CN112067114B

CN112067114B - 一种基于双包层光纤的振动测量装置

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Publication number: CN112067114B
Application number: CN202010930648.4A
Authority: CN
Inventors: 苑立波; 王洪业
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2040-09-07
Also published as: CN112067114A

Abstract

本发明提供的是一种基于双包层光纤的振动测量装置。所述的装置由光源、单模光纤、光环形器、光电探测器、信号处理装置以及基于双包层光纤的振动传感器组成。振动传感器包括：固定壳体、尾套、插芯、单模光纤及具有一段热扩散区域和一段倾斜光栅的双包层光纤。双包层光纤与单模光纤连接并插入插芯中，光源发出的光经单模光纤从环形器传输至振动传感器，经倾斜光栅反向传输的光通过热扩散区域耦合至纤芯，并经过环形器由光电探测器和信号处理装置接收。当外界发生振动时，双包层光纤倾斜光栅内包层的谐振峰发生变化，通过对内包层谐振峰的监测，实现对物体振动的测量。本发明具有体积小、响应快、不受温度及环境折射率影响等优点。

Description

一种基于双包层光纤的振动测量装置

(一)技术领域

本发明涉及一种基于双包层光纤的振动测量装置，具体涉及一种基于双包层光纤倾斜光栅的反射式振动传感器，可以对物体的振动进行测量，属于光纤传感技术领域。

(二)背景技术

振动的测量是物体性能测试中非常重要的参数指标，其广泛存在于的生活和科研的各个领域，如航空航天、数控机电系统、机械设备、生化领域、医学领域、汽车安全性能检测领域等。所以，振动测量一直是工程技术领域重要的研究课题。

传统的振动传感器依据将机械信号转换为电信号的方式可分为电磁感应型、电涡流型及压电效应型。为了缩小器件体积、使测量结果更稳定，提升传感器灵敏度，人们将目光转向了光纤领域。

光纤传感技术以光纤为物理媒介、光信号作为敏感信息载体，当光纤外部环境的某些物理特征量(如温度、折射率、压力等)发生微小变化时，光纤中传输的光信号也会发生变化，利用特殊的光信号处理技术可以检测出这些变化。与传统的测量方法相比，光纤传感器结构简单、容易安装在测试设备中，在现场检测环境中更容易铺设。光纤在传输光信号的时候衰减小、传递速度快，能够承担多点长距离的大型项目检测需求。相比于传统的电测量传感器，光纤传感器最大的优势就是不受电磁波的干扰，提高了监测系统的稳定性和可靠性。

由于光纤传感器以上的这些优点，近些年来，光纤振动传感器引起了科技人员的高度重视，得到了越来越多的研究和应用，主要的传感器分为干涉型传感器和光栅型传感器。专利CN106124027A提出了一种基于空芯光纤的振动传感器，其利用分秒激光在空芯光纤侧面烧蚀出槽口，空芯光纤两端的焊接面形成两个菲涅尔反射面，两束反射光产生干涉，利用光纤微弯产生的光程差，实现对振动的测量。但此方法需要光纤种类较多，制作起来较为复杂，且需要利用飞秒激光刻蚀技术，成本较高，难以实现批量生产。专利CN1587946A提出了一种基于光栅的光纤振动传感器，利用在振动臂刻制光栅，当发生振动时，振动产生的应力会集中在振动臂上，从而改变光栅的长度及中心波长，通过对波长偏移的测量可以得到加速度的变化。但此种光栅类波长测量振动传感器易受外界环境变化的影响，比如当温度变化时，同样会导致中心波长的偏移，产生交叉干扰。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双包层光纤的振动测量装置，用以在消除温度和外界环境折射率交叉干扰的条件下，实现对目标振动的直接测量。

为达到上述目的，本发明采用的方案是：

一种基于双包层光纤的振动测量装置，其特征在于：所述的装置由光源、单模光纤、光环形器、光电探测器、信号处理装置以及基于双包层光纤的振动传感器组成。振动传感器包括：固定壳体、尾套、插芯、单模光纤及双包层光纤。双包层光纤制备有一段热扩散区域及一段倾斜光栅，其一端与单模光纤连接，另一端经尾套插入固定壳体上的插芯中，光源发出的光经单模光纤从环形器传输至振动传感器，经倾斜光栅反向传输的光通过热扩散区域耦合至纤芯，并经过环形器由光电探测器和信号处理装置接收。当外界发生振动时，双包层光纤倾斜光栅内包层的谐振峰发生变化，通过对内包层谐振峰的监测，实现对物体振动的测量。

光源发出的光经单模光纤从光环形器a端口输入，b端口输出，输出的光传输至基于双包层光纤的振动传感器，光在振动传感器中的传输示意图如图3所示。沿单模光纤纤芯传输的光，经双包层光纤热扩散区域传输至倾斜光栅，激发出后向传输的包层模式，满足相位匹配条件的包层模与基模耦合，产生谐振，谐振峰传输至热扩散区域后，再度耦合回双包层光纤纤芯中，最终传输进单模光纤的纤芯，由光环形器b端口输入，c端口输出至光电探测器和信号处理装置。当发生振动时，延伸出插芯的双包层光纤随之振动，引起内包层的谐振峰强度发生变化，通过对谐振强度的监测，实现对物体振动测量。而温度变化仅会引起芯模谐振峰和包层模谐振峰波长的变化，因此通过对内包层谐振峰强度的监测来消除由温度引起的交叉串扰问题。同时，由于所述光纤具有内外两层包层，内包层不与外界环境接触，因此环境折射率的变化不会对内包层谐振产生影响，通过对内包层谐振峰强度的监测消除了环境折射率带来的影响。

为了消除光纤端面反射回来的光对传感器的影响，对传感器的尾端进行消反处理，例如将端面做成粗糙面或者8°角，也可以使用镀膜的方式消除反射。

本发明的工作原理：

倾斜光栅纤芯折射率调制相对于纤芯轴线成一定角度。当光源发出的光经过倾斜光栅时，除了可以将纤芯内Bragg波长反射外，还可以将部分纤芯能量后向耦合到光纤包层中，这些后向耦合的包层模式每一个都有自己特定的耦合波长和模场分布。

每一个包层模式的有效折射率与其耦合波长之间的关系可以用相位匹配条件表示：

λ_Bragg＝(n_core+n_core)Λ/cosθ

λ_clad,i＝(n_clad,i+n_core)Λ/cosθ

其中，下标i表示模数，n_core和n_clad,i分别是纤芯和包层模式(第i阶)的有效折射率，Λ是光栅未倾斜时的栅距，θ是光栅的倾斜角度，即栅格与光纤轴向法线之间的夹角。

倾斜光栅的透射谱呈光梳状，其中每个谐振峰均对应一个阶次包层模式，其光谱位置(波长)取决于相应包层模式的有效折射率，并对光纤表面介质的光学特性(环境折射率等)敏感，而内包层由于不与外界环境接触，因此内包层谐振峰不受外界环境折射率影响。

热扩散技术能够使光纤中的掺杂剂分布发生改变，将双包层光纤放置在在1000℃以上的恒温场中，加热一定时间后，该区域的折射率变为准高斯分布，中心折射率最高，该区域能起到耦合的作用，使后向传输的内包层谐振耦合回纤芯中传输。

本发明所使用的光纤为双包层光纤，在纤芯外制有内外两层包层，且两包层之间存在折射率差，纤芯上刻制有倾斜光栅。倾斜光栅长度为5mm-50mm；倾斜角度为不超过20°。

本发明所述的双包层光纤由纤芯、内包层及外包层组成，纤芯直径与单模光纤近似相同，外包层直径为125μm。

为了使内包层谐振模式足够多，便于振动的测量，本发明所述的双包层光纤内包层直径不小于16μm。

本发明所述的双包层光纤纤芯与内包层及内包层与外包层之间均存在折射率差，两个折射率差可以是相同的也可以是不同的。

本发明所述的双包层光纤的折射率变化可以是阶跃型的也可以是渐变型的。

本发明所述的光源为宽带光源，其所输出的光谱范围涵盖倾斜光栅的输出光谱。

在本发明中，延伸出插芯的光纤自身作为惯性元件，因此其延伸出的长度对振动的灵敏度及响应有直接影响，根据实际振动的测量要求，需设计延伸出去的具体长度，本发明所述的延伸出安装板外的光纤长度为10mm-100mm。

光源发出的光经单模光纤从光环形器a端口输入，b端口输出，输出的光传输至基于双包层光纤的振动传感器，经双包层光纤热扩散区域传输至倾斜光栅，激发出后向传输的包层模式，产生谐振，谐振峰传输至热扩散区域后，耦合回双包层光纤纤芯中，最终传输进单模光纤的纤芯，由光环形器b端口输入，c端口输出至光电探测器和信号处理装置。当发生振动时，延伸出插芯的双包层光纤随之振动，引起内包层的谐振峰强度发生变化，通过对谐振强度的监测，实现对物体振动测量。

本发明的有益效果为：

1、本发明所设计的传感装置，可以同时对温度和加速度进行测量，消除了温度变化所带来的交叉干扰，并且由于存在内外两个包层，振动的测量只通过对内包层的谐振峰进行监测，因此外界环境折射率的变化并不会对内包层的谐振产生影响，消除了外界环境带来的干扰；

2、本发明将加速度的变化转变为输出谐振波长强度的变化，避免了采用波长漂移检测带来的不稳定性，并且可以通过对Bragg谐振峰功率的监测消除由光源波动带来的影响；

3、所述的光纤传感装置具有体积小、灵敏度高、耐高温、耐腐蚀、响应快、可操作性强等优点。

(四)附图说明

图1是一种基于双包层光纤的振动测量装置示意图；

图2是基于双包层光纤的振动传感器结构示意图；

图3是基于双包层光纤的振动传感器光信号传输示意图；

图4是阶跃型双包层光纤截面示意图；

图5是热扩散区域折射率分布示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种基于双包层光纤的振动测量装置的具体实施方式加以说明：

实施例1

其装置如图1所示，包括光源1、单模光纤2、光环形器3、光电探测器4、信号处理装置5和基于双包层光纤的振动传感器6构成。振动传感器结构如图2所示，包括：固定壳体601、尾套603、插芯604、单模光纤2及双包层光纤602。双包层光纤上制备有一段热扩散区域605及一段倾斜光栅606，其一端与单模光纤2连接，另一端经尾套插入固定壳体上的插芯中。

基于双包层光纤的振动传感器制备过程如下：

1)光纤载氢预处理：本实施例所使用的双包层602为阶跃型双包层光纤，其截面如图4所示，包括纤芯6021、内包层6022、外包层6023，光纤折射率成阶跃型变化，纤芯折射率最高，掺杂剂为锗。将双包层光纤光纤放入充满氢气的容器中，压强为10MPa，温度为室温，在240小时后，可使氢气分子扩散到双包层光纤的纤芯中，增加纤芯的光敏性，若要缩短载氢时间，可适当将温度提高或增加压强。

2)热扩散区域制备：将载氢之后的光纤取出，剥除一段涂覆层，将该段光纤放置在恒温场中进行热扩散处理，恒温场的温度约为1600℃，加热20min后，双包层光纤的折射率渐变为准高斯分布，如图5所示。

3)倾斜光栅刻制：在距离热扩散区域一定距离处刻制倾斜光栅，该距离不超过20mm。紫外入射光经过扩束镜和聚焦透镜后聚焦到相位掩模板上，掩模板与双包层光纤保持平行，聚焦后的紫外光通过掩模板照射到光纤上，旋转掩模板，使掩模板相对于光纤产生一定的倾角，控制写入时间及紫外光能量，得到具有高消光比的倾斜光栅606。光栅刻制成功后进行再涂覆。

优选的，所述的紫外入射光是由193nm的准分子激光器输出的能量为10mJ、频率100Hz的紫外脉冲激光。

4)封装：将焊接好的光纤从熔接机取下，穿过插芯604，一部分光纤延伸出插芯，置于固定壳体601内，最后使用尾套603将光纤固定。制备好的基于双包层光纤的振动传感器如图2所示。

优选的，所述的双包层倾斜光栅栅区长度为10mm，倾斜角度为2°。

优选的，所述的双包层光纤纤芯直径9μm，内包层直径20μm，外包层直径125μm。

优选的，所述的基于双包层光纤的振动传感器延伸出插芯部分的光纤长度为30mm。

测量时，将本发明的振动传感器的固定壳体安装在待测物体上，光源发出的光经单模光纤从光环形器a端口输入，b端口输出，输出的光传输至振动传感器，光信号在传感器的传输示意图如图3箭头所示。沿单模光纤纤芯2传输的光，通过焊接点传输进双包层光纤602，经由双包层光纤纤芯的倾斜光栅606激发后向传输的包层谐振，包层的谐振峰传输至热扩散区域605，再度耦合回双包层光纤纤芯传输，最终传输进单模光纤的纤芯，由光环形器b端口输入，c端口输出至光电探测器和信号处理装置。

由于光纤一端随固定壳体安装在待测物体上，而延伸出去的部分作为惯性元件，因此当待测物体发生振动时，该振动传递至基于双包层光纤的振动传感器6上，延伸出去的光纤随着振动，带动倾斜光栅发生摆动，导致内包层谐振峰的耦合强度发生改变，从而使输出的光信号功率发生变化，通过对功率监测，实现对振动信息的获得。

由于本发明所使用的双包层光纤具有内外两层包层，如图4所示。内包层并不与外界环境直接接触，从而导致当外界环境折射率变化时，内包层谐振峰不受影响。由于在内包层与纤芯分界面存在低阶模式，因此任何轻微的光纤振动都可能引起其横向电场振幅分布的变化，从而引起谐振峰功率的变化。本发明通过对内包层谐振峰功率的检测可以实现对振动的测量。纤芯模式为Bragg谐振峰，其只对温度和轴向应变敏感，通过对Bragg峰的检测可以消除温度、轴向应变以及光源输出功率波动产生的交叉干扰。当外界温度相对稳定时，可以通过仅对某一波段的功率进行监测，实现物体振动的测量，大大简化了解调方式。

Claims

1.一种基于双包层光纤的振动测量装置，其特征在于：所述的装置由光源、单模光纤、光环形器、光电探测器、信号处理装置以及基于双包层光纤的振动传感器组成；振动传感器包括：固定壳体、尾套、插芯、单模光纤及双包层光纤，双包层光纤具有一段热扩散区域和一段倾斜光栅；双包层光纤与单模光纤连接并插入插芯中，光源发出的光经单模光纤从环形器传输至振动传感器，经倾斜光栅反向传输的光通过热扩散区域耦合至纤芯，并经过环形器由光电探测器接收最终由信号处理装置分析处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于双包层光纤的振动测量装置，其特征在于所述的双包层光纤由纤芯、内包层及外包层组成，纤芯直径与单模光纤近似相同，内包层直径为不小于16μm，外包层直径为125μm，纤芯与内包层及内包层与外包层之间均存在折射率差。

3.根据权利要求1所述的一种基于双包层光纤的振动测量装置，其特征在于所述的热扩散区域通过将双包层光纤置于恒温场中制得，加热后的热扩散区域折射率变为准高斯分布。