CN115127663A - 一种基于多芯光纤的多维振动传感器及振动检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于多芯光纤的多维振动传感器及振动检测方法，该多维振动传感器包括：光源模块、振动多芯光纤、扇出模块、振动信号检测模块。光源模块的一端，与振动多芯光纤的轴向一端相对间隔设置，以便将光源模块的光信号，传输至振动多芯光纤的各纤芯。其中，振动多芯光纤的轴向一端能够在多维振动传感器振动时产生多维位移。振动多芯光纤的轴向另一端，连接扇出模块的一端，以分别输出振动多芯光纤的各纤芯接收的光信号。扇出模块的另一端，连接振动信号检测模块的一端，以便通过振动信号检测模块，输出各纤芯的光信号的光强度。通过上述传感器，对多维的复杂振动进行精准、高灵敏度且实时地振动检测。

Description

一种基于多芯光纤的多维振动传感器及振动检测方法

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于多芯光纤的多维振动传感器及振动检测方法。

背景技术

大型建筑物的结构健康状况、机器的运行状态、自然灾害预警以及远程医疗保健等，可以依靠振动检测实现监测预警的目的。目前，通常使用压电加速度计进行振动检测，但此类传感器需要电气隔离，并且为了实现高灵敏度检测，此类传感器需要厘米级的大压电尺寸，这使得传感器的空间分辨率非常低。

近几年，光纤传感器因其固有的非导电性、抗电磁干扰性和高灵敏度等特点而受到广泛关注。另外，光纤传感器还具有体积小、重量轻、成本低以及便于远程监控等优点。

按照光受被测对象的调制形式，光纤传感器可分为相位调制型和强度调制型。相位调制型传感器基于各种各样的相位干涉仪完成振动检测，这类传感器具有较高的灵敏度和精度，但容易受到温度和其他低频环镜噪声的影响。强度调制型传感器，利用振动信号调制透射或反射光的耦合效率，从而实现振动测量。

上述几种类型的传感器，主要集中在一维的振动数据的处理，在实际振动检测场景下，广泛存在多维(方向)的复杂振动数据，依靠上述单独的传感器难以实现精准、高灵敏度且实时地振动检测。

基于此，一种能够对多维振动进行精准、高灵敏度且实时地检测的多维振动传感装置，成为振动检测的迫切需要。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种基于多芯光纤的多维振动传感器及振动检测方法，用于对多维的复杂振动进行精准、高灵敏度且实时地振动检测。

一方面，本申请实施例提供了一种基于多芯光纤的多维振动传感器，该多维振动传感器包括：光源模块、振动多芯光纤、扇出模块、振动信号检测模块。

光源模块的一端，与振动多芯光纤的轴向一端相对间隔设置，以便将光源模块的光信号，传输至振动多芯光纤的各纤芯。其中，振动多芯光纤的轴向一端能够在多维振动传感器振动时产生多维位移。振动多芯光纤的轴向另一端，连接扇出模块的一端，以分别输出振动多芯光纤的各纤芯接收的光信号。扇出模块的另一端，连接振动信号检测模块的一端，以便通过振动信号检测模块，输出各纤芯的光信号的光强度。

在本申请的一种实现方式中，光源模块包括：激光光源单元、第一单模光纤。激光光源单元的一端连接第一单模光纤的轴向一端。第一单模光纤的轴向另一端作为光源模块的一端。

在本申请的一种实现方式中，扇出模块包括：与振动多芯光纤连接的多芯光纤、多个输出端口。多芯光纤连接振动多芯光纤的轴向另一端，以接收光信号，并使各输出端口分别输出光信号至振动信号检测模块。

在本申请的一种实现方式中，振动信号检测模块包括：多个第二单模光纤、多个光电探测器及多个示波器。各第二单模光纤的一端，作为振动信号检测模块的一端。各第二单模光纤的另一端，分别连接各光电探测器的一端。其中，第二单模光纤与光电探测器一一对应。各光电探测器的另一端，分别连接各示波器的输入端，光电探测器与示波器对应。

在本申请的一种实现方式中，多个输出端口的数量，与振动多芯光纤的纤芯的数量相同。

在本申请的一种实现方式中，多个第二单模光纤、多个光电探测器及多个示波器的数量，分别与振动多芯光纤的纤芯的数量相同。

在本申请的一种实现方式中，振动多芯光纤的各纤芯与第一单模光纤的芯径相同。

在本申请的一种实现方式中，振动多芯光纤为弱耦合光纤。

在本申请的一种实现方式中，振动多芯光纤的各纤芯之间的间距小于各纤芯的芯径。

另一方面，本申请实施例还提供了一种基于多芯光纤的多维振动传感器的振动检测方法，该方法包括：

振动多芯光纤接收静止或振动状态下，光源模块发出的光信号。振动多芯光纤，通过相应的各纤芯，将光信号发送至扇出模块。扇出模块根据获取光信号的相应光纤，分别输出光信号至振动信号检测模块，以通过振动信号检测模块，输出各纤芯的光信号的光强度。

本申请通过上述的多维振动传感器，能够在振动或静止的情况下，通过振动多芯光纤接收光源模块发出的光信号，并将不同纤芯得到的光信号，通过扇出模块传输至振动信号检测模块。振动多芯光纤的各纤芯接收到不同光信号，并进行分别传输，以使振动信号检测模块接收到不同的光强度，从而通过光强度的检测实现振动检测传感的目的。此外，本申请提供的多维振动传感器及相应的振动检测方法，不易受到温度及其他低频环境噪声的影响，可以实现对多维(三维)振动进行精准、高灵敏度且实时地检测。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例中一种基于多芯光纤的多维振动传感器的一种结构示意图；

图2为本申请实施例中一种基于多芯光纤的多维振动传感器的光源模块的结构示意图；

图3为本申请实施例中一种基于多芯光纤的多维振动传感器的振动多芯光纤的剖面示意图；

图4为本申请实施例中一种基于多芯光纤的多维振动传感器的另一种结构示意图；

图5为本申请实施例中一种基于多芯光纤的多维振动传感器的振动检测方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种基于多芯光纤的多维振动传感器及振动检测方法，用来对多维的复杂振动进行精准、高灵敏度且实时地振动检测。

以下结合附图，详细说明本申请的各个实施例。

本申请实施例提供了一种基于多芯光纤的多维振动传感器，如图1所示，该一种基于多芯光纤的多维振动传感器100至少包括：光源模块110、振动多芯光纤120、扇出模块130、振动信号检测模块140。

其中，光源模块110的一端，与振动多芯光纤120的轴向一端相对间隔设置，以便将光源模块110的光信号，传输至振动多芯光纤120的各纤芯。其中，振动多芯光纤120的轴向一端能够在多维振动传感器100振动时产生多维位移。振动多芯光纤120的轴向另一端，连接扇出模块130的一端，以分别输出振动多芯光纤120的各纤芯接收的光信号。扇出模块130的另一端，连接振动信号检测模块140的一端，以便通过振动信号检测模块140，输出各纤芯的光信号的光强度。

在本申请的一些实施例中，如图2所示，多维振动传感器100可以包括壳体210，光源模块110固定于壳体210内部的一侧，在多维振动传感器100发生振动时，光源模块110将与多维振动传感器100同步振动；而振动多芯光纤120能够根据多维振动传感器100的振动，进行自由地多维位移振动。该多维位移至少包括：前后位移、左右位移、上下位移。需要说明的是，前后、左右、上下可理解为如图2所示摆放时的三维空间的坐标轴方向，本申请的多维位移但并不限定该多维位移只能够进行上述举例的位移方向，前后、左右、上下并不能对本申请的多维振动传感器的设置、使用方向进行限定。

在本申请的一些实施例中，本申请所述的多维振动，至少包括一维的振动、二维的振动及三维的振动，一维的振动可理解为现有的传感器能够进行振动检测的单维方向振动。本申请的多维振动传感器能够实现至少三个方向振动的检测。

在本申请的一些实施例中，振动多芯光纤120优选为七芯光纤，且各纤芯的芯径相等，如图3所示，振动多芯光纤120为七芯光纤时其轴向一端的剖面图。

参考图4，在本申请实施例中，光源模块110包括：激光光源单元111、第一单模光纤112。

激光光源单元111的一端连接第一单模光纤112的轴向一端。第一单模光纤112的轴向另一端作为光源模块110的一端。

在本申请的一些实施例中，激光光源单元111可以采用单频光源或宽频光源，对此本申请不作具体限定。

在本申请的一些实施例中，振动多芯光纤120的各纤芯与第一单模光纤112的芯径相同。

在本申请的一些实施例中，在静止时，第一单模光纤112与振动多芯光纤120的中间纤芯(301)相对间隔设置，相对间隔设置指的是二者处于第一单模光纤112所在的射线方向(对齐)，且二者之间具有一定距离(不接触)。第一单模光纤112耦合输出激光光源单元111发出的激光，在静止时，只有振动多芯光纤120的中间纤芯能够检测到光信号；在外界振动，振动多芯光纤发生多维位移时，不同的振动方向，使得振动多芯光纤120的不同纤芯处于第一单模光纤112所在的射线方向(对齐)，从而使振动多芯光纤120的不同纤芯能够输出光信号，以通过不同纤芯输出的光强度，进行振动检测。

在本申请实施例中，扇出模块130包括：与振动多芯光纤120连接的多芯光纤131、多个输出端口132。

多芯光纤131连接振动多芯光纤120的轴向另一端，以接收光信号，并使各输出端口132分别输出光信号至振动信号检测模块140。

在本申请的一些实施例中，扇出模块130的一段为多芯光纤131，另一端的多个输出端口132能够将多芯光纤131的各纤芯的光信号分路至不同的单模光纤，输出给振动信号检测模块140。

在本申请的一些实施例中，多个输出端口132的数量，与振动多芯光纤120的各纤芯的数量相同。

例如振动多芯光纤120为七芯光纤，那么输出端口132为7个。

通过上述扇出模块130，能够实现在振动多芯光纤120位移过程中，振动多芯光纤120的各纤芯接受到的不同光信号，分别进行传输，从而使振动信号检测模块140接收到不同的光强度，以通过光强度的检测实现振动检测的目的。

在本申请实施例中，振动信号检测模块140包括：多个第二单模光纤141、多个光电探测器142及多个示波器143。

各第二单模光纤141的一端，作为振动信号检测模块140的一端。各第二单模光纤141的另一端，分别连接各光电探测器142的一端。其中，第二单模光纤141与光电探测器142一一对应。各光电探测器142的另一端，分别连接各示波器143的输入端，光电探测器142与示波器143对应。

在本申请的一些实施例中，多个第二单模光纤141、多个光电探测器142及多个示波器143的数量，分别与振动多芯光纤120的各纤芯的数量相同。

具体地，如图4所示，第二单模光纤141与光电探测器142一一对应指的是，一个第二单模光纤141有且只有唯一一个光电探测器142与之连接；同理，光电探测器142与示波器143对应指的是，一个光电探测器142至少有一个示波器143与之连接，接收其光信号。具体地，在示波器有多个通道的情况下，可以多个光电探测器连接同一个示波器，即一个光电探测器连接示波器的一个通道。

在本申请实施例中，振动多芯光纤120为弱耦合光纤。

采用弱耦合光纤，能够保证各纤芯之间传输的光不能够相互耦合。

在本申请实施例中，振动多芯光纤120的各纤芯之间的间距小于各纤芯的芯径。

另一方面，本申请还提供了一种基于多芯光纤的多维振动传感器的振动检测方法，如图5所示，该方法包括以下步骤：

S501，振动多芯光纤接收静止或振动状态下，光源模块发出的光信号。

S502，振动多芯光纤，通过相应的各纤芯，将光信号发送至扇出模块。

S503，扇出模块根据获取光信号的相应光纤，分别输出光信号至振动信号检测模块，以通过振动信号检测模块，输出各纤芯的光信号的光强度。

在本申请实施例中，振动信号检测模块通过其示波器，输出振动多芯光纤的不同纤芯接收到的光信号的光强度，通过示波器显示的光强度及检测各纤芯的光强度变化，进行判断振动方向，从而实现至少三维方向的振动传感。且本申请提供的多维振动传感器及振动检测方法，不易受到温度、其他低频环境噪声的影响。

本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本申请实施例提供的设备与方法是一一对应的，因此，设备也具有与其对应的方法类似的有益技术效果，由于上面已经对多维振动传感器的有益技术效果进行了详细说明，因此，这里不再赘述其振动检测方法的有益技术效果。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多芯光纤的多维振动传感器，其特征在于，所述多维振动传感器包括：光源模块、振动多芯光纤、扇出模块、振动信号检测模块；

所述光源模块的一端，与所述振动多芯光纤的轴向一端相对间隔设置，以便将所述光源模块的光信号，传输至所述振动多芯光纤的各纤芯；其中，所述振动多芯光纤的轴向一端能够在所述多维振动传感器振动时产生多维位移；

所述振动多芯光纤的轴向另一端，连接所述扇出模块的一端，以分别输出所述振动多芯光纤的各纤芯接收的所述光信号；

所述扇出模块的另一端，连接所述振动信号检测模块的一端，以便通过所述振动信号检测模块，输出所述各纤芯的所述光信号的光强度。

2.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的多维振动传感器，其特征在于，所述光源模块包括：激光光源单元、第一单模光纤；

所述激光光源单元的一端连接所述第一单模光纤的轴向一端；

所述第一单模光纤的轴向另一端作为所述光源模块的一端。

3.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的多维振动传感器，其特征在于，所述扇出模块包括：与所述振动多芯光纤连接的多芯光纤、多个输出端口；

所述多芯光纤连接所述振动多芯光纤的轴向另一端，以接收所述光信号，并使各所述输出端口分别输出所述光信号至所述振动信号检测模块。

4.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的多维振动传感器，其特征在于，所述振动信号检测模块包括：多个第二单模光纤、多个光电探测器及多个示波器；

各所述第二单模光纤的一端，作为所述振动信号检测模块的一端；

各所述第二单模光纤的另一端，分别连接各所述光电探测器的一端；其中，所述第二单模光纤与所述光电探测器一一对应；

各所述光电探测器的另一端，分别连接各所述示波器的输入端，所述光电探测器与所述示波器对应。

5.根据权利要求3所述的基于多芯光纤的多维振动传感器，其特征在于，所述多个输出端口的数量，与所述振动多芯光纤的纤芯的数量相同。

6.根据权利要求4所述的基于多芯光纤的多维振动传感器，其特征在于，所述多个第二单模光纤、所述多个光电探测器及所述多个示波器的数量，分别与所述振动多芯光纤的纤芯的数量相同。

7.根据权利要求2所述的基于多芯光纤的多维振动传感器，其特征在于，所述振动多芯光纤的各纤芯与所述第一单模光纤的芯径相同。

8.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的多维振动传感器，其特征在于，所述振动多芯光纤为弱耦合光纤。

9.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的多维振动传感器，其特征在于，所述振动多芯光纤的各纤芯之间的间距小于所述各纤芯的芯径。

10.一种基于多芯光纤的多维振动传感器的振动检测方法，其特征在于，所述方法包括：

振动多芯光纤接收静止或振动状态下，光源模块发出的光信号；

所述振动多芯光纤，通过相应的各纤芯，将所述光信号发送至扇出模块；

所述扇出模块根据获取所述光信号的相应光纤，分别输出所述光信号至振动信号检测模块，以通过所述振动信号检测模块，输出所述各纤芯的所述光信号的光强度。

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