CN114543968B - 光纤弯曲振动传感方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤弯曲振动传感方法，它包括如下步骤：步骤1：激光光源向变直径光纤输出激光信号；步骤2：振动引起变直径光纤的弯曲部的光纤弯曲半径改变，光纤弯曲半径的改变使变直径光纤中传输的光信号的光功率在弯曲部8处损耗而被调制；步骤3：光电转换模块将变直径光纤输出的弯曲损耗光功率调制信号转换为表征弯曲部8振动的电信号；步骤4：数据处理模块通过数字滤波的方式滤除表征弯曲部振动的电信号的噪声，还原振动波形。本发明具有较高的光纤弯曲振动传感能力，能适应于更多的振动传感应用场景。

Description

光纤弯曲振动传感方法及装置

技术领域

本发明涉及振动传感监测技术领域，具体地指一种光纤弯曲振动传感方法及装置。

背景技术

随着人类科技的飞速发展，各种工程结构、机械结构和地震自然灾害等的监测对分析和解决复杂的振动问题提出了更高的要求，传统的电磁类振动传感器在灵敏度、精度、动态范围、抗电磁干扰等方面已经不能满足应用需求。所以研制和开发新型的更高质量的振动传感器变得格外重要。光纤振动传感器除具有传统电磁类传感器的功能外，还具有抗电磁干扰和原子辐射、灵敏度高、测量速度快、稳定性好等优点，因而，被广泛应用于航空、航天、桥梁、土木建筑等领域。

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。基于光纤弯曲损耗效应的振动传感器因其结构简单、成本低、易于实现等，受到了研究者们的关注。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。然而，当前商用的光纤都是基于通信需求而生的，这些光纤大都在设计与生产中采取了一定的措施防止弯曲损耗，这就使得传统的通信光纤不适合高灵敏度弯曲损耗传感。使得其损耗曲线平坦，灵敏度不高，无法做到弱信号还原，其应用场景受限，因此，需求一种灵敏度高的低成本光纤用于制作弯曲振动传感器。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种光纤弯曲振动传感方法及装置，本发明具有较高的光纤弯曲振动传感能力，能适应于更多的振动传感应用场景。

为实现此目的，本发明所设计的一种光纤弯曲振动传感方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：激光光源向变直径光纤输出激光信号；

所述变直径光纤包括光纤振动传感段、第一光纤连接段、第二光纤连接段、第一光纤变直径过渡段和第二光纤变直径过渡段，所述光纤振动传感段的一端通过第一光纤变直径过渡段与第一光纤连接段连为一体，光纤振动传感段的另一端通过第二光纤变直径过渡段与第二光纤连接段连为一体，所述振动传感光纤段具有弯曲部，所述光纤振动传感段的直径小于第一光纤连接段的直径，光纤振动传感段的直径小于第二光纤连接段的直径；

步骤2：振动引起变直径光纤的弯曲部的光纤弯曲半径改变，光纤弯曲半径的改变使变直径光纤中传输的光信号的光功率在弯曲部 8处损耗而被调制；

步骤3：光电转换模块将变直径光纤输出的弯曲损耗光功率调制信号转换为表征弯曲部8振动的电信号；

步骤4：数据处理模块通过数字滤波的方式滤除表征弯曲部振动的电信号的噪声，还原振动波形。

本发明的工作原理为：

单模光纤弯曲时，当弯曲半径小于一个定值后，光纤中光传播的全反射条件被破坏，部分光能量开始泄露到包层形成损耗，弯曲损耗随着弯曲半径的变小而增大。弯曲半径越小，弯曲损耗的变化越大。因此，当单模光纤处在较小弯曲半径时，外界振动能引起传感光纤部分弯曲半径微小的变化，而这种微小的弯曲半径变化足以引起较大的弯曲损耗，从光纤中传输的光功率上来看，外界的振动对光功率进行了强度调制。由于普通通信光纤采取了一定措施避免光纤对弯曲敏感，因此，普通通信光纤的弯曲振动传感灵敏度较低。为了提高灵敏度，本发明在拉制普通通信光纤的过程中，将光纤进一步拉细作为传感光纤，这种细的单模光纤对弯曲的敏感度更高，因此，通过检测细光纤中光功率的变化即可得知外界振动的信息，实现高灵敏度振动传感。同时，控制细光纤两端的拉丝直径，将光信号传输光纤恢复成普通通信单模光纤(即光纤连接段)，这种对弯曲相对不敏感的光纤段仅用于传输光信号，避免引入传感区域以外的噪声，也便于与前端激光器和后端光电转换单元的耦合。

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、本发明采用细光纤作为传感光纤，提高了光纤弯曲振动传感灵敏度；

3、本发明在光纤拉制过程中，将传感光纤部分的两端恢复成弯曲不敏感的普通通信光纤，避免了非传感区域光纤的振动干扰，提高了振动传感的可靠性。

4、本发明采用变直径的方法，在光纤拉丝过程中一次性拉制出不同直径的两段光纤，无需焊接，提高了光纤的适用范围；

5、本发明可以直接使用普通通信光纤的预制棒拉制高灵敏度振动传感光纤，无需特殊设计和工艺，降低了制作成本；

6、本发明振动传感低频特性好，频谱宽，应用范围广泛；

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为本发明中传感装置的结构示意图。

图2为本发明变直径光纤结构示意图。

图3为本发明用于生命体征弱振动信号检测床垫结构示意图。

图4为本发明用于生命体征弱振动信号检测的波形图；

图5为普通直径的单模光纤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—变直径光纤、2.1—光纤振动传感段、2.2—第一光纤连接段、2.3—第二光纤连接段、2.4—第一光纤变直径过渡段、2.5—第二光纤变直径过渡段、3—光电转换模块、4—数据处理模块、5—压棒、6—背板、7—上位机、8—弯曲部。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1和2所示的一种光纤弯曲振动传感方法，它包括如下步骤：

步骤1：激光光源1向变直径光纤2输出1500～1700nm的连续光激光信号(波长越长，弯曲振动传感的敏感度越高，而当前商用的激光器波长大都集中在1310nm和1550nm附近，本发明专利优选了1550nm附近范围的波长)；

所述变直径光纤2包括光纤振动传感段2.1、第一光纤连接段 2.2、第二光纤连接段2.3、第一光纤变直径过渡段2.4和第二光纤变直径过渡段2.5，所述光纤振动传感段2.1的一端通过第一光纤变直径过渡段2.4与第一光纤连接段2.2连为一体，光纤振动传感段2.1 的另一端通过第二光纤变直径过渡段2.5与第二光纤连接段2.3连为一体，所述振动传感光纤段2.1具有弯曲部8，所述光纤振动传感段2.1的直径小于第一光纤连接段2.2的直径，光纤振动传感段2.1的直径小于第二光纤连接段2.3的直径；

步骤2：振动引起变直径光纤2的弯曲部8的光纤弯曲半径改变，光纤弯曲半径的改变使变直径光纤2中传输的光信号的光功率在弯曲部8处损耗而被调制(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被调制)；

步骤3：光电转换模块3将变直径光纤2输出的弯曲损耗光功率调制信号转换为表征弯曲部振动的电信号；

步骤4：数据处理模块4(嵌入式处理器，例如STM32H743) 通过数字滤波的方式滤除表征弯曲部振动的电信号的噪声，还原振动波形。

上述技术方案中，所述光纤振动传感段2.1的直径范围为70～110 微米，直径小于70微米光很容易泄露，导致光电模块接收不到光信号，大于110微米不能达到很好的检测精度，从后面的实施例可以看出，拉细的光纤探测效果更好。所述第一光纤连接段2.2和第二光纤连接段2.3的直径相等均为125微米。

上述技术方案中，所述变直径光纤2由常规商用光纤通过拉制改变拉丝直径形成，其中，在拉制光纤时，通过激光测径监测仪和线径控制电路将拉丝直径控制在商用光纤对应的直径(例如125微米)，拉制预设距离(5～10米)，而后通过线径控制电路将拉丝直径改变为光纤振动传感段2.1的设计直径(例如100微米)，由于拉丝过程中光纤直径无法突变，因此，此时光纤直径会从商用光纤对应的直径逐渐变细过渡到光纤振动传感段2.1的设计直径，通过激光测径监测仪记录光纤振动传感段2.1设计直径所需的长度(例如10米)，而后通过线径控制电路将拉丝直径恢复为商用光纤对应的直径，此时光纤直径会从振动传感段2.1设计直径逐渐变粗过渡到商用光纤对应的直径，继续拉制预设距离(5～10米)完成一段变直径光纤的拉制。而后循环往复，可以拉制多段变直径光纤。

上述技术方案中，所述光纤振动传感段2.1、第一光纤连接段2.2、第二光纤连接段2.3、第一光纤变直径过渡段2.4和第二光纤变直径过渡段2.5的纤芯与包层的直径比相等，纤芯与包层的直径比的范围均为3～10％。

上述技术方案中，振动传感光纤段2.1的弯曲部8由压棒5压制在背板6上实现弯曲部8的定型。由于光纤的柔性，光纤会顺着硬质压棒的圆周弯曲，这样既能达到弯曲的目的，又便于控制弯曲半径(由硬质压棒的半径决定)。由于弯曲损耗传感中的损耗包括两个部分，静态损耗(即光纤弯曲后静置不受环境影响的损耗)和动态损耗(即本发明中所指的振动引起的弯曲损耗)。传感中当然期望动态损耗越大越好，而静态损耗就不需要很大。静态损耗过大反而会降低传感的性能，因此采用硬质压棒弯曲光纤，可以减小弯曲部8的弯曲长度，在增大动态损耗的情况下还能尽量不增加静态损耗，这样更有利于振动传感。

上述技术方案中，所述振动传感光纤段2.1的弯曲部8的弯曲半径为0.3～13毫米。弯曲部8为U形弯曲或圆环弯曲。普通单模光纤的弯曲损耗的弯曲半径都会有一个特殊的临界值，大于临界值的弯曲半径的弯曲损耗很小，可以忽略不计，而小于临界值弯曲半径的弯曲损耗会明显增大，即弯曲半径过大是不会引起明显的弯曲损耗的，这里设置的范围基本都小于各种光纤弯曲半径的临界值。

上述技术方案中，所述光纤振动传感段2.1的一端与第一光纤变直径过渡段2.4的小直径端连为一体，第一光纤连接段2.2与第一光纤变直径过渡段2.4的大直径端连为一体；

光纤振动传感段2.1的另一端与第二光纤变直径过渡段2.5的小直径端连为一体，第二光纤连接段2.3与第二光纤变直径过渡段2.5 的大直径端连为一体。所述第一光纤变直径过渡段2.4和第二光纤变直径过渡段2.5为平滑过渡段。

一种用于光纤弯曲振动传感方法的光纤弯曲振动传感装置，其特征在于，它包括激光光源1、变直径光纤2、光电转换模块3、数据处理模块4和上位机7，所述变直径光纤2包括光纤振动传感段2.1、第一光纤连接段2.2、第二光纤连接段2.3、第一光纤变直径过渡段2.4和第二光纤变直径过渡段2.5，所述光纤振动传感段2.1的一端通过第一光纤变直径过渡段2.4与第一光纤连接段2.2连为一体，光纤振动传感段2.1的另一端通过第二光纤变直径过渡段2.5与第二光纤连接段2.3连为一体，所述振动传感光纤段2.1具有弯曲部 8，所述光纤振动传感段2.1的直径小于第一光纤连接段2.2的直径，光纤振动传感段2.1的直径小于第二光纤连接段2.3的直径；

所述激光光源1的激光信号输出端连接第一光纤连接段2.2，光电转换模块3的光功率调制信号输入端连接第二光纤连接段2.3，光电转换模块3用于将变直径光纤2输出的弯曲损耗光功率调制信号转换为表征弯曲部振动的电信号；

数据处理模块4用于通过数字滤波的方式滤除表征弯曲部振动的电信号的噪声，还原振动波形。

所述上位机7用于分析、处理与显示还原出来的振动波形信号，其中，上位机的分析过程为将还原的振动波形与感知的物理量做对比映射(即还原的振动波形中不同的振幅、相位、频率等参量对应了所感知物理量的哪些变化或状态)，上位机的处理过程为通过还原的振动波形与感知物理量的映射关系，判别物理量的状态变化，根据预先设定的条件做出相应决策(例如通知、预警或动作等)。

本发明的变直径光纤包含普通直径光纤和细直径光纤两段，两段光纤之间的连接是拉制光纤时改变拉丝直径的变直径过渡段。本发明将普通通信光纤预制棒在拉丝塔拉制的过程中，将拉丝的直径控制在70～110微米之间，而后覆盖涂覆层，用于制作弯曲振动传感器，这种细光纤能显著增强光纤弯曲损耗效应，使得光纤弯曲传感灵敏度得到大幅度提升。同时，为了方便传感光纤与信号传输光纤之间光能量的耦合，在拉丝过程中，传感光纤两端分别将拉丝直径设置成正常的125微米，实现传感光纤两端变为正常的通信光纤，方便与前端激光器和后端光电转换单元的耦合。

实施例1

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，发明人将变直径光纤中细直径光纤段作为传感光纤，以“S”形绕制，其上压置硬质塑料棒(直径1mm)，如图3 所示制作成床垫。人躺在床垫上，从上位机提取的信号中可以看出 (如图4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，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。

实施例2

本实施例采用与实施例1同样的结构制作床垫，不同的是，将光纤替换成同样预制棒拉制的普通直径的通信单模光纤。在同样的测试环境下，从上位机提取的信号中可以看出(如图5所示)，此时只能测到非常微弱的呼吸波形，且被噪声严重影响，而心跳信号完全测不到。

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。

本说明书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 (6)

1.一种光纤弯曲振动传感方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：激光光源(1)向变直径光纤(2)输出激光信号；

所述变直径光纤(2)包括光纤振动传感段(2.1)、第一光纤连接段(2.2)、第二光纤连接段(2.3)、第一光纤变直径过渡段(2.4)和第二光纤变直径过渡段(2.5)，所述光纤振动传感段(2.1)的一端通过第一光纤变直径过渡段(2.4)与第一光纤连接段(2.2)连为一体，光纤振动传感段(2.1)的另一端通过第二光纤变直径过渡段(2.5)与第二光纤连接段(2.3)连为一体，所述光纤振动传感段(2.1)具有弯曲部(8)，所述光纤振动传感段(2.1)的直径小于第一光纤连接段(2.2)的直径，光纤振动传感段(2.1)的直径小于第二光纤连接段(2.3)的直径；

步骤2：振动引起变直径光纤(2)的弯曲部(8)的光纤弯曲半径改变，光纤弯曲半径的改变使变直径光纤(2)中传输的光信号的光功率在弯曲部(8)处损耗而被调制，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被调制；

步骤3：光电转换模块(3)将变直径光纤(2)输出的弯曲损耗光功率调制信号转换为表征弯曲部(8)振动的电信号；

步骤4：数据处理模块(4)通过数字滤波的方式滤除表征弯曲部振动的电信号的噪声，还原振动波形，上位机(7)分析和处理还原出来的振动波形信号，上位机(7)的分析过程为将还原的振动波形与感知的物理量做对比映射，上位机(7)的处理过程为通过还原的振动波形与感知物理量的映射关系，判别物理量的状态变化，根据预先设定的条件做出相应决策；

所述变直径光纤(2)由常规商用光纤通过拉制改变拉丝直径形成，其中，在拉制光纤时，通过激光测径监测仪和线径控制电路将拉丝直径控制在商用光纤对应的直径，拉制预设距离，而后通过线径控制电路将拉丝直径改变为光纤振动传感段(2.1)的设计直径，由于拉丝过程中光纤直径无法突变，因此，此时光纤直径会从商用光纤对应的直径逐渐变细过渡到光纤振动传感段(2.1)的设计直径，通过激光测径监测仪记录光纤振动传感段(2.1)设计直径所需的长度，而后通过线径控制电路将拉丝直径恢复为商用光纤对应的直径，此时光纤直径会从光纤振动传感段(2.1)设计直径逐渐变粗过渡到商用光纤对应的直径，继续拉制预设距离完成一段变直径光纤的拉制；

所述光纤振动传感段(2.1)、第一光纤连接段(2.2)、第二光纤连接段(2.3)、第一光纤变直径过渡段(2.4)和第二光纤变直径过渡段(2.5)的纤芯与包层的直径比相等，纤芯与包层的直径比的范围均为3～10％；

光纤振动传感段(2.1)的弯曲部(8)由压棒(5)压制在背板(6)上实现弯曲部(8)的定型；

所述光纤振动传感段(2.1)的弯曲部(8)的弯曲半径为0.3～13毫米。

2.根据权利要求1所述的光纤弯曲振动传感方法，其特征在于：所述光纤振动传感段(2.1)的直径范围为70～110微米。

3.根据权利要求1所述的光纤弯曲振动传感方法，其特征在于：所述第一光纤连接段(2.2)和第二光纤连接段(2.3)的直径相等均为125微米。

4.根据权利要求1所述的光纤弯曲振动传感方法，其特征在于：所述光纤振动传感段(2.1)的一端与第一光纤变直径过渡段(2.4)的小直径端连为一体，第一光纤连接段(2.2)与第一光纤变直径过渡段(2.4)的大直径端连为一体；

光纤振动传感段(2.1)的另一端与第二光纤变直径过渡段(2.5)的小直径端连为一体，第二光纤连接段(2.3)与第二光纤变直径过渡段(2.5)的大直径端连为一体。

5.根据权利要求1所述的光纤弯曲振动传感方法，其特征在于：所述第一光纤变直径过渡段(2.4)和第二光纤变直径过渡段(2.5)为平滑过渡段。

6.一种用于权利要求1所述方法的光纤弯曲振动传感装置，其特征在于，它包括激光光源(1)、变直径光纤(2)、光电转换模块(3)和数据处理模块(4)，其特征在于：所述变直径光纤(2)包括光纤振动传感段(2.1)、第一光纤连接段(2.2)、第二光纤连接段(2.3)、第一光纤变直径过渡段(2.4)和第二光纤变直径过渡段(2.5)，所述光纤振动传感段(2.1)的一端通过第一光纤变直径过渡段(2.4)与第一光纤连接段(2.2)连为一体，光纤振动传感段(2.1)的另一端通过第二光纤变直径过渡段(2.5)与第二光纤连接段(2.3)连为一体，所述光纤振动传感段(2.1)具有弯曲部(8)，所述光纤振动传感段(2.1)的直径小于第一光纤连接段(2.2)的直径，光纤振动传感段(2.1)的直径小于第二光纤连接段(2.3)的直径；

所述激光光源(1)的激光信号输出端连接第一光纤连接段(2.2)，光电转换模块(3)的光功率调制信号输入端连接第二光纤连接段(2.3)，光电转换模块(3)用于将变直径光纤(2)输出的弯曲损耗光功率调制信号转换为表征弯曲部振动的电信号；

数据处理模块(4)用于通过数字滤波的方式滤除表征弯曲部振动的电信号的噪声，还原振动波形。

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