步骤图。

具体实施方式

本发明的优选实施方式结合附图论述如下：

参见图1，一种集成化干涉型微振动光纤传感器，包括光纤准直器101、超小光纤镜头102、光纤干涉仪模块105、指示激光器108、宽带激光器109、数据采集卡111和计算机112，所述光纤准直器101、超小光纤镜头102、指示激光器108、宽带激光器109分别通过光纤跳线连接光纤干涉仪模块105，所述光纤干涉仪模块105通过数据线连接数据采集卡111和计算机112。

如图2所示，所述光纤干涉仪模块105包括参考臂接口103、信号臂接口104、指示激光接口106、宽带激光接口107、平衡探测器输出接口110、宽带50/50熔融耦合器201、WDM耦合器202、环形器203和平衡探测器204；所述宽带50/50熔融耦合器201一端分别通过光纤跳线连接所述参考臂接口103和所述信号臂接口104；所述WDM耦合器202一端通过光纤跳线连接所述宽带50/50熔融耦合器201，所述WDM耦合器202另一端分别通过光纤跳线连接所述指示激光接口106和所述平衡探测器204；所述环形器203一端通过光纤跳线连接所述宽带50/50熔融耦合器201，所述环形器203另一端分别通过光纤跳线连接所述宽带激光接口107和所述平衡探测器204；所述光纤准直器101和所述超小光纤镜头102分别通过光纤跳线连接所述参考臂接口103和所述信号臂接口104；所述指示激光器108和所述宽带激光器109分别通过光纤跳线连接所述指示激光接口106和所述宽带激光接口107；所述数据采集卡111分别通过数据线连接所述平衡探测器输出接口110和所述计算机112；所述光纤准直器101输出端镀反射膜113。

如图3所示，所述超小光纤镜头102由多模光纤镜头301、空芯光纤隔片302和单模光纤303依次熔接而成。

参见图1，一种集成化干涉型微振动光纤传感器的标定装置，基于上述集成化干涉型微振动光纤传感器，包括压电陶瓷振动片114、固定平台115、带螺纹的五维调整台116、隔振平台117和压电陶瓷驱动器118，所述压电陶瓷振动片114和所述带螺纹的五维调整台116分别通过夹具垂直固定于所述隔振平台117和所述固定平台115上；所述压电陶瓷振动片114通过数据线连接所述压电陶瓷驱动器118接口；所述超小光纤镜头102通过磁吸夹具固定于所述带螺纹的五维调整台116上；所述超小光纤镜头102的输出端正对所述压电陶瓷振动片114。

参见图4，一种集成化干涉型微振动光纤传感器的标定方法，采用上述集成化干涉型微振动光纤传感器及标定装置，具体实施步骤如下：

（1）选取分别与所述光纤准直器101和所述超小光纤镜头102连接的光纤跳线，使光纤跳线和所述光纤准直器101连接的总长度，与光纤跳线和所述超小光纤镜头102连接的总长度近似相等；

（2）调整所述带螺纹的五维调整台116的方位，使所述超小光纤镜头102的中轴线垂直正对所述压电陶瓷振动片114；

（3）移动所述带螺纹的五维调整台116的沿所述超小光纤镜头102轴线方向的螺纹，使所述计算机112输出的表示干涉强度的电压值达到最大。

（4）调节所述压电陶瓷驱动器118的驱动频率和驱动幅值，使所述压电陶瓷振动片114开始振动，设定所述计算机112中可以检测到振动波形时的所述压电陶瓷振动片114的最小振动频率为ω ₀ 、最小振动幅值为A ₀，在所述计算机112中记录此时对应的表示干涉强度的电压有效值I ₀；

（5）保持所述压电陶瓷振动片114的振动频率ω ₀ 不变，调节所述压电陶瓷驱动器118的驱动幅值使所述压电陶瓷振动片114的振动幅值A ₀ 增加微小幅值量ΔA，在所述计算机112中记录此时对应的表示干涉强度的电压有效值I ₁；

（6）重复步骤（5）的操作，依次增加所述压电陶瓷振动片114的微小幅值量2ΔA、3ΔA、……、NΔA，在所述计算机112中记录对应的表示干涉强度的电压有效值I ₂、I ₃、……、I _N，至增加微小幅值量（N+1）ΔA时，所述计算机112中干涉强度的波形开始失真；

（7）根据上述步骤取得的表示干涉强度的电压有效值I ₀、I ₁、I ₂、I ₃、……、I _N和对应的振动幅值A ₀ 、A ₀+2ΔA、A ₀+3ΔA、……、A ₀+NΔA，分别作为纵坐标和横坐标，并令A ₀为0，进行曲线拟合得出输出干涉强度的电压与振动幅值的函数关系，即为所述集成化干涉型微振动光纤传感器的振动幅值标定函数。

本实施例中，光纤干涉仪模块105采用Thorlabs公司生产的型号为INT-MSI-1300B的干涉仪模块；压电陶瓷驱动器118和压电陶瓷振动片114采用北京方式科技有限公司生产的压电陶瓷振动装置；超小光纤镜头102根据发明专利（王驰，于瀛洁，方臣，唐智，齐博，张之江，“全光纤型超小探针的制作装置及方法”，中国发明专利，申请日：2011.1.14，授权专利号: ZL 201110007712.2，授权公告日：2012.7.04），由发明人所在单位即上海大学和上海相和光纤科技有限公司联合开发制作完成的研制装置制作。

Claims (5)

1.一种集成化干涉型微振动光纤传感器，包括光纤准直器（101）、超小光纤镜头（102）、光纤干涉仪模块（105）、指示激光器（108）、宽带激光器（109）、数据采集卡（111）和计算机（112），其特征在于，所述光纤准直器（101）、超小光纤镜头（102）、指示激光器（108）、宽带激光器（109）分别通过光纤跳线连接光纤干涉仪模块（105），所述光纤干涉仪模块（105）通过数据线连接数据采集卡（111）和计算机（112）。

2.根据权利要求1所述的集成化干涉型微振动光纤传感器，其特征在于，所述光纤干涉仪模块（105）包括参考臂接口（103）、信号臂接口（104）、指示激光接口（106）、宽带激光接口（107）、平衡探测器输出接口（110）、宽带50/50熔融耦合器（201）、WDM耦合器（202）、环形器（203）和平衡探测器（204）；所述宽带50/50熔融耦合器（201）一端分别通过光纤跳线连接所述参考臂接口（103）和所述信号臂接口（104）；所述WDM耦合器（202）一端通过光纤跳线连接所述宽带50/50熔融耦合器（201），所述WDM耦合器（202）另一端分别通过光纤跳线连接所述指示激光接口（106）和所述平衡探测器（204）；所述环形器（203）一端通过光纤跳线连接所述宽带50/50熔融耦合器（201），所述环形器（203）另一端分别通过光纤跳线连接所述宽带激光接口（107）和所述平衡探测器（204）；所述光纤准直器（101）和所述超小光纤镜头（102）分别通过光纤跳线连接所述参考臂接口（103）和所述信号臂接口（104）；所述指示激光器（108）和所述宽带激光器（109）分别通过光纤跳线连接所述指示激光接口（106）和所述宽带激光接口（107）；所述数据采集卡（111）分别通过数据线连接所述平衡探测器输出接口（110）和所述计算机（112）；所述光纤准直器（101）输出端镀反射膜（113）。

3.根据权利要求1所述的集成化干涉型微振动光纤传感器，其特征在于，所述超小光纤镜头（102）由多模光纤镜头（301）、空芯光纤隔片（302）和单模光纤（303）依次熔接而成。

4.一种集成化干涉型微振动光纤传感器的标定装置，基于权利要求1所述的集成化干涉型微振动光纤传感器，包括压电陶瓷振动片（114）、固定平台（115）、带螺纹的五维调整台（116）、隔振平台（117）和压电陶瓷驱动器（118），其特征在于，所述压电陶瓷振动片（114）和所述带螺纹的五维调整台（116）分别通过夹具垂直固定于所述隔振平台（117）和所述固定平台（115）上；所述压电陶瓷振动片（114）通过数据线连接所述压电陶瓷驱动器（118）；所述超小光纤镜头（102）通过磁吸夹具固定于所述带螺纹的五维调整台（116）上；所述超小光纤镜头（102）的输出端正对所述压电陶瓷振动片（114）。

5.一种集成化干涉型微振动光纤传感器的标定方法，采用权利要求1和权利要求4所述的集成化干涉型微振动光纤传感器及标定装置，具体实施步骤如下：

（1）选取分别与所述光纤准直器（101）和所述超小光纤镜头（102）连接的光纤跳线，使光纤跳线和所述光纤准直器（101）连接的总长度，与光纤跳线和所述超小光纤镜头（102）连接的总长度近似相等；

（2）调整所述带螺纹的五维调整台（116）的方位，使所述超小光纤镜头（102）的中轴线垂直正对所述压电陶瓷振动片（114）；

（3）移动所述带螺纹的五维调整台（116）的沿所述超小光纤镜头（102）轴线方向的螺纹，使所述计算机（112）输出的表示干涉强度的电压值达到最大；

（4）调节所述压电陶瓷驱动器（118）的驱动频率和驱动幅值，使所述压电陶瓷振动片（114）开始振动，设定所述计算机（112）中可以检测到振动波形时的所述压电陶瓷振动片（114）的最小振动频率为ω ₀ 、最小振动幅值为A ₀，在所述计算机（112）中记录此时对应的表示干涉强度的电压有效值I ₀；

（5）保持所述压电陶瓷振动片（114）的振动频率ω ₀ 不变，调节所述压电陶瓷驱动器（118）的驱动幅值使所述压电陶瓷振动片（114）的振动幅值A ₀ 增加微小幅值量ΔA，在所述计算机（112）中记录此时对应的表示干涉强度的电压有效值I ₁；

（6）重复步骤（5）的操作，依次增加所述压电陶瓷振动片（114）的微小幅值量2ΔA、3ΔA、……、NΔA，在所述计算机（112）中记录对应的表示干涉强度的电压有效值I ₂、I ₃、……、 I _N，至增加微小幅值量（N+1）ΔA时，所述计算机（112）中干涉强度的波形开始失真；

（7）根据上述步骤取得的表示干涉强度的电压有效值I ₀、I ₁、I ₂、I ₃、……、I _N和对应的振动幅值A ₀ 、A ₀+2ΔA、A ₀+3ΔA、……、A ₀+NΔA，分别作为纵坐标和横坐标，并令A ₀为0，进行曲线拟合得出输出干涉强度的电压与振动幅值的函数关系，即为所述集成化干涉型微振动光纤传感器的振动幅值标定函数。