CN110514287A - 基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器 - Google Patents

基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器 Download PDF

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沈志平
陈彧芳
陈乾
张祖兴
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Abstract

本发明公开了一种基于单模‑少模光纤耦合器的振动传感器，单模‑少模光纤耦合器包括第一单模光纤臂、第二单模光纤臂、第一少模光纤臂、第二少模光纤臂以及熔锥区和耦合区。在第一单模光纤臂加载振动信号，光纤主轴产生周期性波动，使得输入光的偏振态发生改变。通过对该振动传感器输出振动频率和幅值变化的监测，利用频谱分析仪监测该传感器输出功率的变化，有效地测试加载振动信号的幅值大小，实现宽频率范围振动信号的动态实时检测；也可实现多频复杂信号的同时检测。本发明利用单模‑少模光纤耦合器的偏振敏感特性实时检测并解调加载于单模光纤臂上的宽频率范围振动信号，具有灵敏度高、线性度好、稳定性好、频率动态响应范围大、结构紧凑制作成本低等优点。

Description

基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器。
背景技术
光纤振动传感器在多区域结构安全监测中成为研究热点。主要包括油气管道、煤矿、电力、建筑物、隧道、大坝等众多基础领域，对即将发生的机械结构、基础设施的异常情况或事故进行预警，以避免人员伤亡，并提供维护和维修建议，同时可有效降低由地震、海啸等自然灾害带来的损失。
目前振动测量方法主要有机械式、电测式、光学式三种测量。机械式测量方法主要利用杠杆原理，直接记录放大的振动量。该方法抗干扰能力强，但频率测量范围窄、精度低，仅适用于低频、大幅度测量。压电式是将施加的振动参量转换为电信号，利用电测试仪表进行测量。该方法灵敏度高，但是易受电磁干扰，稳定性差。光学式测量方法是将施加的振动参量转换为光信号，抗电磁干扰，同时频率响应范围广、精度高。近年来，光纤振动传感器凭借结构紧凑、灵敏度高和稳定性好、频率响应范围大、制作成本低等优点得以迅速发展。
基于光纤的振动传感器主要有：光纤布拉格光栅振动传感器，体积大、难于集成且制作成本高；基于马赫增德尔干涉仪的光纤振动传感器，制作复杂且作用波长有限；基于后向瑞利散射的分布式光纤振动传感器具有较高的空间分辨率以及灵敏度，但是其电路调制系统复杂、成本相对较高。因此，研究并实现一种灵敏度高、线性度和稳定性好、频率响应范围大、结构紧凑、制作成本低、结构简单、应用环境丰富的光纤振动传感器在目前仍然具有较高的研究与应用价值。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器，可实现宽域高线性度的振动传感器。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种单模-少模光纤耦合器，包括第一单模光纤臂、第二单模光纤臂、第一少模光纤臂、第二少模光纤臂；第一单模光纤臂和第一少模光纤臂一端熔融拉锥形成第一融锥区，第二单模光纤臂和第二少模光纤臂一端熔融拉锥形成第二融锥区，第一融锥区和第二融锥区通过耦合区连接。
进一步地，融锥区为锥形结构。
一种基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器，包括压电陶瓷、函数信号发生器、单模-少模光纤耦合器；所述单模-少模光纤耦合器包括第一单模光纤臂、第二单模光纤臂、第一少模光纤臂、第二少模光纤臂；第一单模光纤臂和第一少模光纤臂一端熔融拉锥形成第一融锥区，第二单模光纤臂和第二少模光纤臂一端熔融拉锥形成第二融锥区，第一融锥区和第二融锥区通过耦合区连接；第一单模光纤臂缠绕于压电陶瓷上，函数信号发生器驱动压电陶瓷，压电陶瓷对第一单模光纤臂施加振动信号。
一种基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器测试装置，包括窄带激光器、偏振控制器、压电陶瓷、函数信号发生器、单模-少模光纤耦合器、光电探测器、频谱分析仪；所述单模-少模光纤耦合器包括第一单模光纤臂、第二单模光纤臂、第一少模光纤臂、第二少模光纤臂；第一单模光纤臂和第一少模光纤臂一端熔融拉锥形成第一融锥区，第二单模光纤臂和第二少模光纤臂一端熔融拉锥形成第二融锥区，第一融锥区和第二融锥区通过耦合区连接；第一单模光纤臂缠绕于压电陶瓷上，函数信号发生器驱动压电陶瓷，压电陶瓷对第一单模光纤臂施加振动信号；窄带激光器连接偏振控制器后，再与第一单模光纤臂相连，第二单模光纤臂和第二少模光纤臂均依次连接有光电探测器、频谱分析仪，检测输出端振动信号的振动频率和输出功率。
进一步地，连接方式均为光纤熔接。
有益效果：本发明基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器，单模-少模光纤耦合器的干涉信号均匀性好、对比度高，有利于解调出振动信号。
本发明基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器，采用窄带光作为传感器的入射光，可有效避免宽带光源功率不稳定的影响，减少噪声干扰。
本发明基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器，将振动信号加载在单模-少模光纤耦合器的第一单模光纤臂端，不改变耦合区长度与涉及到的模式干涉成分，改变输入光的偏振态，使得在不同偏振态下传感器两输出端口的输出功率发生波动，实现对频率范围为Hz～MHz的振动信号的宽域实时检测。
本发明基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器，对瞬态(阻尼)微振动信号的检测具有极高的响应度和线性度。通过测得该传感器输出功率大小的变化，或输出信号电压幅值大小的变化情况，有效地估计加载振动信号的幅值大小。
本发明基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器，在其第一单模光纤臂上加载振动信号，在其两个输出端可同时监测到振动频率、输出功率幅值以及时域信号幅值大小。同时检测到，第二少模输出端的高阶模斑在强度与偏振态上不会发生明显变化，其归一化强度变化范围为±0.021，稳定性好。
本发明基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器，可以实现双频或多频振动信号的同时监测。相比于单频信号的测量，多频信号之间存在复杂的相互作用，会产生较多的干扰谐波。但该振动传感器双频检测的基频幅值远高于谐波幅值，振动信号实现无畸变输出；同时不会降低输出信号的信噪比，其最高可达到105dB。
本发明基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器，器件长度在cm级别，具有较好的结构紧凑性；输出信号中谐波分量少，无损复原加载振动信号，具有较高的稳定性；该振动传感加载振动信号频率与测量的振动信号频率完全对应，灵敏度高，线性度接近于1；测量输出信号的信噪比最高可达到105dB以上，性能好。
附图说明
图1是单模-少模光纤耦合器结构示意图；
图2是基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器测试装置示意图；
图3a是基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器施加高频振动信号下的输出功率谱图；图3b是外部加载振动信号频率与实际测量的振动频率关系曲线图；
图4a是基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器施加瞬态微振动信号下的时域信号图；图4b是该时域信号图相对应的频谱图；
图5是振动传感器在特定频率不同驱动电压下振动信号的响应示意图；
图6a是振动传感器在固定振动频率80kHz下施加不同驱动电压所获得的时域信号图；图6b是振动传感器对不同驱动电压下振动信号的响应示意图；
图7a是施加振动信号频率在0～100kHz，振动传感器测得的第二少模光纤输出端的高阶模光斑示意图；图7b是加载不同频率的振动信号下光斑的强度变化曲线关系图；
图8是对振动传感器输入端同时施加两个不同频率的振动信号，在第二单模光纤臂端获得的相应振动输出信号功率谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的单模-少模光纤耦合器，包括第一单模光纤臂5-1、第二单模光纤臂5-5、第一少模光纤臂5-7、第二少模光纤臂5-6；第一单模光纤臂5-1和第一少模光纤臂5-7一端熔融拉锥形成第一熔锥区5-2，第二单模光纤臂5-5和第二少模光纤臂5-6一端熔融拉锥形成第二熔锥区5-4，第一熔锥区5-2和第二熔锥区5-4通过耦合区5-3连接。熔锥区同时含有单模光纤与少模光纤，为锥形结构。熔锥区和耦合区构成熔融部分。
单模-少模光纤耦合器在制备过程中，利用“冷修正”调整预拉好的单模光纤与少模光纤之间间距并同时向两边缓慢熔融拉伸，使光纤几何外形不发生改变，保证基模光场以较强倏逝场形式存在于空气介质中，同时仍然以较多的能量集中在纤芯中。
实现最佳熔融耦合拉锥，两根光纤直径大小满足一定比例关系，耦合区长度足够长，单模光纤中的基模LP01和少模光纤中的高阶模LP11满足相位匹配条件实现模式转换。
本发明针对现有技术在实现光纤振动传感存在的灵敏度低、频率响应范围小、线性度低、制作复杂、造价昂贵等缺点，提出一种基于单模-少模光纤耦合器的宽域高线性度振动传感器，具有结构紧凑、线性度好、灵敏度高、稳定性高、频率动态响应范围大丰富等优点，在油气管道、煤矿、电力、建筑物、隧道、大坝等众多基础领域具有潜在的应用价值。
基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器，包括压电陶瓷(piezoelectricceramic transducer，PZT)3、函数信号发生器4、单模-少模光纤耦合器5；第一单模光纤臂5-1缠绕于压电陶瓷PZT3上，函数信号发生器4驱动压电陶瓷3，压电陶瓷3对第一单模光纤臂5-1施加振动信号。
本发明将第一单模光纤臂缠绕在PZT上，驱动PZT振动第一单模光纤臂实现振动信号的加载。在第一单模光纤臂加载振动信号，光纤主轴产生周期性波动，使得输入光的偏振态发生改变，x偏振与y偏振基模的功率比发生改变，耦合器两个输出端口的输出功率发生波动，实现对频率范围为Hz～MHz的振动信号的宽域实时检测，同时该传感器对瞬态微振动信号的检测具有极高的响应度和线性度。
如图2所示，本发明的基于单模-少模光纤耦合器的宽域高线性度振动传感器测试装置包括：窄带激光器1、偏振控制器2、压电陶瓷3、函数信号发生器4、单模-少模光纤耦合器5、光电探测器6、频谱分析仪7。该振动光纤传感器的解调方法采用强度解调。
窄带激光器1连接偏振控制器2后，再与第一单模光纤臂5-1相连，同时第一单模光纤臂中一部分光纤缠绕在PZT上，利用函数信号发生器驱动PZT，PZT对第一单模光纤臂施加振动信号；第二单模光纤臂、第二少模光纤臂端依次连接光电探测器、频谱分析仪，实时监测两输出端振动信号功率以及频率变化。该振动光纤传感器的连接方式均为光纤熔接。
窄带激光器1用于获得特定波长、高度相干的连续激光输出；偏振控制器2用于控制入射光的偏振态；压电陶瓷3提供连续的动态应变，使第一单模光纤臂周期性的收缩、伸张，模拟并加载振动信号；函数信号发生器4加载一定电压的交流信号，驱动压电陶瓷PZT。
光电探测器6接收振动传感器的输出信号，将光信号转换为电信号输出；频谱分析仪7接收光电探测器的输出电信号，并对该信号输出信息实时监测，记录振动频率与输出功率大小。
该传感器输出频率的变化与驱动PZT的振动信号的频率大小相对应，实现宽频率范围振动信号的动态、实时检测；也可实现多频复杂信号的同时检测。为模拟瞬态微振动信号的加载，利用手指触碰代替PZT驱动，在第二单模光纤臂端可测得相应的时域信号变化情况以及施加的振动频率大小，可实现瞬态微振动信号的动态、实时监测。当对第一单模光纤臂端同时加载不同频率的振动信号时，在输出端可以同时检测出这两种振动信号，实现两种或多种复杂振动信号的同时、实时监测。
图3(a)为基于单模-少模光纤耦合器的宽域高线性度偏振振动传感器，实验测得施加高频振动信号下(1MHz～24MHz)的输出功率谱图；(b)为外部加载振动信号频率与实际测量的振动频率关系曲线图；当在传感结构上施加振动信号，波长在1250nm～1650nm范围的输出干涉谱强度发生周期性的变化。实验中采用波长为1550nm、输出功率为1mW的窄带激光器作为光源。由于该传感结构中的传输光功率对入射光偏振态敏感，光电探测器的输出信号波动将反映由振动引起的功率变化，通过频谱分析仪实时监控，记录振动频率。频率范围从1Hz到24MHz的振动频率是可明显检测的。在实时振动监测实验中，10MHz～24MHz的功率频谱如图3(a)所示。从图中可以看出，该振动传感器测得的基频频率与实际加载振动信号的频率相互对应，且无其他谐波干扰，可以精确反映加载的振动信号。基频信号的信噪比在20MHz时为70dB，实验测得，当施加振动信号频率在80kHz时，信噪比可达到92dB。图3(b)中由8个随机加载振动信号频率的传感响应，呈现为一条线性曲线，信号实时监测的分辨率可达1Hz。该振动传感器可以监测Hz～MHz的振动信号，频率动态响应范围大、灵敏度高，线性度好。
为监测该振动传感器瞬态微振动信号的反应，利用手指触摸该传感结构的入射端。如果该传感器灵敏度足够高时，当手指触发传感单元，其输出光信号幅值会呈现一种阻尼振荡。图4(a)为在手指触发传感单元下测得的输出时域信号图。从图中可以看出，当加载瞬态微振动信号后，随着时间的推移，振动信号强度逐渐降低并趋于平稳(原始信号)，即振动信号逐渐衰弱。振动信号强度的降低与信号的逐渐衰弱反映整个阻尼过程。图4(b)为与施加的瞬态微振动信号相对应的频谱图。从图中可以看出，基频为27Hz。经反复实验得出，利用手指触发相应的阻尼振动，其频率约为27Hz左右，可知经过FFT后解调的阻尼振动频率可反映传感装置的振动特性
图5是该振动传感器在特定频率不同驱动电压幅值振动下的响应。振动频率为50kHz，驱动电压从1V升至20V，间隔1V，产生不同幅度的振动。从图中可以看出，随着施加振动信号电压逐渐增大，输出信号功率谱幅值逐渐增大。由于该传感器在较大的驱动电压下，入射光的偏振态发生较大变化，导致输出功率受到较大的调制。故可通过该振动传感器输出功率谱幅值估测加载振动信号幅值的大小。
图6(a)是该振动传感器在固定振动频率80kHz下施加不同驱动电压(1V～10V)所获得的时域信号图；(b)是该振动传感器对不同驱动电压幅值的响应；从图中可以看出，获得的时域信号呈现正弦趋势，与施加的正弦电压信号相对应，而且随着驱动电压逐渐增大，时域信号幅值逐渐增大；图(b)是时域信号幅值与施加振动信号电压大小的曲线关系图。从图中可以看出，该传感器时域信号的幅值与驱动信号的电压值成线性关系，线性度达到0.999，可通过该传感器的输出电压幅值估计加载振动信号振动幅值的大小。
图7(a)是施加振动信号频率范围在0～100kHz，该振动传感器测得的第二少模输出端的高阶模光斑LP11模；(b)为加载不同频率的振动信号下，该光斑的强度变化曲线关系图。从图中可以看出，随着施加振动信号频率逐渐增大，LP11模的偏振态与光强变化不明显，归一化光强变化范围在±0.021。由于振动信号加载改变入射光的偏振态，并不影响耦合区长度与涉及到的模式干涉成分，单模光纤中的基模LP01和少模光纤中的高阶模LP11模依旧满足相位匹配条件实现模式转换，故LP11模偏振态和其强度变化较小稳定性好。
图8是对该振动传感器输入端同时施加两个不同频率的振动信号，在第二单模光纤臂端获得的相应振动输出信号功率谱图，光源入射功率为500μW，施加振动信号电压为6V。(a)～(d)分别为同时施加振动频率分别为20kH和80.4kHz、50kHz和20kHz、50kHz和6.3kHz、50kHz和62.4kHz时测得的输出功率谱图，从图中可以看出，输出振动频率与加载振动频率完全对应，即输出频谱信号可以完全反映同时加载的振动信号的振动频率。与施加单频振动信号实验结果相比，由于多频信号之间存在复杂的相互作用，施加双频振动信号输出含有较多的干扰谐波，但却不会影响输出信号的信噪比，在振动频率为80.4kHz时其信噪比达到105dB。实验结果得出，该振动传感器不仅可以实现单频振动的监测，也可以实现多频振动信号的同时监测。

Claims (5)

1.一种单模-少模光纤耦合器，其特征在于，包括第一单模光纤臂(5-1)、第二单模光纤臂(5-5)、第一少模光纤臂(5-7)、第二少模光纤臂(5-6)；第一单模光纤臂(5-1)和第一少模光纤臂(5-7)一端熔融拉锥形成第一融锥区(5-2)，第二单模光纤臂(5-5)和第二少模光纤臂(5-6)一端熔融拉锥形成第二融锥区(5-4)，第一融锥区(5-2)和第二融锥区(5-4)通过耦合区(5-3)连接。
2.根据权利要求1所述的单模-少模光纤耦合器，其特征在于，融锥区为锥形结构。
3.一种基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器，其特征在于，包括压电陶瓷(3)、函数信号发生器(4)、单模-少模光纤耦合器(5)；
所述单模-少模光纤耦合器包括第一单模光纤臂(5-1)、第二单模光纤臂(5-5)、第一少模光纤臂(5-7)、第二少模光纤臂(5-6)；第一单模光纤臂(5-1)和第一少模光纤臂(5-7)一端熔融拉锥形成第一融锥区(5-2)，第二单模光纤臂(5-5)和第二少模光纤臂(5-6)一端熔融拉锥形成第二融锥区(5-4)，第一融锥区(5-2)和第二融锥区(5-4)通过耦合区(5-3)连接；
第一单模光纤臂(5-1)缠绕于压电陶瓷(3)上，函数信号发生器(4)驱动压电陶瓷(3)，压电陶瓷(3)对第一单模光纤臂(5-1)施加振动信号。
4.一种基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器测试装置，其特征在于，包括窄带激光器(1)、偏振控制器(2)、压电陶瓷(3)、函数信号发生器(4)、单模-少模光纤耦合器(5)、光电探测器(6)、频谱分析仪(7)；
所述单模-少模光纤耦合器包括第一单模光纤臂(5-1)、第二单模光纤臂(5-5)、第一少模光纤臂(5-7)、第二少模光纤臂(5-6)；第一单模光纤臂(5-1)和第一少模光纤臂(5-7)一端熔融拉锥形成第一融锥区(5-2)，第二单模光纤臂(5-5)和第二少模光纤臂(5-6)一端熔融拉锥形成第二融锥区(5-4)，第一融锥区(5-2)和第二融锥区(5-4)通过耦合区(5-3)连接；
第一单模光纤臂(5-1)缠绕于压电陶瓷(3)上，函数信号发生器(4)驱动压电陶瓷(3)，压电陶瓷(3)对第一单模光纤臂(5-1)施加振动信号；
窄带激光器(1)连接偏振控制器(2)后，再与第一单模光纤臂(5-1)相连，第二单模光纤臂和第二少模光纤臂均依次连接有光电探测器(6)、频谱分析仪(7)，检测输出端振动信号的振动频率和输出功率。
5.根据权利要求4所述的基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器测试装置，其特征在于，连接方式均为光纤熔接。
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