CN110207807A - 一种光纤振动传感器及其测量振动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤振动传感器，包括：窄线宽激光器、光纤环形器、单模光纤、光纤连接头、套筒、采集处理模块。光纤环形器分别连接窄线宽激光器、单模光纤第一端和采集处理模块。单模光纤第二端穿设光纤连接头。光纤连接头第二端嵌入设置在套筒的第一端。套筒第二端端面设有悬臂梁,单模光纤第二端与悬臂梁之间形成法‑珀腔。悬臂梁感受外力产生振动，引起法‑珀腔长变化。窄线宽激光器输出的连续光经光纤环形器、单模光纤进入法‑珀腔。悬臂梁反射所述连续光并产生反射光，反射光光强随法‑珀腔长变化。所述反射光经单模光纤、光纤连接头传输至采集处理模块。采集处理模块根据反射光光强获取振动强度。本发明测量精度高，制备工艺简单。

Description

一种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。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。

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。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光纤振动器传感器及其测量振动的方法。本发明的光纤振动传感器通过在光纤一端套设一个3D打印的套筒，并在套筒端面设置悬臂梁，使得插入套筒的光纤与悬臂梁之间容易获得一个法-珀腔。外界的振动使得悬臂梁震动因而改变法-珀腔长。窄线宽激光器输出的连续光经单模光纤入射至该法-珀腔，并经悬臂梁内侧面反射生成反射光，采集处理模块接收并解调所述反射光获得振动信号。3D打印保证了套筒结构的一致性和悬臂梁反射面的平整度。使得反射光有明显的干涉条纹，易于解调出振动信号，保证了本发明的传感器的测量精度。

为了达到上述目的，本发明提供一种光纤振动传感器，包含：窄线宽激光器、单模光纤、光纤连接头、套筒、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，传输所述连续光；

所述光纤连接头具有圆柱形结构；单模光纤第二端依序穿设光纤连接头第一端端面、光纤连接头第二端端面，固定连接光纤连接头；

所述套筒，其具有两端开口的圆筒形结构，套筒第一端固定套设在光纤连接头第二端，套筒第一段内径匹配光纤连接头外径；套筒第二端端面设有与套筒中心轴垂直的悬梁臂；所述悬臂梁感受外力产生振动；悬臂梁内侧面与光纤连接头第二端端面相对且保持一个距离；悬臂梁内侧面与单模光纤第二端端面之间形成法-珀腔；所述连续光经悬臂梁内侧面反射后产生反射光；

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。

套筒第二端内径小于套筒第一端内径。

所述悬臂梁的长度大于套筒半径且小于套筒直径；套筒的中心轴穿设所述悬臂梁，且悬臂梁不封堵套筒第二端。

单模光纤第二端端面与光纤连接头第二端端面平齐。

所述光纤连接头为商用标准的陶瓷插芯或石英插芯。

所述套筒为树脂材质，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、悬臂梁内侧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；

S3、外界的振动引发悬臂梁沿套筒轴向振动，引起法-珀腔长变化，造成反射光光强改变；

S4、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。本发明的套筒及悬臂梁通过3D打印制成。通过使套筒第一端内径匹配光纤连接头外径，光纤连接头第二端嵌入设置在套筒第一端内，实现一体化固定套筒、光纤连接头和光纤；通过套筒第二端内径小于光纤连接头外径，使得悬臂梁与光纤连接头第二端之间保持一个距离，非常容易获得悬臂梁和光纤连接头第二端之间的法-珀腔。

2)本发明中的套筒可以批量制备，通过3D打印满足套筒尺寸精细化需求，保证了悬臂梁内侧面(即悬臂梁反射面)的平整度，使得反射光有明显的干涉条纹，易于解调出振动信号。且一次打印可以实现多个套筒，保证套筒良好的一致性。

3)本发明的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为本发明的光纤传感器示意图；

图2为本发明的套筒连接光纤连接头侧视图；

图3为本发明的第一个应用实施例中套筒第二端正视图；

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、光纤连接头；5、套筒；6、光电探测器；7、数据处理单元；8、悬臂梁。

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。

本发明提供一种光纤振动传感器，如图1所示，包含：窄线宽激光器1、单模光纤3、光纤连接头4、套筒5、采集处理模块、光纤环形器2。

所述光纤环形器第一端21连接窄线宽激光器1，所述窄线宽激光器1用于输出连续光；光纤环形器第二端22连接单模光纤第一端，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；光纤环形器第三端23连接采集处理模块。

所述光纤连接头4具有圆柱形结构，单模光纤第二端依序穿设光纤连接头第一端端面、光纤连接头第二端端面，固定连接光纤连接头4。单模光纤第二端端面与光纤连接头第二端端面平齐。优选的，所述光纤连接头4为商用标准的陶瓷插芯或石英插芯。

如图1、图2所示，所述套筒5，其具有两端开口的圆筒形结构。套筒5为树脂材质，通过3D打印制作而成。套筒第一端固定套设在光纤连接头第二端，套筒第一端内径匹配光纤连接头外径；套筒第二端内径小于套筒第一端内径。

套筒第二端端面设有与套筒中心轴垂直的悬梁臂，所述悬臂梁8感受外力产生振动。悬臂梁内侧面与光纤连接头第二端端面相对且保持一个距离，悬臂梁内侧面与单模光纤第二端端面之间形成法-珀腔。悬臂梁8的长度大于套筒半径且小于套筒直径；套筒5的中心轴穿设所述悬臂梁8，且悬臂梁8不封堵套筒第二端。所述连续光经过单模光纤3传输至所述法-珀腔后，经悬臂梁内侧面反射后产生反射光，悬臂梁内侧面即为输入光的反射面。当悬臂梁8感受外界振动沿套筒轴向产生振动时，法珀腔长L发生变化，从而引起反射光强度的变化。如图3所示，在本发明的第一个应用实施例中，所述悬臂梁8为矩形。

所述反射光经光纤环形器第三端23出射至采集处理模块。所述采集处理模块包含光电探测器6和数据处理单元7；所述光电探测器6连接设置在光纤环形器第三端23和数据处理单元7之间，光电探测器6接收所述反射光并发送给数据处理单元7；数据处理单元7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、悬臂梁内侧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22，并自光纤环形器第三端23出射至采集处理模块；

S3、外界的振动引发悬臂梁沿套筒轴向振动，引起法-珀腔长变化，造成反射光光强改变；

S4、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。本发明的套筒5及悬臂梁8通过3D打印制成。通过使套筒第一端内径匹配光纤连接头外径，光纤连接头第二端嵌入设置在套筒第一端内，实现一体化固定套筒5、光纤连接头4和光纤；通过套筒第二端内径小于光纤连接头外径，使得悬臂梁8与光纤连接头第二端之间保持一个距离，非常容易获得悬臂梁8和光纤连接头第二端之间的法-珀腔。

2)本发明中的套筒5可以批量制备，通过3D打印满足套筒5尺寸精细化需求，保证了悬臂梁内侧面(即悬臂梁反射面)的平整度，使得反射光有明显的干涉条纹，易于解调出振动信号。且一次打印可以实现多个套筒5，保证套筒5良好的一致性。

3)本发明的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 (9)

1.一种光纤振动传感器，其特征在于，包含：窄线宽激光器、单模光纤、光纤连接头、套筒、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，传输所述连续光；

所述光纤连接头具有圆柱形结构；单模光纤第二端依序穿设光纤连接头第一端端面、光纤连接头第二端端面，固定连接光纤连接头；

所述套筒，其具有两端开口的圆筒形结构，套筒第一端固定套设在光纤连接头第二端，套筒第一段内径匹配光纤连接头外径；套筒第二端端面设有与套筒中心轴垂直的悬梁臂；所述悬臂梁感受外力产生振动；悬臂梁内侧面与光纤连接头第二端端面相对且保持一个距离；悬臂梁内侧面与单模光纤第二端端面之间形成法-珀腔；所述连续光经悬臂梁内侧面反射后产生反射光；

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所述的光纤振动传感器，其特征在于，套筒第二端内径小于套筒第一端内径。

5.如权利要求1所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述悬臂梁的长度大于套筒半径且小于套筒直径；套筒的中心轴穿设所述悬臂梁，且悬臂梁不封堵套筒第二端。

6.如权利要求1所述的光纤振动传感器，其特征在于，单模光纤第二端端面与光纤连接头第二端端面平齐。

7.如权利要求1所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述光纤连接头为商用标准的陶瓷插芯或石英插芯。

8.如权利要求1所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述套筒为树脂材质，通过3D打印制作而成。

9.一种测量振动的方法，采用如权利要求1至权利要求8任一所述的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、悬臂梁内侧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；

S3、外界的振动引发悬臂梁沿套筒轴向振动，引起法-珀腔长变化，造成反射光光强改变；

S4、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。