CN113390500A

CN113390500A - 一种振动位移量测量系统、方法、设备及存储介质

Info

Publication number: CN113390500A
Application number: CN202110546199.8A
Authority: CN
Inventors: 吴启仁; 刘淑军; 吕鹏远; 吴仲平; 胡德芳; 刘宇; 侯帅; 冯宾; 朱闻博
Original assignee: China Three Gorges Corp; China Three Gorges Renewables Group Co Ltd
Current assignee: China Three Gorges Corp; China Three Gorges Renewables Group Co Ltd
Priority date: 2021-05-19
Filing date: 2021-05-19
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2041-05-19
Also published as: CN113390500B

Abstract

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于多模光纤散斑图谱的振动位移量测量系统、方法、设备及存储介质，包括：激光光源、单模导引光纤、多模传感光纤、图像传感器、数据处理模块以及夹持所述多模传感光纤的振动位移传感模块。本发明将归一化光强内积因子作为检测参量，并通过数据处理模块将其还原为外界的振动位移量，实现了通过检测光信号变化即可测量振动位移量的效果，本发明提供的测量系统不仅具有较高的检测灵敏度，而且对环境参量的抗干扰能力较强，同时本发明具有实现方法简单、计算量小、测量精度高的特点。

Description

一种振动位移量测量系统、方法、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于多模光纤散斑图谱的振动位移量测量系统、方法、设备及存储介质。

背景技术

随着现代科学技术的快速发展，人类社会已经进入了高速发展的信息时代。光纤传感技术是随着光纤及通讯技术的发展而迅速发展起来的一门新兴技术。近年来，国内外对光纤传感技术的深入研究不断产生出新的技术创新点，并且在广泛的应用领域内形成了许多具有实际运用场景的科技成果。例如，采用内置的光纤传感器以及光电致动器等器件可以对多种设备或材料的机械特性、温度、电磁环境等重要影响因素实施智能监测，目前在航空航天、电力系统、高速铁路、大型桥梁、地震预测等工程技术领域中都需要监测和反馈重要的状态数据，以支持其正常运行和控制系统，而要实现对大型设备的状态监测和智能诊断，则需要运用具有高可靠性和可灵活配置的光纤传感技术。

目前，主要的两类光纤传感技术分别是干涉型光纤传感器和光强检测型光纤传感器。干涉型光纤传感器主要是基于光纤对若干种被测物理量敏感而造成的光传播相位或偏振态变化，虽然不同形式的干涉型光纤传感器一般都具有非常高的检测灵敏度，但它们通常都需要一段参考光纤作为干涉仪的基准参考臂，这使得光纤传感器的整体系统容易受到监测环境参数扰动的影响，比如温度和振动，而要消除或者补偿这些环境因素对测量准确度的影响，光纤传感系统则需要使用额外的更为复杂精密的器件设备；光强检测型光纤传感器是通过对经光纤传输的光强变化的测量来感知外界探测物理量，虽然其对环境因素参量并不敏感，但是它对目标探测物理量的灵敏度也大为不及干涉型光纤传感器，应用方面存在一定局限性。

另外，上述两种光纤传感器一般采用单模光纤传输，这种单模光纤易脆易损坏，在实际问题中难以可靠安装，且其耐用性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多模光纤散斑图谱的振动位移量测量系统、方法、设备及存储介质，不仅可以具有和干涉型光线传感器相当的检测灵敏度，而且对环境参量的扰动不敏感，从而节约大量经济成本，且实现方法简单，操作方便。

为解决以上技术问题，本发明提供了一种振动位移量测量系统、方法、设备及存储介质。

第一方面，本发明提供了一种振动位移量测量系统，所述系统包括：激光光源、单模导引光纤、多模传感光纤、图像传感器、数据处理模块以及夹持所述多模传感光纤的振动位移传感模块；

所述单模导引光纤连接于所述激光光源和所述多模传感光纤之间，用于接收所述激光光源发射的光信号，并将其导入所述多模传感光纤；

所述振动位移传感模块，用于调制所述多模传感光纤内部的光信号，得到调制信号；

所述图像传感器，用于捕捉所述调制信号，并处理所述调制信号得到光强场分布图像；

所述数据处理模块连接所述图像传感器，用于利用接收到的所述光强场分布图像计算光强内积因子，根据所述光强内积因子获取最大模间附加相位差，根据所述最大模间附加相位差得到所述多模传感光纤的形变量，根据所述形变量得到振动位移量。

在进一步的实施方案中，所述振动位移传感模块包括上下对称分布的活动隔层与固定隔层，还包括并列排布于所述活动隔层和所述固定隔层之间且相邻的第一层圆柱和第二层圆柱；

其中，所述第一层圆柱设置于所述活动隔层一侧，所述第二层圆柱设置于所述固定隔层一侧，所述第一层圆柱和所述第二层圆柱交错堆叠排布，所述第一层圆柱与所述第二层圆柱之间放置并夹持部分或全部的所述多模传感光纤。

在进一步的实施方案中，所述振动位移传感模块还包括填充在第一层圆柱空隙、第二层圆柱空隙的填充物，所述填充物需至少满足条件：在稳定各层圆柱的排列位置的同时，使所述第一层圆柱产生位移，以使所述多模传感光纤产生形变。

在进一步的实施方案中，所述活动隔层为弹性材料。

在进一步的实施方案中，所述活动隔层连接被测振动部件，当所述被测振动部件产生的外部振动信号传输至所述振动位移传感模块时，所述活动隔层通过所述第一层圆柱使所述多模传感光纤产生形变，进而对所述多模传感光纤内部的光信号进行调制。

在进一步的实施方案中，所述图像传感器包括图像采集模块以及模数转换芯片；

其中，所述图像采集模块，用于捕捉所述多模传感光纤输出的调制信号，获取光纤散斑图谱，并将所述光纤散斑图谱传输至模数转换芯片；

所述模数转换芯片，用于将所述光纤散斑图谱数字化，得到光强场分布图像。

第二方面，本发明提供了一种振动位移量测量方法，应用于上述所述的振动位移量测量系统，所述方法包括以下步骤：

由单模导引光纤接收激光光源发射的光信号，并将其导入多模传感光纤；

通过振动位移传感模块调制所述多模传感光纤内部的光信号，得到调制信号；

通过图像传感器捕捉所述调制信号，并处理所述调制信号得到光强场分布图像；

根据所述光强场分布图像，通过数据处理模块计算光强内积因子，并根据所述光强内积因子获取最大模间附加相位差，以及根据所述最大模间附加相位差得到所述多模传感光纤的形变量，并根据所述形变量得到振动位移量。

其中，所述通过图像传感器捕捉所述调制信号，并处理所述调制信号得到光强场分布图像，具体包括：

利用图像传感器中的图像采集模块捕捉所述多模传感光纤输出的调制信号，获取光纤散斑图谱；

利用图像传感器中的模数转换芯片将接收到的所述光纤散斑图谱数字化，得到光强场分布图像。

第三方面，本发明还提供了一种振动位移量测量设备，包括处理器和存储器，所述处理器与所述存储器相连，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机程序，以使得所述振动位移量测量设备执行实现上述方法的步骤。

第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

本发明提供了一种基于多模光纤散斑图谱的振动位移量测量系统、方法、设备及存储介质，利用振动位移传感模块将位移变化转换为光信号的变化，通过检测多模传感光纤的光信号变化，实现了对被测振动部件的振动位移量的测量。与现有技术相比，本发明提供的测量系统将多模传感光纤的一段作为干涉臂，即通过单路径传感结构，有效降低了外界环境参量对光信号的干扰而使测量值更准确可靠，同时减少了设备成本，本发明可根据需求调整光纤长度，可适用于远程和复杂环境的测量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种振动位移量测量系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的振动位移传感模块的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的图像传感器结构示意图；

图4是本发明实施例提供的最大模间附加相位差与光强内积因子的曲线图；

图5是本发明实施例提供的多模传感光纤处于无形变状态时的振动位移传感模块示意图；

图6是本发明实施例提供的多模传感光纤处于形变状态时的振动位移传感模块示意图；

图7是本发明实施例提供的数据处理模块的控制流程图；

图8是本发明实施例提供的一种振动位移量测量方法的流程示意图；

图9是本发明实施例提供的一种振动位移量测量设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。

参见图1，图1是本发明一实施例提供的一种振动位移量测量系统结构示意图，该系统包括：激光光源11、单模导引光纤12、多模传感光纤13、图像传感器14以及内置于计算机中的数据处理模块15。

在一个实施例中，如图1所示，该系统还包括振动位移传感模块16，所述多模传感光纤13部分或全部嵌入振动位移传感模块16，其中，所述振动位移传感模块16用于调制所述多模传感光纤内部的光信号，得到调制信号；在本实施例中，所述振动位移传感模块16包括上下对称分布的活动隔层161和固定隔层162，还包括平行且准直地布设于活动隔层161和所述固定隔层162之间的第一层圆柱163和第二层圆柱164，以及填充在第一层圆柱空隙、第二层圆柱空隙的填充物；

其中，如图2所示的振动位移传感模块的结构示意图，第一层圆柱设置于活动隔层161一侧，第二层圆柱设置于固定隔层162一侧，所述第一层圆柱和第二层圆柱之间夹持部分或全部多模传感光纤13，本实施例以三角交错的形式将圆柱排列成第一层圆柱和第二层圆柱，且各层相邻圆柱之间保持紧密贴附，从而使得活动隔层上贴附的第一层圆柱向下移位时，与固定隔层上的第二层圆柱紧密贴附，形成正三角形交错。

需要说明的是，在本实施例中，填充在第一层圆柱空隙、第二层圆柱空隙的填充物应满足两个条件：一是能够稳定各层圆柱的排列位置，即多模传感光纤处于无形变状态时各层圆柱的排列位置不会发生变化；二是当振动位移传感模块接收到外部振动信号时，填充物不会阻碍第一层圆柱在一定范围内产生位移。

在本实施例中，所述固定隔层162用于稳定支撑所述振动位移传感模块16，从而防止多模传感光纤产生滑动平移；所述活动隔层161的另一侧与被测振动部件建立可靠连接，所述活动隔层161用于响应被测振动部件产生的外部振动信号，并通过第一层圆柱向多模传感光纤施予形变，进而改变多模传感光纤内部的模间相位，使得由多模传感光纤出射的散斑光场的光强发生变化，得到调制信号，实现对多模传感光纤内部的光信号的调制，本实施例不对固定隔层和活动隔层的厚度作明确要求，本领域技术人员可根据具体实施情况进行调整，但须保证活动隔层在外部振动力的作用下不会产生明显的阻尼迟滞运动；另外，固定隔层和活动隔层的长度尺寸可根据被测振动部件的实际尺寸确定，但应能完全覆盖所需的多模传感光纤，同时保证未与振动位移传感模块接触的多模传感光纤不与被测振动部件接触，以免使多模传感光纤产生除活动隔层施加压力之外的形变，影响测量结果。

本实施例通过振动位移传感模块将部分或全部的多模传感光纤夹持在两层圆柱之间，即只需要一段共用光纤作为干涉臂，不仅使被测振动部件的振动位移量定量地转化为多模传感光纤长度的形变量，以通过获取的形变量计算得到难以测量的被测振动部件的振动位移量，而且外界环境对单模导引光纤的扰动以及激光光源的强度波动等干扰因素都不会对多模传感光纤的模间相位变化产生足够的影响，从而降低测量系统对环境参量扰动的敏感性；本实施例提供的利用振动位移传感模块测量振动位移量的系统，可用于金属结构的疲劳测试，尤其是对处于复杂的实际工况下的金属部件，通过监测结构件的应变或振动即可提供结构性能劣化和材料断裂的重要信息，以防止突发破坏性的故障。

本发明实施例利用多模传感光纤中激发起的不同导波模式之间相互干涉形成的光纤散斑图谱，实现对振动位移量的测量，本实施例中的光纤散斑图谱因模式间的相位变化而具有不同特征，这不仅可以通过多模传感光纤中的相位变化检测出被测振动部件的位移变化情况，而且提高了系统的灵敏度，使得此测量系统对外界探测量的灵敏度可以与干涉型光纤传感器相当；本实施例提供的测量系统结构简单，体积小，能耗低，且具有快速、准确、适于实时测量的特点。

在一个实施例中，所述激光光源11通过FC/PC光纤接口与所述单模导引光纤12连接，在本发明实施例中，所述激光光源为光纤耦合激光光源，用于发射出激光光源，其中，所述光纤耦合激光光源包含单个窄线宽DFB(分布反馈)激光二极管和40dB的光学隔离器，所述光学隔离器的作用是消除背反射和频率抖动；光纤耦合激光光源的工作波长可选为1310nm和1550nm，具有的窄光谱线宽的典型值小于0.06nm，光纤耦合激光光源通过调节激光二极管的驱动电流和/或温度，调谐激光二极管的输出，使其达到最佳工作点，尽量提供稳定的输出。

所述激光光源11在所述单模导引光纤12中以单一模式传输，不受外界振动的干扰，本实施例采用所述单模导引光纤12的主要作用为：一是实现光信号的远程传输；二是通过单模导引光纤12将光信号导入多模传感光纤13，从而可以稳定地激励多个导波模，避免激光光源输出的光强波动对多模传感光纤中散斑场的相对分布产生一定影响；在本实施例中，所述单模导引光纤12为G652单模光纤，具有1310nm和1550nm两个窗口，其在1310nm波长的典型衰减小于0.34dB/km，在1550nm波长的典型衰减小于0.20dB/km，所述单模导引光纤12的使用长度可根据实际被测振动部件与光源之间的距离灵活选择。

在一个实施例中，所述多模传感光纤13通过熔接接头与所述单模导引光纤12连接，本实施例采用熔接接头可以获得较多能量输出。本发明实施例优选阶跃型无掺杂纯石英纤芯多模光纤作为多模传感光纤13，所述阶跃型无掺杂纯石英纤芯多模光纤的纤芯直径为50μm，掺氟玻璃包层直径为125μm，数值孔径为0.22，其涂层材料为丙烯酸脂树脂，涂层直径为250μm。在本实施例中，所述多模传感光纤的长度优先设置为50cm，本领域技术人员可根据具体实施情况调整长度。

所述多模传感光纤13中存在多个模式，外界振动会引起多个模式之间的相位变化，本实施例从单模导引光纤12到多模传感光纤13采用熔接接头连接，可进一步确保稳定地激励起满足条件的多种模式，同时提高传输质量；另外，现有的光纤干涉仪传感器难以消除环境因素对测量准确度的影响，通常情况下环境温度的波动在0.1℃的量级就会引起光纤干涉仪传感器的输出扰动，而本发明实施例提供的系统，通过采用相同路径传输的多模传感光纤进行测量，一般只需要几十厘米长度的多模传感光纤，这可以显著缓解环境温度变动对测试结果的影响，比如：一段长度为50cm的多模传感光纤能够耐受更高的环境温度，有效降低由于环境温度变化对振动测量精度的干扰影响，从而使得检测结果更精确，适用性更广。

在一个实施例中，图像传感器14设置于所述多模传感光纤的输出端口，用于接收所述多模传感光纤出射的调制信号，并将获取的数据通过有线或无线通讯传输至计算机的数据处理模块，如图3所示，所述图像传感器包括图像采集模块141以及模数转换芯片142，所述图像采集模块141实时高速捕捉从多模传感光纤出射端输出的调制信号，得到光强散斑图谱；所述模数转换芯片142将所述光纤散斑图谱中的光强数据数字化，形成光强场分布图像；其中，所述图像传感器14优选为高速CMOS图像传感器，本实施例的采集时间间隔取决于高速CMOS图像传感器的帧速率。

本实施例选用的高速CMOS图像传感器具有体积小、功耗小、集成度高、成本低的优点，可工作在近红外波段，例如，光谱响应范围可选为400nm～1700nm，且其能够在短时间内处理大量数据，输出高清影像；在本实施例中，高速CMOS图像传感器每秒的最高拍照帧数和图像输出速率决定了振动检测的最高频率。

在一个实施例中，数据处理模块15与所述图像传感器14相连，所述数据处理模块15安装于计算机上，利用CMOS图像传感器测量多模传感光纤初始的光强场分布图像以及振动状态下任意采集时刻的光强场分布图像计算光强内积因子，根据所述光强内积因子获取与其对应的最大模间附加相位差，根据所述最大模间附加相位差计算得到所述多模传感光纤的形变量，根据所述形变量计算得到振动位移量。

在本实施例中，从多模传感光纤的模式耦合分析，由多模传感光纤输出端口出射的不同光波模式在CMOS图像传感器上形成的初始的光强场分布图像可以表示为：

其中，A₀(x,y)表示多模传感光纤中激励起的所有导波模式相互干涉的叠加场，a_0m(x,y)和φ_0m(x,y)分别表示第m阶导波模式的幅度分布和相位分布，x、y表示多模传感光纤在其纤芯径向的空间位置坐标，M表示总模数，I₀(x,y)表示初始的光强场分布图像，在本实施例中，所述初始的光强场分布图像为多模传感光纤未受振动产生形变或是处于某个振动的初始状态时的光强场分布图像。

从多模传感光纤的模式耦合分析，利用CMOS图像传感器测量多模传感光纤在任意采集时刻的光强场分布图像可以表示为：

其中，φ_0mn(x,y)＝φ_0m(x,y)-φ_0n(x,y)，Δφ_mn(t)＝Δφ_m(t)-Δφ_n(t)；

其中，A_t(x,y)表示t采集时刻更新的相互干涉的叠加场，I_t(x,y)表示t采集时刻的光强场分布图像，Δφ_m(t)表示由于外部振动信号引起的多模传感光纤内部第m阶导波模式新增的附加相位函数，φ_0mn(x,y)表示第m阶导波模式与第n阶导波模式之间的模间相位差分布函数，Δφ_mn(t)表示第m阶导波模式与第n阶导波模式之间的模间附加相位差分布函数。

本实施例首先根据初始的光强场分布图像以及任意采集时刻的光强场分布图像，计算得到光强内积因子ρ(t)，具体为：

其中，光强内积因子为归一化光强内积因子，本实施例将归一化光强内积因子作为检测参量，同时通过计算机中的数据处理模块，将其还原为外界的振动位移量，具有运算时间短、计算误差小的优点。

然后，本实施例将计算得到的所述光强内积因子通过表1获取对应的最大模间附加相位差，表1如下所示：

表1

在表1中，δ的定义范围选为[0,2π]，对应的光强内积因子ρ(t)从1逐渐单调地降为0，表1的计算过程为：

其中，第二步中的近似表达式成立的条件是：多模传感光纤在振动状态下只会改变其内部不同模式的相对相位分布Δφ_mn，不影响其幅度分布a_0m变化。

其中，当各阶导波模式的附加相位平均分布时，附加相位差分布函数Δφ_mn可表示为：

此时，当δ依次为0～2π时，根据

计算对应的光强内积因子ρ(t)的值，进而绘制得到表1，同时根据表1中的数据得到如图4所示的曲线图。

在一个实施例中，根据最大模间附加相位差公式，利用通过表1获取的最大模间附加相位差推算出所述多模传感光纤的形变量，所述最大模间附加相位差公式具体为：

其中，δ表示最大模间附加相位差，λ表示激光光源的光波长，NA表示多模传感光纤的数值孔径，C₀表示等效弹光系数，n表示多模传感光纤的纤芯折射率，ΔL表示多模传感光纤的形变量，在本实施例中，C₀≈0.78，n≈1.46。

需要说明的是，所述最大模间附加相位差公式的具体推导过程如下：

在本实施例中，当各阶导波模式的附加相位平均分布时，最大模间附加相位差可以表示为：

δ＝Δφ_M0＝Δφ_M-Δφ₀

而在多模传感光纤中，第k阶导波模式的附加相位函数可表示为：

其中，θ_k是多模传感光纤中第k阶模式相对于光纤轴线的传播角。

因此，将最大模间附加相位差中的附加相位函数展开，即可得到：

其中，θ₀是第0阶模式的传播角，θ_M是第M阶模式的传播角。

在本实施例中，θ₀＝0，

因此，上述最大模间附加相位差可进一步表示为：

本实施例可利用表1得到的最大模间附加相位差反推出多模传感光纤所受的形变量，从而进一步推导出振动位移量，但是在根据所述多模传感光纤的形变量计算出需要检测的振动位移量之前，本实施例需对振动位移量Δy和光纤的形变量ΔL之间的线性关系进行以下分析：

图5是本实施例提供的多模传感光纤处于无形变状态时的振动位移传感模块示意图，在图5中，所示多模传感光纤处于平直无形变状态，假设单个圆柱半径为r，则各层相邻两个圆柱之间的圆心间距为2r，第一层圆柱和第二层圆柱之间的最远顶点间距为d₀＝4r，嵌入在两层圆柱之间的多模传感光纤和圆柱之间存在三个支撑点，其中，第二层圆柱中两个相邻圆柱的支撑点之间的距离为L₀＝2r，此即为多模传感光纤在无形变状态下处于两个相邻圆柱之间的自然长度，由此可知，无形变时的多模传感光纤长度L_S和第一层圆柱的数量N之间存在关系式：L_S＝NL₀＝2Nr；图6是本实施例提供的多模传感光纤处于形变状态时的振动位移传感模块示意图，由于被测振动部件产生的外部振动信号使得活动隔层下移，进而使多模传感光纤在活动隔层的作用下产生形变，如图6所示，所示多模传感光纤处于拉长形变状态，活动隔层的最大振动位移是当两层圆柱紧密贴附形成正三角交错的位置，此时多模传感光纤和两层圆柱之间的一段弧线紧密贴附，即多模传感光纤与第一层圆柱的贴附弧线张角为60°，多模传感光纤与第二层圆柱中两个圆柱的贴附弧线张角均为30°，同时两层圆柱的最远顶点间距为

根据几何关系可计算得到，位于第二层圆柱两个支撑点之间且处于形变状态的多模传感光纤长度为

由此可知，处于形变状态时的多模传感光纤长度和第一层圆柱的数量N之间存在关系式：

根据处于无形变状态以及形变状态时的最远顶点间距和多模传感光纤长度，分别得到最大振动位移量和多模传感光纤的最大形变量；

其中，最大振动位移量Δy_max为：

多模传感光纤的最大形变量ΔL_max为：

由此可得，最大振动位移量和多模传感光纤的最大形变量之间的线性关系为：

在本实施例中，被测振动部件的位移变化分两种情况：第一种是使所述振动位移传感模块在垂直方向产生位移，第二种是使所述振动位移传感模块在与垂直方向夹角为[-90°，90°]范围内产生位移，由于本实施例只考虑垂直方向上的位移，因此，当出现第二种情况时，本实施例只考虑其位移在垂直方向上的分位移。

由于本实施例仅研究垂直方向上的振动位移量，因此，在无其它干扰因素情况下，垂直方向上的振动位移量与形变量之间的线性关系保持不变，根据最大振动位移量和最大形变量的线性关系即可得到振动位移量与形变量之间的线性关系，即：

图7是本实施例提供的数据处理模块的控制流程图，在本实施例中，CMOS图像传感器按照采集时间依次对多模传感光纤出射的光信号进行采集，并对每个采集时刻得到的光强散斑图谱利用计算机中的数据处理模块并行计算，得到形如Δy(t₁)、Δy(t₂)、…、Δy(t_K)的数值列表，根据各个采集时刻得到的振动位移量，构建振动位移量的时域波形。

可以看出，本实施例提供的振动位移测量系统通过多模光纤的散斑图谱实现了对振动位移量的测量，且其检测灵敏度可以达到亚微米级，本实施例采用的单模导引光纤通过单路径传感结构，有效降低了环境参量波动对传感测量的不确定性影响，从而可以提高其稳定性；本实施例使用多模传感光纤作为传感介质，在增加了光纤机械强度的同时，也降低了所用光纤的成本，而且在多模光纤制备过程中可通过掺杂工艺来增强光纤的传感特性，实现在高温或强张力等极端条件下的准确测量；另外，本实施例提供的振动位移测量系统还可用于实现光纤复用技术，在一条光纤上就能集成众多的光纤传感器测试通道，使得在智能传感领域具有很强的应用前景，涵盖了大型装备状态监测、材料疲劳测试、可穿戴设备人工智能等工程技术领域。本实施例利用多模传感光纤和振动位移传感模块实现了振动位移的测量，在保证测量精度的同时，降低了测量的成本。

在一个实施例中，本实施例提供了一种基于多模光纤散斑图谱的振动位移量测量方法，应用于所述的振动位移量测量系统，如图8所示，所述方法包括：

S1.由单模导引光纤接收激光光源发射的光信号，并将其导入多模传感光纤；

S2.通过振动位移传感模块调制所述多模传感光纤内部的光信号，得到调制信号；

S3.通过图像传感器捕捉所述调制信号，并处理所述调制信号得到光强场分布图像；

S4.根据所述光强场分布图像，通过数据处理模块计算光强内积因子，并根据所述光强内积因子获取最大模间附加相位差，以及根据所述最大模间附加相位差得到所述多模传感光纤的形变量，并根据所述形变量得到振动位移量。

需要说明的是，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。本领域普通技术人员可以意识到，结合本申请所公开的实施例描述的各个模块和步骤，能够以硬件、软件或者两者结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

本申请实施例通过振动位移传感模块改变多模传感光纤内部的相位，从而使光纤散斑图谱具有不同的特性，同时本实施例通过最大模间附加相位差反演值推算出对应的形变量，进而计算出难以测得的被测振动部件的振动位移量，大大减少了计算量，而且能够快速，准确地进行实时检测，与现有技术相比，本实施例提供的测量方法不仅大大降低了对环境参量扰动的敏感性，而且测量得到的振动位移量精度更高，比如当光强内积因子达到0.001时，根据表1可知，其对应的最大模间附加相位差的可测精度可为0.07π，此时，计算得到的振动位移量的测量精度可达到0.954μm。

需要说明的是，采用光纤传感器是无损检测的重要手段之一，目前常用的方法是依靠嵌入在结构内部或集成安装在结构表面的传感光纤的断裂测试来证明被测对象的完整状态，然而这种方法只适用于被测对象产生足够强的破坏力的环境下，而对于其它的更为细微的结构应力变化，比如内部裂缝和界面分层等不足以导致测试光纤断裂的情形下，此方法不能提供足够准确的检验信息，而且该方法的最大缺点是对光纤的断裂测试是破坏性的，因此不能够重复利用。而其它的光纤传感测试方法还包括光纤干涉仪传感器阵列，虽然它的检测灵敏度足够高，但是由于其系统复杂度较高，导致在实际应用中其难以兼顾高性能和易用性，而本发明所述的测量方法可适用于在此应用场景中。

图9是本发明实施例提供的一种振动位移量测量设备，包括存储器、处理器和收发器，它们之间通过总线连接；存储器用于存储一组计算机程序指令和数据，并可以将存储的数据传输给处理器，处理器可以执行存储器存储的程序指令，以执行上述方法的步骤。

其中，存储器可以包括易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者；处理器可以是中央处理器、微处理器、特定应用集成电路、可编程逻辑器件或其组合。通过示例性但不是限制性说明，上述可编程逻辑器件可以是复杂可编程逻辑器件、现场可编程逻辑门阵列、通用阵列逻辑或其任意组合。

另外，存储器可以是物理上独立的单元，也可以与处理器集成在一起。

本领域普通技术人员可以理解，图9中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的振动位移量测量设备的限定，具体的振动位移量测量设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有相同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

本发明实施例提供的一种基于多模光纤散斑图谱的振动位移量测量系统、方法、设备及存储介质，其振动位移量测量系统通过振动位移传感模块实现了对多模传感光纤模间附加相位值的改变，从而通过计算机中的数据处理模块对包含不同相位变化信息的光纤散斑图谱进行分析计算，以推导出被测振动部件在某一方向上的振动位移量。该方法应用于实际的振动位移量测量时，可以对被测对象的位移和振动进行高精度的测量，在增强抗外界干扰能力的同时，提高了检测灵敏度，同时本发明实施例还具有体积小、成本低、动态响应快的优点，具有实际的应用价值。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如SSD)等。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种振动位移量测量系统，其特征在于，包括：激光光源、单模导引光纤、多模传感光纤、图像传感器、数据处理模块以及夹持所述多模传感光纤的振动位移传感模块；

2.如权利要求1所述的一种振动位移量测量系统，其特征在于：所述振动位移传感模块包括上下对称分布的活动隔层与固定隔层，还包括并列排布于所述活动隔层和所述固定隔层之间且相邻的第一层圆柱和第二层圆柱；

3.如权利要求2所述的一种振动位移量测量系统，其特征在于：所述振动位移传感模块还包括填充在第一层圆柱空隙、第二层圆柱空隙的填充物，所述填充物需至少满足以下条件：在稳定各层圆柱的排列位置的同时，使所述第一层圆柱产生位移，以使所述多模传感光纤产生形变。

4.如权利要求2所述的一种振动位移量测量系统，其特征在于：所述活动隔层为弹性材料。

5.如权利要求2所述的一种振动位移量测量系统，其特征在于：所述活动隔层连接被测振动部件，当所述被测振动部件产生的外部振动信号传输至所述振动位移传感模块时，所述活动隔层通过所述第一层圆柱使所述多模传感光纤产生形变，进而对所述多模传感光纤内部的光信号进行调制。

6.如权利要求1所述的一种振动位移量测量系统，其特征在于：所述图像传感器包括图像采集模块以及模数转换芯片；

所述图像采集模块，用于捕捉所述多模传感光纤输出的调制信号，获取光纤散斑图谱，并将所述光纤散斑图谱传输至模数转换芯片；

7.一种振动位移量测量方法，其特征在于，应用如权利要求1至6任一所述的振动位移量测量系统，所述方法包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的一种振动位移量测量方法，其特征在于，所述通过图像传感器捕捉所述调制信号，并处理所述调制信号得到光强场分布图像，具体包括：

9.一种振动位移量测量设备，其特征在于：包括处理器和存储器，所述处理器与所述存储器相连，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机程序，以使得所述振动位移量测量设备执行如权利要求7至8中任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当所述计算机程序被运行时，实现如权利要求7至8任一项所述的方法。