CN110207806A - 一种斜角端面光纤振动传感器及其测量振动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种斜角端面光纤振动传感器，包含：窄线宽激光器，用于输出连续光；单模光纤，单模光纤第一端连接窄线宽激光器，单模光纤第二端端面为斜角端面；传感元件，传感元件侧面开有U形槽口；单模光纤第二端穿设槽口第一端端面位于槽口内；单模光纤第二端端面与槽口第二端端面之间形成法‑珀腔；所述连续光经单模光纤传输至所述法‑珀腔，经槽口第二端端面反射形成反射光；所述采集处理模块连接单模光纤第一端，接收单模光纤传输的所述反射光。外界振动引起传感元件产生微弯，改变法‑珀腔腔长，引起反射光光强变化。采集处理模块根据反射光光强变化获得振动强度。本发明还提供一种测量振动的方法。本发明测量精度高，制备工艺简单。

Description

一种斜角端面光纤振动传感器及其测量振动的方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种斜角端面光纤振动传感器。

背景技术

振动问题一直都是科学技术领域的重要研究课题。振动传感器通常被用于地震波检测、光纤水听器、无损探伤、石油天然气勘探、工业过程化控制和结构健康检测等众多领域。传统的振动传感器包括电容或压电传感器，这些传感器虽灵敏度高，但并不适用于高电压，高磁场的地方，如变电站。斜角端面光纤振动传感器因为其天然绝缘，不受电、磁干扰，体积小，重量轻，多路复用能力强等特点，在电力系统设施运行状态及安全监测中具有非常广泛的应用，一直是国内外研究和应用的热点。

斜角端面光纤振动传感器通过感受外界振动，引起光纤中的光波参数如光强、频率、波长、相位以及偏振态等的变化，通过检测光纤中光波参数的变化达到检测外界参量的目的。光学中，法布里－珀罗干涉仪是一种由两块平行的玻璃板组成的多光束干涉仪，其中两块玻璃板相对的内表面都具有高反射率。斜角端面光纤振动传感器中，法布里-珀罗(法-珀)干涉仪具有独特的吸引力，这是由于它能提供非接触式无扰动振动分析装置，并且也已经证明在振动与位移测量中具有明显的性能优势。

近年来，3D打印作为一种增材制造技术，越来越得到大家的广泛关注，在工程、航天、生物医学等各个领域都有了新的探索和研究。与其他传统的加工制造技术不同，3D打印技术是通过材料的层层堆积来实现的。因此，随着3D打印技术应用的不断完善，有必要扩大3D打印技术在光纤传感领域的发展。然而，如何面向振动传感实用化需求，开发制备工艺简单、可实现批量制备且重复性良好的传感器，一直是制约其性能一致性及实用化的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种斜角端面光纤振动器传感器及其测量振动的方法。本发明的斜角端面光纤振动传感器通过在传感元件侧面开设一个U形槽口，单模光纤第二端穿设传感元件的U形槽口第一端端面位于槽口内，非常容易获得单模光纤第二端与槽口第二端端面之间的法-珀腔。槽口减小了传感元件的抗弯刚度，使得传感元件易于感受到外界振动而产生形变改变所述法-珀腔的腔长。窄线宽激光器输出的连续光经单模光纤入射至该法-珀腔，并经槽口第二端端面反射生成反射光，反射光光强随法-珀腔腔长变化。采集处理模块接收并解调所述反射光获得振动信号。本发明通过3D打印保证了传感元件结构的一致性，并通过单模光纤第二端的斜角结构，提高反射光的光谱对比度,保证了本发明的传感器的测量精度。

为了达到上述目的，本发明提供一种斜角端面光纤振动传感器包含：窄线宽激光器、单模光纤、传感元件、采集处理模块；

所述窄线宽激光器，用于输出连续光；

单模光纤第一端连接窄线宽激光器；单模光纤第二端端面为斜角端面；通过所述斜角使得单模光纤第二端斜角端面的反射率匹配槽口第二端端面反射率，实现提高反射光的光谱对比度。

所述传感元件为圆柱体，且在圆柱体侧面开设U形槽口；所述槽口的轴向长度小于圆柱体的长度；单模光纤第二端穿设槽口第一端端面位于所述槽口内；单模光纤第二端端面与槽口第二端端面保持一个距离，单模光纤第二端端面与槽口第二端端面之间形成法-珀腔，所述距离为法-珀腔腔长；所述连续光经单模光纤传输至所述法-珀腔，经槽口第二端端面反射形成反射光；

所述采集处理模块连接单模光纤第一端，接收单模光纤传输的所述反射光，并根据接收的光强变化获得振动强度。

所述的斜角端面光纤振动传感器，还包含光纤环形器；光纤环形器第一端连接窄线宽激光器，光纤环形器第二端连接单模光纤第一端；光纤环形器第三端连接采集处理模块；所述连续光经过光纤环形器第二端出射至单模光纤第一端；所述反射光经光纤环形器第三端出射至采集处理模块。

所述采集处理模块包含光电探测器和数据处理单元；所述光电探测器连接设置在光纤环形器第三端和数据处理单元之间，光电探测器接收所述反射光并发送给数据处理单元；数据处理单元通过解调所述反射光，获得振动强度。

所述传感元件为树脂材质，通过3D打印制作而成。

一种测量振动的方法，采用本发明所述的斜角端面光纤振动传感器实现的，包含步骤：

S1、窄线宽激光器发送连续光入射至光线环形器输入端，经光纤环形器第二端出射至单模光纤，并由单模光纤传输至所述法-珀腔；

S2、U形槽口第二端端面反射所述入射光并产生反射光，所述反射光经单模光纤传输至光纤环形器第二端，并自光纤环形器第三端出射至采集处理模块；

S2、外界的振动引发传感元件振动，通过所述槽口减小了传感元件的抗弯刚度，使传感元件沿垂直于单模光纤第二端的方向产生微弯，从而引起法-珀腔长变化，造成反射光光强改变；

S3、采集处理模块接收并解调所述反射光，根据反射光强的变化获得振动强度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)制备工艺简单。本发明的传感元件通过3D打印制成。单模光纤第二端穿设传感元件的U形槽口第一端位于槽口内，非常容易获得单模光纤第二端与槽口第二端端面之间的法-珀腔。

2)通过槽口的设计减小了传感元件的抗弯刚度，外界的振动引发传感元件沿垂直于单模光纤第二端的方向产生微弯，从而引起法-珀腔长变化。

3)通过单模光纤第二端的斜角结构，使得单模光纤第二端斜角端面的反射率匹配槽口第二端端面反射率，实现提高反射光的光谱对比度，使反射光易于解调出振动信号，保证了测试的精度。

4)本发明中的传感元件可以批量制备，通过3D打印满足传感元件尺寸精细化需求，且一次打印可以实现多个传感元件，保证传感元件良好的一致性。

5)本发明的斜角端面光纤振动传感器具有体积小、质量轻、精度高、响应快、测量动态范围宽等优点。且本发明具有良好的抗电磁干扰、耐腐蚀性和不导电性，应用领域广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明的斜角端面光纤传感器示意图；

图2为本发明的单模光纤第二端穿设传感元件侧视图；

图中：1、窄线宽激光器；2、光纤环形器；21、光纤环形器第一端；22、光纤环形器第二端；23、光纤环形器第三端；3、单模光纤；4、传感元件；5、光电探测器；6、数据处理单元；7、槽口第二端端面；8、槽口第一端端面；9、槽口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种斜角端面光纤振动传感器，如图1所示，包含：窄线宽激光器、单模光纤、传感元件、采集处理模块和光纤环形器。

光纤环形器第一端21连接窄线宽激光器，光纤环形器第二端22连接单模光纤第一端；光纤环形器第三端23连接采集处理模块。

所述窄线宽激光器，用于输出连续光。

如图2所示，所述传感元件为圆柱体，且在圆柱体侧面开设U形槽口9。所述槽口9的轴向长度l小于圆柱体的长度L，优选的，槽口9的深度h为传感元件直径H的20％～80％。所述传感元件为树脂材质，通过3D打印制作而成。

单模光纤第一端连接窄线宽激光器，所述连续光经过光纤环形器第二端22出射至单模光纤第一端。单模光纤第二端穿设槽口第一端端面8位于所述槽口9内；单模光纤第二端端面与槽口第二端端面7保持一个距离，单模光纤第二端端面与槽口第二端端面7之间形成法-珀腔，所述距离为法-珀腔腔长。所述连续光经单模光纤传输至所述法-珀腔，经槽口第二端端面7反射形成反射光。所述反射光经光纤环形器第三端23出射至采集处理模块。

单模光纤第二端端面为斜角端面，优选的，所述斜角为6度～10度。由于所述传感元件为树脂材质，通过3D打印制作而成，其槽口第二端端面不可避免的具有一定粗糙度，因而会造成槽口第二端端面反射率的下降。若单模光纤第二端端面在不设置一个倾角的情况下，其反射率会高于槽口第二端端面的反射率，因此影响所述反射光的光谱对比度，影响测量精度。光的反射率和交界面的角度有关，通过调控光纤端面的倾斜角度来调节单模光纤第二端端面的反射率，使得单模光纤第二端端面的反射率匹配槽口第二端端面的反射率，从而实现提高所述反射光的光谱对比度。

所述采集处理模块包含光电探测器和数据处理单元；所述光电探测器连接设置在光纤环形器第三端23和数据处理单元之间，光电探测器接收所述反射光并发送给数据处理单元；数据处理单元通过解调所述反射光，获得振动强度。

一种测量振动的方法，采用本发明所述的斜角端面光纤振动传感器实现的，包含步骤：

S1、窄线宽激光器发送连续光入射至光线环形器输入端，经光纤环形器第二端22出射至单模光纤，并由单模光纤传输至所述法-珀腔；

S2、U形槽口第二端端面7反射所述入射光并产生反射光，所述反射光经单模光纤传输至光纤环形器第二端22，并自光纤环形器第三端23出射至采集处理模块；

S2、外界的振动引发传感元件振动，通过所述槽口9减小了传感元件的抗弯刚度，使传感元件沿垂直于单模光纤第二端的方向产生微弯，从而引起法-珀腔长变化，造成反射光光强改变；

S3、采集处理模块接收并解调所述反射光，根据反射光强的变化获得振动强度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)制备工艺简单。本发明的传感元件通过3D打印制成。单模光纤第二端穿设传感元件的U形槽口第一端位于槽口9内，非常容易获得单模光纤第二端与槽口第二端端面7之间的法-珀腔。

2)通过槽口9的设计减小了传感元件的抗弯刚度，外界的振动引发传感元件沿垂直于单模光纤第二端的方向产生微弯，从而引起法-珀腔长变化。

3)通过单模光纤第二端的斜角结构，使得单模光纤第二端斜角端面的反射率匹配槽口第二端端面7反射率，实现提高反射光的光谱对比度，使反射光易于解调出振动信号，保证了测试的精度。

4)本发明中的传感元件可以批量制备，通过3D打印满足传感元件尺寸精细化需求，且一次打印可以实现多个传感元件，保证传感元件良好的一致性。

5)本发明的斜角端面光纤振动传感器具有体积小、质量轻、精度高、响应快、测量动态范围宽等优点。且本发明具有良好的抗电磁干扰、耐腐蚀性和不导电性，应用领域广泛。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种斜角端面光纤振动传感器，其特征在于，包含：窄线宽激光器、单模光纤、传感元件、采集处理模块；

所述窄线宽激光器，用于输出连续光；

单模光纤第一端连接窄线宽激光器；单模光纤第二端端面为斜角端面；

所述传感元件为圆柱体，且在圆柱体侧面开设U形槽口；所述槽口的轴向长度小于圆柱体的长度；单模光纤第二端穿设槽口第一端端面位于所述槽口内；单模光纤第二端端面与槽口第二端端面保持一个距离，单模光纤第二端端面与槽口第二端端面之间形成法-珀腔，所述距离为法-珀腔腔长；所述连续光经单模光纤传输至所述法-珀腔，经槽口第二端端面反射形成反射光；

所述采集处理模块连接单模光纤第一端，接收单模光纤传输的所述反射光，并根据接收的光强变化获得振动强度。

2.如权利要求1所述的斜角端面光纤振动传感器，其特征在于，还包含光纤环形器；光纤环形器第一端连接窄线宽激光器，光纤环形器第二端连接单模光纤第一端；光纤环形器第三端连接采集处理模块；所述连续光经过光纤环形器第二端出射至单模光纤第一端；所述反射光经光纤环形器第三端出射至采集处理模块。

3.如权利要求2所述的斜角端面光纤振动传感器，其特征在于，所述采集处理模块包含光电探测器和数据处理单元；所述光电探测器连接设置在光纤环形器第三端和数据处理单元之间，光电探测器接收所述反射光并发送给数据处理单元；数据处理单元通过解调所述反射光，获得振动强度。

4.如权利要求1所述的斜角端面光纤振动传感器，其特征在于，所述传感元件为树脂材质，通过3D打印制作而成。

5.一种测量振动的方法，采用如权利要求1至权利要求4任一所述的斜角端面光纤振动传感器实现的，其特征在于，包含步骤：

S1、窄线宽激光器发送连续光入射至光线环形器输入端，经光纤环形器第二端出射至单模光纤，并由单模光纤传输至所述法-珀腔；

S2、传感元件U形槽口的第二端端面反射所述入射光并产生反射光，所述反射光经单模光纤传输至光纤环形器第二端，并自光纤环形器第三端出射至采集处理模块；

S2、外界的振动引发传感元件振动，通过所述槽口减小了传感元件的抗弯刚度，使传感元件沿垂直于单模光纤第二端的方向产生微弯，从而引起法-珀腔长变化，造成反射光光强改变；

S3、采集处理模块接收并解调所述反射光，根据反射光强的变化获得振动强度。