CN110646083B - 光纤震动传感探头、及其安装方法和光纤震动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤震动传感探头、及其安装方法和光纤震动传感器。所述光纤震动传感探头包括：壳体，包含有一阻尼液；插芯，插置于所述壳体内；固定装置，设置于所述壳体上，并固定所述插芯；干涉仪，设置于所述壳体内，并插接于所述插芯内；其中，所述干涉仪包括至少一光纤，所述光纤的一部分具有中空结构，所述中空结构是位于所述光纤的两端之间。包含本发明提供的光纤震动传感探头的光纤震动传感器，对温度不敏感，工作稳定，测量精度高。

Description

光纤震动传感探头、及其安装方法和光纤震动传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别是涉及一种光纤震动传感探头、及其安装方法和光纤震动传感器。

背景技术

震动测量在许多领域得到广泛应用，如大型结构工程、机器设备健康监测，入侵者探测，矿山微震监测，地震预警和油气勘测等。相较于传统电学加速度计，光纤震动传感器具有特殊的优点，如抗电磁干扰、恶劣环境中健壮性强、结构紧凑、本征安全、可以遥测和大规模组网等，而受到越来越多的科研工作者的兴趣，并提出了不同种类的光纤震动传感器，目前光纤震动传感器主要有强度调制型、光纤光栅型、模间干涉型和双光束干涉型。

然而目前强度调制型光纤震动传感器，虽然结构简单，但是测量精度差。光纤光栅型震动传感器，目前已有产品进入商用阶段，但关键技术指标如工作频带、分辨率等较差。模间干涉型光纤震动传感器，结构简单，成本低廉，但测量精度差。双光束干涉型光纤震动传感器，虽然灵敏度高，但通常需要复杂的解调电路系统，成本高，此外，光纤光栅型、模间干涉型和双光束干涉型光纤震动传感器均对外界温度扰动敏感，温度稳定性差，其会对有效信号产生串扰。因此，提供一种温度不敏感、结构简单小巧、成本低、测量精度高的光纤震动传感器十分重要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光纤震动传感探头。所述光纤震动传感探头采用具有一部分中空结构的光纤的干涉仪，在运用到纤震动传感器时，所述纤震动传感器通过检测所述干涉仪的相位变化以拾取震动信号，灵敏度高，工作频率带宽和灵敏度可调，此外，所述光纤震动传感器稳定性好，对温度不敏感，制作工艺简单、结构小巧、成本低。

本发明的另一个目的在于提供一种包含如上所述光纤震动传感探头的安装方法。

本发明的另一个目的在于提供一种包含如上所述光纤震动传感探头的光线震动传感器。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供了一种光纤震动传感探头，所述光纤震动传感探头包括，壳体，包含有一阻尼液；插芯，插置于所述壳体内；固定装置，设置于所述壳体上，并固定所述插芯；干涉仪，设置于所述壳体内，并插接于所述插芯；其中，所述干涉仪包括至少一光纤，所述光纤的一部分具有中空结构，所述中空结构是位于所述光纤的两端之间。

在本发明公开的一具体实施方式中，所述干涉仪包括：第一光纤、第二光纤、以及第三光纤；所述第二光纤具有中空结构，位于所述第一光纤和第二光纤的之间。

在本发明公开的一具体实施方式中，所述第一光纤为单模光纤。

在本发明公开的一具体实施方式中，所述第二光纤为空心光子晶体光纤。

在本发明公开的一具体实施方式中，所述第三光纤选自所述单模光纤、多模光纤、保偏光纤，以及无芯光纤中的任意一种。

在本发明公开的一具体实施方式中，所述第三光纤的末端面为粗糙面，并插接于所述插芯。

在本发明公开的一具体实施方式中，所述固定装置包括，法兰盘，设置于所述壳体上；接头，设置于所述法兰盘上；其中，所述固定装置通过粘合剂密封所述光纤震动传感探头。

本发明公开了一种光纤震动传感探头的安装方法，所述安装方法包括，提供一干涉仪；将所述干涉仪插接于一插芯内，得到一插接有干涉仪的插芯；将所述插接有干涉仪的插芯固定于所述固定装置内，并密封；将所述固定装置固定于一壳体上，使所述插接有干涉仪的插芯插置于所述壳体内，制备所述光纤震动传感探头；其中，所述干涉仪包括至少一光纤，所述光纤的一部分具有中空结构，所述中空结构是位于所述光纤的两端之间。

本发明还公开了一种光纤震动传感器，所述光纤震动传感器包括，光源；光纤震动传感探头，用于获取所述光源的相位变化，并输出光信号；光纤环形器，连接于所述光纤震动传感探头，用于将所述光源输送至所述光纤震动传感探头；信号传输光缆，连接于所述光纤震动传感探头，用于输送光信号；解调电路，连接于所述信号传输光缆，用于采集所述光信号，并输出电信号；信号采集与处理装置，连接于所述解调电路，用于采集所述电信号，并进行数据处理以拾取微震动信号；其中，所述光纤震动传感探头包括，壳体，包含有一阻尼液；插芯，插置于所述壳体内；固定装置，设置于所述壳体上，并固定所述插芯；干涉仪，设置于所述壳体内，并插接于所述插芯；所述干涉仪包括至少一光纤，所述光纤的一部分具有中空结构，所述中空结构是位于所述光纤的两端之间。

在本发明公开的一具体实施方式中，所述解调电路包括光电探测器。

如上所述，本发明提供了一种光纤震动传感探头、及其安装方法和光纤震动传感器。所述光纤震动传感探头中采用具有一部分中空结构的光纤的干涉仪，运用到光纤震动传感器进行震动测量作业时，所述光纤震动传感器具有制作工艺简单、外形小巧、对温度不敏感、正交工作点不漂移，工作稳定，解调和信号处理方案简单，此外，本发明提供的光纤震动传感器通过检测相位变化拾取震动信号，测量方法简单，具有的本征安全、抗电磁干扰、耐高温高压等优点；此外根据本发明提供的光纤震动传感器，工作频率带宽和灵敏度可以根据光纤长度来进行灵活调整，适用于多种实际应用场景。

附图说明

图1为本发明公开的光纤震动传感探头一具体实施方式的结构示意图。

图2为光纤震动传感探头中的干涉仪的一具体实施方式的结构示意图。

图3为干涉仪中具有中空结构的光纤的一具体实施方式的光学显微镜图。

图4为本发明公开的光纤震动传感器一具体实施方式的结构示意图

图5为本发明公开的光纤震动传感器在20-120℃温度区间内的响应光谱曲线。

图6为图5中所示光纤震动传感器光谱对温度的线性响应和线性拟合曲线。

图7为光纤震动传感器加速度灵敏度和分辨率在不同频率点的响应曲线。

图8为光纤震动传感器在1KHz处输出信号电压幅值对加速度幅值的响应和线性拟合曲线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图8，对本发明提供的所述光纤震动传感探头及光纤震动传感器进行详细的阐述。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，本发明提供了一种光纤震动传感探头1，所述光纤震动传感探头1包括：壳体101、插芯102、固定装置103，以及干涉仪104。

请接着参阅图1，所述壳体101为具有足够的强度和刚度的壳体，具有容纳空间，所述箱体1例如可以为铸钢壳体，然不限于此，所述箱体1也可以为其他的材料，例如塑胶箱体。需要注意的是，所述壳体101为充满阻尼液的壳体，用于降低低频噪声扰动，保证测量稳定性，所述阻尼液的材料没有特别的限定，例如可以采用硅油、乙二醇以及丙三醇中的任意一种。

请接着参阅图1，所述插芯102插值于所述壳体101内，所述插芯102例如为陶瓷插芯。

请接着参阅图1，所述固定装置103设置于所述壳体101上，并固定所述插芯102，具体的，在本发明公开一具体实施方式中，所述固定装置103包括法兰盘103a和接头103b，所述法兰盘103a设置于所述壳体101上，进一步地，所述法兰盘103a通过螺丝、粘合剂例如紫外固化胶、密封胶，和壳体101固定。所述接头103b设置于所述法兰盘103a上，进一步地，所述接头103b通过螺帽、粘合剂例如紫外固化胶、密封胶，和所述法兰盘103a固定，所述接头103b用于装入所述插芯102，使得所述插芯102插置于所述壳体101内。需要注意的是，在本发明公开的一具体实施方式中，所述壳体101、法兰盘103a和接头103b，同心且通过螺纹和螺纹胶连接形成一密闭腔体10。

请参阅图1和图2，所述干涉104设置于所述壳体101内，并插接于所述插芯102，所述干涉仪104为包括至少一光纤，所述光纤的一部分具有中空结构，所述中空结构是位于所述光纤的两端之间的干涉仪，例如为包括至少一光纤，所述光纤的一部分具有中空结构，所述中空结构是位于所述光纤的两端之间的法布里－珀罗干涉仪，利用光纤端面弱反射形成干涉，调制入射光源的相位信息，经过光电转换以及数据处理后，以拾取震动信号。

请参阅图2，所述干涉仪104包括第一光纤104a、第二光纤104b、以及第三光纤104c；所述第二光纤104b具有中空结构，位于所述第一光纤104a和第二光纤104c的之间。

请接着参阅图2，所述第一光纤104a连接，例如熔接于所述第二光纤104b的一端，在本发明公开一具体实施方式中，所述第一光纤104b为单模光纤，用于接收入射光源，所述入射光源在所述第一光纤104a在端面形成端面反射光，然后进入所述第二光纤104b。

请接着参阅图2和图3，所述第二光纤104b为具有中空结构的光纤，图3示出了其中空结构光纤的光学显微镜图，所述中空结构由规则排列微结构的聚合物光子晶体包层，例如二氧化硅微毛细包层，外层、以及空气导光芯组成。所述中空结构的光纤的间距Λ是聚合物光子晶体包层中的孔的中心之间的距离，间距Λ在3-5微米之间，例如，3.8微米、4.2微米、4.5微米。空气导光芯直径为5～15微米，8微米、10微米、12微米。在本发明公开的一具体实施方式中，所述第二光纤104b例如可以采用空心光子晶体光纤，空气导光芯直径为10微米，中空结构间距Λ为3.8微米，温度不敏感且弯曲损耗可以忽略不计。当所述来自第一光纤104a的入射光201进入第二光纤104b时，在104a端面产生所述反射光202，透射光经过第二光纤104b的空气腔，在第三光纤104c端面产生所述反射光203，再经过第一光纤104a传输所述出射光204。

请接着参阅图2，所述第三光纤104c连接，例如熔接于所述第二光纤104b的另一端，并插接于所述插芯102内，例如将所述第三光纤104c的末端端面处理为粗糙面或8度角，防止入射光源201在104c另一端产生反射光，插入所述插芯102内，并通过粘合剂，例如紫外固化胶固定，提高密封性能。需要说明的是，所述第三光纤104c的种类没有特别的限定，任何可以将入射光源201进行反射的光纤都应当涵盖在本发明要求保护的范围内，例如所述第三光纤104c可以选自单模光纤、多模光纤、保偏光纤，以及无芯光纤中的任意一种。在本发明公开的一具体实施方式中，所述第三光纤104c为无芯光纤。在本发明公开的另一具体实施方式中，所述第三光纤104c为多模光纤。

请接着参阅图1和图2，在本发明公开的一具体实施方式中，所述干涉仪104，例如法布里－珀罗干涉仪，通过插芯102、法兰盘103a、接头103b封装在所述充满阻尼夜的壳体101内，进而所述干涉仪104依次和壳体101、插芯102、固定装置103形成一悬臂梁结构的光纤震动传感探头1。所述光纤震动传感探头1采用光纤作为悬臂梁，所述光纤既作为传感单元，也作为质量块，将所述光纤震动传感探头1运用到光纤震动传感中，在进行震动信号监测作业时，所述光纤震动传感器的一阶共振频率与光纤的长度之间具有符合下式(1)的关系，因此，所述光纤震动传感的工作频率带宽和灵敏度可以通过改变悬臂梁质量(即光纤的长度)进行调节，所述光纤震动传感测量测量法方便且精度高。

所述光纤震动传感器的一阶共振频率：

其中，L₁和L₂分别是第二光纤和第三光纤的长度，r_f，E和ρ分别是第二、第三光纤熔接后的复合光纤半径，杨氏模量和密度，。

请接着参阅图2，在进行震动信号监测作业时，将光源送至所述光纤震动传感探头1中，经过干涉仪104形成干涉光路，由于横向震动引起干涉仪104的腔长变化，调制激光的相位信息△Φ，获取出射光强度I，相位变化和出射光强度呈线性关系，经例如如下所述解调电路5和信号采集与处理装置6，拾取所述震动信号。具体地，入射光201耦合进入第一光纤104a中，在端面形成端面反射光202，具有反射光的强度I₁，然后经过第二光纤104b的空气腔，在第三光纤104c的端面形成端面反射光203，具有反射光的强度I₂，两束光干涉后形成输出光204(即，输出光信号)，具有出射光的强度I。需要说明的是，本发明采用基于的包括第一光纤104a、第二光纤104b、和第三光纤104c的干涉仪的光纤震动传感探头1，所述干涉仪的长度例如为100-300微米的长度，结构简单小巧，使用方便。

此外，本发明也提供了一种光纤震动传感探头的安装方法，所述安装方法包括：

-提供一干涉仪；

-将所述干涉仪插接于一插芯内，得到一插接有干涉仪的插芯；

-将所述插接有干涉仪的插芯固定于所述固定装置内，并密封；

-将所述固定装置固定于一壳体上，使所述插接有干涉仪的插芯插置于所述壳体内，制备所述光纤震动传感探头；其中，所述干涉仪包括至少一光纤，所述光纤的一部分具有中空结构，所述中空结构是位于所述光纤的两端之间。

请参阅图4，本发明还提供一种光纤震动传感器，所光纤震动传感器包括光纤震动传感探头1、光源2、光纤环形器3、信号传输光缆4、解调电路5，以及信号采集与处理装置6。

请接着参阅图4，具体地，在本发明公开的一具体实施方式中，所述光纤震动传感器探头1包括壳体101、插芯102、固定装置103，以及干涉仪104。本发明采用基于包括中空结构的光纤的干涉仪的震动传感探头1，温度不敏感、本征安全、抗电磁干扰、耐高温高压。

请接着参阅图4，所述光源2例如可以为激光发生器，具体地，所述激光发生器的例子可以为脉冲光纤激光器、窄线宽激光器，在本发明公开的一具体实施方式中，所述激光发生器为窄线宽激光器，进一步地，为波长可调谐窄线宽激光器，可以满足震动传感器对激光相位噪声和相对强度噪声的要求。当然，所述光源2也可以为宽带光源，并不限定于此。

请接着参阅图4，所述光纤环形器3连接于所述光纤震动传感探头1，用于接收所述光源2的入射光源，例如激光发生器发射出来的激光光源，并将所述激光光源输送至所述光纤震动传感探头1。具体地，在本发明公开的一具体实施方式中，所述光纤环形器3的一个端口连接激光发生器2，另一个端口连接光纤震动传感探头1，将光信号从一个端口导向另一个端口，进行单向传输。

请接着参阅图4，所述信号传输光缆4连接于所述光纤震动传感探头1，用于输送光信号，所述光纤震动传感探头1。

请接着参阅图4，所述解调电路5连接于所述信号传输光缆4，用于采集信号传输光缆4传输的光信号，并输出电信号。在本发明公开的一具体实施方式中，所述解调电路5例如包括光电探测器，进一步地，为一个低噪声的光电探测器。所述解调电路5可获取激光在所述光纤震动传感探头1中的相位变化，并转换为电压信号，所述电压信号与所述相位之间符合。在本发明公开的另一具体实施方式中，所述解调电路5例如包括包括光谱仪，进行实时FFT变换。进一步地，当所述光源2采用宽带光源，所述解调电路5包括光谱仪，进行实时FFT变换，计算干涉仪104的腔长变化，实时采集出射光204的光谱。

请接着参阅图4，所述信号采集和处理装置6连接于所述解调电路5，用于采集所述解调电路5输出的信号，并进行数据处理以拾取微震动信号。所述信号采集和处理装置6例如包括数据采集卡和Labview软件，实现数据采集、存储和处理和分析等功能。根据本发明提供的光纤震动传感器，进行震动信号监测作业时，所述光源模块2发出的激光，形成入射光201，经过光纤环形器3进入光纤震动传感探头1后，由于横向震动引起干涉仪104中第二光纤的腔长变化△L₁，从而调制激光的相位信息△Φ，获取出射光强度I，相位变化和出射光强度呈线性关系，信号光经解调电路5探测后，转换成电信号，并送入信号采集与处理模块6进行处理，即可实时拾取震动信号。所述出射光的强度I为：

其中I₁和I₂分别是第一光纤104b端面和第二光纤104c端面反射光的强度，n是空气折射率，λ是工作波长，△Φ为干涉仪腔长变化△L₁引起的相位变化。

在震动信号引起的相位变化很小的情况下，输出的光信号经解调电路5，例如光电探测器，探测后，转换成电信号，可以表示为：

其中ξ和R分别是光电探测器的光电转换效率和有效电阻。将获得的电压信号送入信号采集与处理装置进行处理，即可实时拾取震动信号。

此外，进一步地，光纤震动传感器的电压加速度灵敏度也可以通过如上的公式进行推导获得，用于评价其测量精度效果。公式(4)中前两项是直流量，即V_DC＝ξR(I₁+I₂)，第三项是含已拾取震动信号的交流量，即

加速度幅值为a，不考虑公式(4)中的直流量，则光纤震动传感器的电压加速度灵敏度可以表示为：

请参阅图5和图6，为进一步阐述本发明提供的光纤震动传感器对温度的敏感效果，将本发明公开的光纤震动传感器放入高低温箱中进行恒温试验，使用自发辐射宽带光源和光谱仪观察传感器的温度稳定性。图5示出了本发明公开的光纤震动传感器在20-120℃温度区间内的响应光谱曲线，高低温箱从20℃加热到120℃，每个温度保持半小时，传感器的反射谱发生些许漂移。通过数据分析，选取中间6个波谷进行分析，得到传感器光谱对温度的线性响应和线性拟合曲线，结果如图6所示，6个波谷对温度均不敏感，传感器的温度漂移低至0.04pm/℃，所述光纤震动传感器具有良好的温度稳定性。

请参阅图7和图8，为进一步阐述本发明提供的光纤震动传感器的测量精度效果，将本发明公开的光纤震动传感器放置在振动台上，固定加速度幅值为200m m/s²不变，对该传感器在20-5000Hz内进行扫频，得到传感器的加速度灵敏度和分辨率的频响响应曲线，如图7所示，传感器在1000Hz以下灵敏度频率响应平坦，最小可探测加速度为5.04μg/√Hz。在1KHz处，对该传感器施加不同大小的加速度幅值，得到传感器输出信号电压幅值对加速度幅值的响应和线性拟合曲线。如图8所示，传感器的输出信号电压幅值对加速度幅值响应线性，线性度为99.427％，所述光纤震动传感器1的测量精度高，符合预期。

综上所述，本发明提供了一种光纤震动传感探头、及其安装方法和光纤震动传感器。所述光纤震动传感器精度高、本征安全、抗电磁干扰、耐高温高压，可在恶劣环境中工作，可遥控、易组网，同时采用包括一中空结构光纤的光纤震动传感探头，对温度不敏感、工作稳定、传感单元在单根光纤内，结构小巧、成本低，另外引入阻尼液，保证测量稳定性。此外，本发明提出的这种小巧温度不敏感光纤震动传感器，工作频率带宽和灵敏度可以根据光纤长度来进行灵活调整，适用于各类应用场景，例如如入侵者探测、大型结构工程与机器健康监测、油气勘探和矿山微震监测等。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种光纤震动传感探头，其特征在于，所述光纤震动传感探头包括：

壳体，包含有一阻尼液；

插芯，插置于所述壳体内；

固定装置，设置于所述壳体上，并固定所述插芯；

干涉仪，设置于所述壳体内，并插接于所述插芯；

其中，所述干涉仪包括至少一光纤，所述光纤的一部分具有中空结构，所述中空结构是位于所述光纤的两端之间，所述中空结构由规则排列微结构的聚合物光子晶体包层；

所述干涉仪包括：第一光纤、第二光纤，以及第三光纤；所述第二光纤具有中空结构，位于所述第一光纤和第二光纤的之间；

光纤悬臂梁，由所述壳体、插芯、固定装置和干涉仪组装而成，所述干涉仪穿过所述插芯且干涉仪的光学谐振腔的入射光线的一端被固定于插芯插孔边缘，干涉仪露出插芯的光纤浸于所述阻尼液中。

2.根据权利要求1所述的光纤震动传感探头，其特征在于，所述第一光纤为单模光纤。

3.根据权利要求1所述的光纤震动传感探头，其特征在于，所述第二光纤为空心光子晶体光纤。

4.根据权利要求1所述的光纤震动传感探头，其特征在于，所述第三光纤选自单模光纤、多模光纤、保偏光纤，以及无芯光纤中的任意一种。

5.根据权利要求2～4任意一项所述的光纤震动传感探头，其特征在于，所述第三光纤的末端面为粗糙面或8度角，并插接于所述插芯。

6.根据权利要求1所述的光纤震动传感探头，其特征在于，所述固定装置包括：

法兰盘，设置于所述壳体上；

接头，设置于所述法兰盘上；

其中，所述固定装置通过粘合剂密封所述光纤震动传感探头。

7.一种光纤震动传感探头的安装方法，其特征在于，所述安装方法包括：

提供一干涉仪；

将所述干涉仪插接于一插芯内，得到一插接有干涉仪的插芯；

将所述插接有干涉仪的插芯固定于所述固定装置内，并密封；

将所述固定装置固定于一壳体上，使所述插接有干涉仪的插芯插置于所述壳体内，制备所述光纤震动传感探头；

其中，所述干涉仪包括至少一光纤，所述光纤的一部分具有中空结构，所述中空结构是位于所述光纤的两端之间。

8.一种光纤震动传感器，其特征在于，所述光纤震动传感器包括：

光源；

光纤震动传感探头，用于获取所述光源的相位变化，并输出光信号；

光纤环形器，连接于所述光纤震动传感探头，用于将所述光源输送至所述光纤震动传感探头；

信号传输光缆，连接于所述光纤震动传感探头，用于输送光信号；

解调电路，连接于所述信号传输光缆，用于采集所述光信号，并输出电信号；

信号采集与处理装置，连接于所述解调电路，用于采集所述电信号，并进行数据处理以拾取微震动信号；

其中，所述所述光纤震动传感探头包括，壳体，包含有一阻尼液；插芯，插置于所述壳体内；固定装置，设置于所述壳体上，并固定所述插芯；干涉仪，设置于所述壳体内，并插接于所述插芯；所述干涉仪包括至少一光纤，所述光纤的一部分具有中空结构，所述中空结构是位于所述光纤的两端之间，所述中空结构由规则排列微结构的聚合物光子晶体包层；所述干涉仪包括：第一光纤、第二光纤，以及第三光纤；所述第二光纤具有中空结构，位于所述第一光纤和第二光纤的之间；光纤悬臂梁，由所述壳体、插芯、固定装置和干涉仪组装而成，所述干涉仪穿过所述插芯且干涉仪的光学谐振腔的入射光线的一端被固定于插芯插孔边缘，干涉仪露出插芯的光纤浸于所述阻尼液中。

9.根据权利要求8所述的光纤震动传感器，其特征在于，所述解调电路包括光电探测器或者光谱仪。

Images