CN114383713A - 分布式光纤振动传感系统与声发射监测系统及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了分布式光纤振动传感系统与声发射监测系统及制作方法，包括分布式光纤振动传感系统和光纤声发射监测系统，所述分布式光纤振动传感系统包括由激光器及其驱动单元构成的光源模块、由传感光纤构成的传感模块、信号处理模块与显示模块，所述光纤声发射监测系统包括探测系统和解调系统；通过利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度方向连续的传感被测量（温度，压力，应力和应变等）然后对光纤感知到的振动信息，进行信号处理，并发出预警信号，达到预警目的。

Description

分布式光纤振动传感系统与声发射监测系统及制作方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体而言，涉及分布式光纤振动传感系统与声发射监测系统及制作方法。

背景技术

国内现有振动传感技术，有的采用点式光纤光栅传感器，但只适合测量静态物理量，不适合监测动态信号，而且误报漏报率高，安装调试维修等较为复杂，成本高，仅适用于周界安防，用户体验一般；有的采用分布式光纤，但是仍存在误报率高，对单次事件无反应等问题，导致用户的体验感很差。虽然国外有较为先进，用户体验好的振动传感技术，但是不对国内进行销售。

发明内容

针对以上缺陷，本发明提供了分布式光纤振动传感系统与声发射监测系统及制作方法，包括分布式光纤振动传感系统和光纤声发射监测系统，所述分布式光纤振动传感系统包括由激光器及其驱动单元构成的光源模块、由传感光纤构成的传感模块、信号处理模块与显示模块，所述光纤声发射监测系统包括探测系统和解调系统，其方法为：在传输光纤进行传输工作的同时，激光器发射出的光，通过光隔离器和光衰减器后，一端进入PD，通过采集板进行数据处理，另一端进入干涉仪，光纤振动预警主机为整个系统提供光源，光经过传输光缆传到分割包，再依次传到偏振光缆和下一防区分割包，振动光缆将外界振动信号转换为光信号，然后回送到主机进行光电转换，预警系统对信号进行采集和数据处理，根据设置的参数，将入侵所在防区显示在屏幕上。

进一步地，所述信号处理模块为光纤哨兵，显示模块包括光电转换单元、信号处理单元和显示单元。

进一步地，所述传感光纤为分布式光纤振动传感。

进一步地，所述光电转换单元所用的为可以把光信号转换成电信号的光电传感器。

进一步地，所述分布式光纤振动传感系统中的传感光纤、引导光纤均使用非零色散单模光纤。

进一步地，所述光纤声发射监测系统中所使用的激光光源输出中心波长为1310nm，最大功率输出为2mw。

进一步地，所述光纤声发射监测系统由激光光源、环形器、光电探测器、前置放大器、数据采集显示系统构成。

进一步地，所述分布式光纤传感系统输出的干涉光强信号应先转换成电信号，且需对电信号进行滤波、放大。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明所述的分布式光纤振动传感系统与声发射监测系统及制作方法，本申请中分布式的光纤振动传感器可以在大空间范围连续进行传感，同时，传感与传光为同一根光纤，传感部分结构简单，使用方便，只要将此传感光纤铺设到被测量处即可使用。分布式的光纤振动传感与点式的传感器相比，其单位长度内信息获取的成本大大降低，传统的声发射技术多采用谐振压电式声发射技术，其缺点十分明显，体积大、频带宽、必须与物体接触、不能在高温、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境下使用，而本申请中使用的光纤声发射技术具有体积小、频带宽、灵敏度高、损坏阈值高、不必与被测物体接触、适用于恶劣环境等优势，总体为通过利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度方向连续的传感被测量（温度，压力，应力和应变等）然后对光纤感知到的振动信息，进行信号处理，并发出预警信号，达到预警目的。

综上所述，本发明特殊的结构，其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品中未见有类似的方法公开发表或使用而确属创新，产生了好用且实用的效果，较现有的技术具有增进的多项功效，从而较为适于实用，并具有广泛的产业价值。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明中的光纤声发射示意图。

图3为本发明中拍频解调原理图。

图4为本发明中拍频信号解调电路。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明装置进行更全面的描述。附图中给出了所述装置的实施例。但是，该装置可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是对本发明公开内容更加透彻全面。

实施例

如图1-4所示，本实施例提供了分布式光纤振动传感系统与声发射监测系统及制作方法，包括分布式光纤振动传感系统和光纤声发射监测系统，分布式光纤振动传感系统包括（如图1所示）：

（1）由激光器及其驱动单元构成的光源模块；

（2）由传感光纤（传感光纤为分布式光纤振动传感）构成的传感模块，在光纤传感系统中的传感光纤，引导光纤均使用非零色散单模光纤，这种光纤产品广泛应用于价格便宜，高速率，长距离传输，如长途通信，干线，有线电视和环路馈线等网络，具有内部损耗低，宽带大，易于升级扩容和成本低的优点；

（3）信号处理模块（光纤哨兵）与显示模块（显示模块包括光电转换单元、信号处理单元和显示单元）：

光电转换单元所用的为可以把光信号转换成电信号的光电传感器。相对于传统的电磁式互感器，由于光电互感器测量的频率范围主要由电子线路部分决定，并不存在铁芯饱和的问题，因此能够准确反映一次的暂态过程，暂态响应的范围宽。同时采用数字接口，通信能力强，由于光电传感器下传的就是光数字信号，与通信网络容易接口，且传输过程中没有测量误差。同时随着微机化的保护控制设备的广泛采用，光电互感器可以直接向二次设备提供数字量，这样就能省去原来保护装置中的变换器和A/D采样部分，使二次设备得到大大的简化，需要说明的是，分布式光纤传感系统输出的干涉光强信号必须首先转换成电信号，由于直接转换的电信号幅度较小，噪声较多，所以在信号采集之前还必须对电信号进行滤波、放大。

信号处理直接关系到光纤传感系统的检测灵敏度、精度、响应时间、稳定性和可靠性等一系列重要性能指标，涉及到能否对被测量作出客观、准确的反映和评价，是光纤传感系统的核心部分。信号处理部分是解调经过外界被测参数调制的光信号，从而可以获得被测参数。

光纤哨兵的作用是信号处理，发出预警信号，其中光纤哨兵采用的技术是拍频解调，全频谱分析。其中所谓拍频解调指的是从图像上来看，这个波的局部形状依然是以原先频率振动的波，但各个波峰的外缘却形成了波长更长的一个波形(即振幅在空间上的变化)。对于声波来说，我们听到的声音强弱取决于声波振幅的大小，因此当这样的波传入人耳时，人耳处(空间固定点)的波的振幅会随时间变化，于是"在听觉上会感到音量有周期性的强弱"。"一强一弱称为一次拍"，而在单位时间内听到的拍数，就是拍频。所谓全频谱分析能够对算法进行优化，使得探测结果更加准确，并且减小误报率。拍频解调技术是利用频率计或者频谱仪来监测拍频信号的频率漂移。由于这种技术是检测拍频信号的频率而不是强度，而频率在传输过程中不受任何干扰，所以这种技术减少了解调过程的额外光源扰动、光线接头的损耗等噪声影响，这种全电子的解调方案大大提高了信号的稳定性。

光纤声发射监测系统包括探测系统和解调系统（如图2所示），探测系统中主要是利用两束相干光间光程差的任何变化会非常灵敏地导致干涉条纹的变化，而某一束相干光的光程变化是由它所通过的几何路程或介质折射率的变化引起的，所以通过干涉条纹的移动变化可测量几何长度或者折射率的微小该变量，从而可以测出与此相关的其他物理量。解调系统是由光电探测和信号处理构成，单模光纤作为波长调制型的传感器，被测信息引起激光波长的移动，其被测信息转化为特征波长的移动。想要获得原来的被测量，就需要从测得的光信号中检测出光波的漂移。信号解调的作用主要是能够及时、准确的提取信号幅值的大小，并在线检测信号随时间的变化过程。

光纤声发射监测系统由激光光源、环形器、光电探测器、前置放大器、数据采集显示系统构成。

其监测部分为光纤声发射监测。声发射监测是一种动态无损监测的方法，在无损检测技术中占有重要地位。它必须有外部条件的作用使材料或构件发声,如力、电磁、温度等因素的作用;另一方面,由于这些因素的作用使材料内部结构发生变化，如晶体结构变化、滑移变形、裂纹扩展备发声是在材料内部结构变化过程中产生的。只有内部结构变化，才能引起能量释放，才能发声，因此，声发射检测是一种动态无损检测方法，即:使构件或材料的内部结构、缺陷或潜在缺陷处于运动变化的过程中进行无损检测。因此，裂纹等缺陷在检测中主动参与了检测过程。如果裂纹等缺陷处于静止状态，没有变化和扩展，就没有声发射发生，也就不能实现声发射检测。声发射检测的这一特点使其区别于超声、X射线、涡流等其它无损捡测方法。光纤声发射检测技术是激光器发射出的光，通过光隔离器和光衰减器后，一端进入PD，通过采集板进行数据处理，另一端进入干涉仪。光纤振动预警主机为整个系统提供光源，光经过传输光缆传到分割包，再依次传到偏振光缆和下一防区分割包。振动光缆将外界振动信号转换为光信号，然后回送到主机进行光电转换，预警系统对信号进行采集和数据处理。根据设置的参数，将入侵所在防区显示在屏幕上，而激光光源输出的光耦合入光纤后，如果不加上隔离，一定量的会反射回激光器，形成一个新的谐振频率，导致干涉输出的不稳定周期变化，所以需选用光纤隔离器，防止光纤中反射光对光源的影响。

使用分布式的光纤振动传感器可以在大空间范围连续进行传感，同时，传感与传光为同一根光纤，传感部分结构简单，使用方便，只要将此传感光纤铺设到被测量处即可使用。分布式的光纤振动传感与点式的传感器相比，其单位长度内信息获取的成本大大降低。

需要说明的是，光纤除了通信传输信息以外，它本身也是一种传感器件，光纤上的任何一点都能感知周围的环境，所以光纤可以作为一种分布式的传感器。此时，光纤既是一种传感介质，又是被测量的传输介质。因此分布式的光纤振动传感器可以在大空间范围连续进行传感，同时，传感与传光为同一根光纤，传感部分结构简单，使用方便，只要将此传感光纤铺设到被测量处即可使用。分布式光纤振动传感器利用沿管线铺设的光纤作为传感元件，传感光纤上的任一点都具有传感能力，且光纤免维护，能够满足对数十公里管道全线破坏行为的预警、定位。为此，开展具备管道破坏行为预警、定位的分布式光纤传感技术研究具有巨大的社会和经济效益。

分布式的光纤振动传感与点式的传感器相比，其单位长度内信息获取的成本大大降低。整体采用的是光纤相干技术。从激光源发射出来的光束通过耦合器被分为两束相干光，一束通过参考臂不参与调制而直接称为参考光；另一束在传感臂内传播，其光信号在传输时受外界参量调制成信号光。有振动作用于传感臂上时，会使得传感臂光纤的长度和折射率产生改变，进而使得光波相位产生相应的改变。而参考臂光纤由于不会受到外部振动干扰，其相位不会发生任何改变，故而会使得沿传感臂和参考臂传播的两光波的相位不一样，当其经过耦合器时会发生干涉，生成的信号经由探测器（photodetector，PD）检测。

由于整个光纤链路中，各个器件的插入损耗都较小。光纤的双折射特性对最终定位结果会产生较大的影响，为了减少这种影响，必须对光源的波长进行选择，以保证光波在光纤中传输时，偏振模色散最小。根据单模光纤在1310nm处色散值最小的特性，所以选择使用1310nm的激光光源。最终考虑光源波长、输出功率、耦合效率、光谱宽度等因素，本申请中使用输出中心波长为1310nm，最大功率输出为2mw，由于试验系统采用单模光纤作为传感和引导光纤，因此试验结果将不可避免地受到光纤双折射的影响，根据以往实验结果，系统偏振控制方案选择偏振控制器消除光纤双折射对偏振光的退偏效果。

需要说明的是，本发明所述结构可以以多种不同的形式来实现，并不限于所述实施例，凡是本领域普通技术人员利用本发明说明书及附图内容所作的任何等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，例如其他物品的装卸，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.分布式光纤振动传感系统与声发射监测系统及制作方法，包括分布式光纤振动传感系统和光纤声发射监测系统，其特征在于：所述分布式光纤振动传感系统包括由激光器及其驱动单元构成的光源模块、由传感光纤构成的传感模块、信号处理模块与显示模块，所述光纤声发射监测系统包括探测系统和解调系统，其方法为：在传输光纤进行传输工作的同时，激光器发射出的光，通过光隔离器和光衰减器后，一端进入PD，通过采集板进行数据处理，另一端进入干涉仪，光纤振动预警主机为整个系统提供光源，光经过传输光缆传到分割包，再依次传到偏振光缆和下一防区分割包，振动光缆将外界振动信号转换为光信号，然后回送到主机进行光电转换，预警系统对信号进行采集和数据处理，根据设置的参数，将入侵所在防区显示在屏幕上。

2.如权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统与声发射监测系统及制作方法，其特征在于：所述信号处理模块为光纤哨兵，显示模块包括光电转换单元、信号处理单元和显示单元。

3.如权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统与声发射监测系统及制作方法，其特征在于：所述传感光纤为分布式光纤振动传感。

4.如权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统与声发射监测系统及制作方法，其特征在于：所述光电转换单元所用的为可以把光信号转换成电信号的光电传感器。

5.如权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统与声发射监测系统及制作方法，其特征在于：所述分布式光纤振动传感系统中的传感光纤、引导光纤均使用非零色散单模光纤。

6.如权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统与声发射监测系统及制作方法，其特征在于：所述光纤声发射监测系统中所使用的激光光源输出中心波长为1310nm，最大功率输出为2mw。

7.如权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统与声发射监测系统及制作方法，其特征在于：所述光纤声发射监测系统由激光光源、环形器、光电探测器、前置放大器、数据采集显示系统构成。

8.如权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统与声发射监测系统及制作方法，其特征在于：所述分布式光纤传感系统输出的干涉光强信号应先转换成电信号，且需对电信号进行滤波、放大。

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