CN113588066A - 一种基于弱导光纤宏弯效应的微振动传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于弱导光纤宏弯效应的微振动传感装置。它包括激光光源、弱导光纤、光电转换模块和数据处理模块，所述激光光源为长波长激光光源；所述弱导光纤的芯包层折射率差为0.4％～0.6％；激光光源用于向弱导光纤输出激光信号；弱导光纤中传输的激光信号在宏弯部位处损耗并基于宏弯回音壁效应而被调制；光电转换模块用于将弱导光纤输出的激光宏弯损耗的调制信号转换为表征该处振动信号的电信号；数据处理模块用于从电信号中提取振动信号并还原出振动波形。本发明的振动传感装置具有结构简单，易于实现，制造成本低，运行可靠，灵敏度高，实时检测，信号易于解调等优点，可应用于各种微振动传感场合。
Description
技术领域
本发明属于振动传感监测技术领域，具体涉及一种基于弱导光纤宏弯效应的微振动传感装置。
背景技术
振动是一种机械波，在日常生活以及工艺制造行业中，对不同频率的振动信号的检测有着不同的应用，特别对于低频段以及超低频段的振动信号探测，对于大型建筑物质量检测如桥梁、道路，精密制造业探伤等应用方面有着举足轻重的作用。受限于传感原理，电子类传感器对低频振动信号的传感效果不佳，且其不防水，不耐高温，易受电磁干扰影响。光学传感器在低频振动传感领域发挥了越来越重要的作用。近年来，随着光纤传感技术的快速发展，光纤振动传感器由于具有电磁兼容特性好、灵敏度高、前端无源、微型化、便于携带、易于嵌合、便于组成传感网络及远距离监测等诸多优点，而被广泛应用于航天科技、深海探测、医疗设备、化学化工、国防安保等领域中。
从当前的光纤振动传感器来看，大部分高灵敏度光纤振动传感器采用波长解调，系统复杂成本高。而采用强度解调的光纤传感技术基本都是基于光干涉原理，系统容易受使用环境因素干扰，信噪比不高，稳定性不好。近年来基于光纤弯曲损耗效应的振动传感器又开始引起研究者的兴趣，其传感原理是：将光纤弯曲到一定曲率时，光纤弯曲部位的全反射条件被破坏，光功率因泄露出光纤而损耗，通过检测光纤的输出光强来检测弯曲部位的振动信号。这种传感方式具有结构简单，易于制作，成本低的优点，然而当前这种传感方式仅利用了简单的弯曲泄露损耗原理，其损耗曲线平坦，灵敏度不高，同时其传感器为非线性传感，无法做到信号还原，其应用场景受限，因此，需求一种灵敏度高，信号还原度好的低成本光纤线性传感器。
发明内容
为了满足以上需求，本发明提供了一种基于弱导光纤宏弯效应的微振动传感装置，本发明选用一种芯包层折射率差很小的弱导光纤作为传感光纤，当将光纤弯曲到一定弯曲半径时，光很容易摆脱芯层的束缚，有更多的光进入消逝场，激发强烈的回音壁效应，利用回音壁效应中损耗变化相对最剧烈的区域，将光纤弯曲半径的变化范围固定在该区域，极大地提高了传感光纤对振动的敏感性，利用光纤输出光强度的变化实现对弱振动的传感。
为实现此目的，本发明采用的技术方案是：一种基于弱导光纤宏弯效应的微振动传感装置，包括激光光源、弱导光纤、光电转换模块和数据处理模块，所述激光光源为长波长激光光源；所述弱导光纤为芯包层折射率差为0.4％～0.6％范围内的光纤；
激光光源用于向弱导光纤输出激光信号；
弱导光纤分别连接激光光源和光电转换模块，贴近弱导光纤的振动引起的光纤受到压力变化而产生对应的光纤弯曲半径改变，弱导光纤中传输的激光信号在弯曲部位处损耗并基于宏弯回音壁效应而被调制；
光电转换模块用于将弱导光纤输出的激光宏弯损耗的调制信号转换为表征该处振动信号的电信号；
数据处理模块用于从电信号中提取振动信号并还原出振动波形。
进一步地，所述激光光源输出激光信号的波长为1500～1700nm。
进一步地，所述弱导光纤为玻璃材质单模光纤、塑料光纤、光子晶体光纤中的任意一种。
进一步地，所述弱导光纤的弯曲部位的半径为4～8mm。
进一步地，所述弱导光纤上的弯曲部位设有一个。
进一步地，所述弱导光纤上的弯曲部位设有多个。
进一步地，所述弱导光纤的弯曲部位形状为U形弯曲或圆环弯曲。
进一步地，所述弱导光纤的弯曲部位通过胶固化的方式实现。
进一步地，所述弱导光纤的弯曲部位通过圆柱形细棒压置的方式实现。
更进一步地，还包括上位机，所述上位机用于用于分析、处理与显示还原出来的振动波形信号。
本发明的工作原理为：
单模光纤宏弯时，当弯曲半径小于一个定值后，宏弯损耗会随着弯曲半径的减小呈现振荡上升行为，即回音壁效应。弯曲半径越小，振荡现象越强烈。在每个振荡区域都存在一个上升和一个下降的线性区域，在线性区，传感光纤极小的弯曲半径变化就能带来显著的宏弯损耗。利用该区域传感器的线性特性和对弯曲半径极度敏感的特性，将光纤弯曲半径固定在线性区范围内，可将单模光纤宏弯制作出高灵敏度的微振动传感器。同时，为了增强回音壁效应，本发明选用芯包层折射率差更小的弱导光纤作为传感光纤，使回音壁振荡效果更为明显，光源选用波长较长的激光光源进一步增加振荡幅度，使损耗曲线更为陡峭，更有利于传感；采用固定的预弯曲半径使传感光纤的工作点始终处于回音壁振荡的线性区，保证微振动传感效果。
本发明的有益效果：
1、本发明基于光强度解调，解调系统结构简单，成本低，易于实现；
2、本发明传感器尺寸小、柔性高、环境适应性强，可集成度好，可应用于多种场合；
3、本发明传感器为线性传感，信号还原度高，适用于对检测波形有更高要求的振动传感场景。
4、本发明振动传感低频特性好，频谱宽，应用范围广泛；
5、本发明振动传感灵敏度高，非常适合微弱振动信号的传感；
6、本发明传感装置制作工艺简单，非常适合工业化生产；
本发明的振动传感装置具有结构简单，易于实现，制造成本低，运行可靠，灵敏度高，实时检测，信号易于解调等优点，可应用于各种微振动传感场合。
附图说明
图1为本发明的传感装置的系统结构图。
图2为本发明单模光纤宏弯损耗仿真图。
图3为本发明单模光纤宏弯回音壁现象示意图。
图4为本发明不同光纤芯包层折射率差仿真示意图。
图5为本发明振动传感实验验证示意图。
图6为本发明振动传感实验验证波形图。
图7为本发明用于生命体征弱振动信号检测示意图。
图8为本发明用于生命体征弱振动信号检测的波形图。
其中，1—激光光源、2—光纤传感组件、3—光电转换模块、4—数据处理模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
如图1所示，本发明提供一种基于弱导光纤宏弯效应的微振动传感装置，它包括激光光源1、弱导光纤2、光电转换模块3、数据处理模块4；
激光光源1用于向传感光纤2输出激光信号。
弱导光纤2分别连接激光光源1和光电转换模块3，贴近传感光纤的振动引起的光纤受到压力的变化而产生对应的光纤弯曲半径改变，传感光纤中传输的激光信号在宏弯部位处损耗并基于宏弯回音壁效应而被调制；
弱导光纤2分半连接激光光源1和光电转换模块3，弱导光纤在预宏弯到一定弯曲半径后，由于光纤宏弯损耗的回音壁效应，其工作点处于微振动敏感的准线性区。当外界环境中的振动传递到光纤上形成对光纤宏弯部位压力的变化，压力的变化导致光纤弯曲半径的细微变化，从而导致光纤中传输光功率的损耗显著变化，光信号的强度因外界的振动而被调制。其传感原理如下：
对于单模光纤，假定其模型为芯层和无限包层组成，则当弯曲半径为R时，其损耗系数为
其中，
式中，2α0为损耗系数，V、κ、γ均为中间参数，K1(γa)为一阶改进型贝塞尔函数，β0为直光纤中基模未受扰动传播常数，a、k、n1、n2、R分别为纤芯半径、真空中波矢、纤芯折射率、包层折射率、弯曲半径。
当前基于光纤弯曲损耗效应的振动传感器基本都是基于以上损耗系数作为模型进行振动传感，其用于传感的弯曲半径幅度偏大，如图2虚线所示，该损耗曲线相对平坦，且为非线性传感，灵敏度低且无法真实还原振动信号波形。
事实上，在本发明中还考虑了光纤涂覆层的影响，其损耗系数的修正计算为
其中，
式中，2α为修正的损耗系数，Zq、θ0、Rc均为中间参数，q＝1、2、3；n3、b分别为涂覆层折射率和包层半径。
将普通单模光纤的各项参数代入计算模型中，可得如图2细实线所示单模光纤宏弯损耗曲线。可以看出，宏弯损耗随弯曲半径的减小呈振荡上升的趋势，且弯曲半径R越小，振荡幅度越大，越剧烈。不难看出，在每个振荡区域都有类似于图中所示Q点所在粗实线的线性区，当宏弯光纤工作点位于该区域时，其传感性能最好。
事实上，不同的光纤参数会影响宏弯损耗的形态，即每一种光纤都会对应不同的宏弯损耗曲线，因而，每一种光纤对应的线性区的弯曲半径也会有所不同，图2中仅仅展示了一种单模光纤作为仿真实施例。
对于光纤宏弯损耗特性可以用回音壁效应解释。如图3所示，当光纤宏弯到一定弯曲半径时，芯层中传输的基模很容易进入消逝场形成泄露模。由于涂覆层与包层折射率不同，此时，泄露模在涂覆层与包层的交界面形成来回反射(即回音壁现象)，在涂覆层和包层中传播，一部分回到芯层中又与基模耦合，形成干涉，进而在光信号能量上呈现振荡现象。利用这种回音壁效应，可以实现用简单的强度解调的方式进行微振动的传感。
发明人基于以上原理，对单模光纤的参数进行进一步分析，发现芯层与包层的折射率差是决定单模光纤宏弯回音壁效应的最关键参数，很小的折射率差的改变将引起弯曲损耗系数的显著改变，如图4所示。因此，减小折射率差，可显著增强回音壁效应，使线性区的损耗曲线更为陡峭，即可以有效增加宏弯光纤对振动的敏感度。鉴于此，本发明优选折射率差小的弱导光纤作为微振动传感光纤，折射率差在0.4％～0.6％范围，具体优选的，折射率差为0.5％。同时，长波长也可有效增强回音壁效应，使损耗曲线振荡更为剧烈，因而，本发明中传感系统采用较长的波长，鉴于技术成熟度与成本综合考虑，本发明优选1550nm激光波长。
鉴于以上原理分析，本发明将弱导光纤进行预弯曲，并针对弱导光纤参数采用上述公式计算优化出合适的弯曲半径，采用胶固的方式对弱导光纤进行U形弯曲并固定，使弯曲半径只能在线性区间范围内变化，优选地，采用UV胶固化固定。使其工作点始终位于线性区，保证传感性能。同样地，也可采用相应半径的圆柱形线条压置在光纤上，也可实现同样的目的。
光电转换模块3用于将传感光纤输出的激光宏弯损耗的调制信号转换为表征该处振动信号的电信号；
数据处理模块4用于从电信号中提取振动信号并还原出振动波形以供后续分析；
上位机用于分析、处理与显示还原出来的振动信号。
以下结合具体实施例，介绍本发明的微振动传感装置与方法。
实施例1
本实施例是为了验证本发明的传感性能，其装置包括激光光源1、弱导光纤2、光电转换模块3、数据处理模块4。将弱导光纤采用U形弯曲，并用UV胶将其工作点弯曲半径固定在6mm，使其变化范围控制在线性区域，如图5所示，其上用一个小喇叭模拟为振动源，采用5Hz正弦信号作为输入信号，交流驱动电流为20mA，使其模拟低频微振动信号，如图6所示，可以看出，将输入输出信号进行归一化比较，输出信号的还原度非常好，证明了本发明工作在线性区，适合低频信号的微振动传感。
实施例2
本实施例是本发明其中的一个应用实例，由于人体的呼吸与心跳活动会引起身体的微弱振动，通过感知人体的微弱振动可检测呼吸与心跳信息。而这种振动信号的特点是频率低、信号弱，电类传感器很难高质量还原原始信号，而本发明针对这类信号可以有很好的传感效果。为此，发明人将本发明的传感器内嵌于一张薄床垫中，为了增大传感面积，将多个传感器串联(即在同一根弱导光纤上的不同位置进行预弯曲处理，形成多个串联的传感器)，将薄床垫置于席梦思床垫下方，如图7所示。当人躺在床上时，从上位机提取的信号中可以看出(如图8所示)，传感器在不接触人体的情况下，仍然可以清晰地感知到人体的呼吸与心跳动作，呼吸的快慢、暂停等状态很容易分辨出来，心跳动作的细节也可以完整地呈现出来，完全满足这种低频弱振动生理信号的探测需求，具有广泛的应用前景。
综上，本发明可以精准的测量微弱的低频振动信号，同时本发明传感器制作工艺简单，成本低，方便批量化生产，在弱振动信号传感具有独特优势，可以在有需求的各领域应用，具有很高的经济和社会价值。
以上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，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种基于弱导光纤宏弯效应的微振动传感装置，其特征在于：
包括激光光源(1)、弱导光纤(2)、光电转换模块(3)和数据处理模块(4)，其特征在于：所述激光光源(1)为长波长激光光源；所述弱导光纤的芯包层折射率差为0.4％～0.6％；
激光光源(1)用于向弱导光纤(2)输出激光信号；
弱导光纤(2)分别连接激光光源(1)和光电转换模块(3)，贴近弱导光纤(2)的振动引起的光纤受到压力变化而产生对应的光纤弯曲半径改变，弱导光纤(2)中传输的激光信号在弯曲部位处损耗并基于宏弯回音壁效应而被调制；
光电转换模块(3)用于将弱导光纤(2)输出的激光宏弯损耗的调制信号转换为表征该处振动信号的电信号；
数据处理模块(4)用于从电信号中提取振动信号并还原出振动波形。
2.根据权利要求1所述的基于弱导光纤宏弯效应的微振动传感装置，其特征在于：所述激光光源(1)输出激光信号的波长为1500～1700nm。
3.根据权利要求1所述的基于弱导光纤宏弯效应的微振动传感装置，其特征在于：所述弱导光纤(2)为玻璃材质单模光纤、塑料光纤、光子晶体光纤中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的基于弱导光纤宏弯效应的微振动传感装置，其特征在于：所述弱导光纤的弯曲部位的半径为4～8mm。
5.根据权利要求1所述的基于弱导光纤宏弯效应的微振动传感装置，其特征在于：所述弱导光纤(2)上的弯曲部位设有一个。
6.根据权利要求1所述的基于弱导光纤宏弯效应的微振动传感装置，其特征在于：所述弱导光纤(2)上的弯曲部位设有多个。
7.根据权利要求1所述的基于弱导光纤宏弯效应的微振动传感装置，其特征在于：所述弱导光纤(2)的弯曲部位形状为U形弯曲或圆环弯曲。
8.根据权利要求1所述的基于弱导光纤宏弯效应的微振动传感装置，其特征在于：所述弱导光纤(2)的弯曲部位通过胶固化的方式实现。
9.根据权利要求1所述的基于弱导光纤宏弯效应的微振动传感装置，其特征在于：所述弱导光纤(2)的弯曲部位通过圆柱形细棒压置的方式实现。
10.根据权利要求1所述的基于弱导光纤宏弯效应的微振动传感装置，其特征在于：还包括上位机，所述上位机用于用于分析、处理与显示还原出来的振动波形信号。
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