CN116147753A - 一种具有色散补偿光纤的光纤振动传感器及其检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有色散补偿光纤的光纤振动传感器及其检测装置，该光纤振动传感器包括以色散补偿光纤为干涉臂的干涉结构；干涉结构是由所述色散补偿光纤的两端分别与第一单模光纤和第二单模光纤熔接构成。本发明具有的优点是该光纤振动传感器能够实现双频振动信号的同时监测，相比单频信号的测量，双频信号之间存在相互作用，会产生干扰谐波；但该振动传感器双频监测的基频幅值远高于谐波幅值，振动信号实现无畸变输出，同时不会降低输出信号的信噪比；当测量振动频率时，不受温度影响，避免温度交叉敏感。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种具有色散补偿光纤的光纤振动传感器及其检测装置。
背景技术
光纤传感技术是伴随着光纤技术和光纤通信技术发展而兴起的新型传感技术；其是以光纤为媒介感知和探测外界被测信号，在传感方式、传感原理和信号的探测及处理等方面都与传统的电学传感器有着明显的差异；光纤传感器因其抗电磁干扰，危险性小，尺寸紧凑，重量轻，成本低和灵活性极佳的特性，在一些特殊的环境中具有高度的适应性，从而可以对被测物理参数进行精确监测。自德国物理学家马赫和曾德尔于十九世纪提出一种空间光干涉系统以来，研究人员用不同的光纤马赫-曾德尔结构实现了多种物理量的测量；马赫-曾德干涉型光纤传感器具有结构简单轻便、易于制作、灵敏度高、传感波长范围大的特点，长期以来是国内外研究人员关注的重点方向。
但是，现有的马赫-曾德干涉型光纤传感器基于光信号的强度信息很容易受到外界环境的影响，制作成本高；因此，研究并实现一种灵敏度高、频率响应范围大、结构紧凑、制作成本低的光纤振动传感器在目前仍然具有较高的研究与应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种具有色散补偿光纤的光纤振动传感器及其检测装置，该光纤振动传感器能够实现双频振动信号的同时监测，相比于单频信号的测量，双频信号之间存在相互作用，会产生干扰谐波；但该振动传感器双频监测的主频幅值远高于谐波幅值，振动信号实现无畸变输出，同时不会降低输出信号的信噪比。该检测装置结构简单、可操作性强、灵敏度高、测量精度高、耐受环境力强，抗电磁干扰能力强，测量稳定性强。
本发明是通过以下技术方案实现的：一方面，提供一种具有色散补偿光纤的光纤振动传感器，该光纤振动传感器包括以色散补偿光纤为干涉臂的干涉结构；所述干涉结构是由所述色散补偿光纤的两端分别与第一单模光纤和第二单模光纤熔接构成；并且所述色散补偿光纤的纤芯和包层直径分别为4-6μm和100-120μm，所述第一单模光纤和所述第二单模光纤的纤芯和包层直径分别为7.7-8.7μm和124.3-125.7μm；
其中，所述第一单模光纤的一端连接有光源，所述第二单模光纤的末端连接有光电探测器。
通过上述技术方案，本发明将第一单模光纤、第二单模光纤以及色散补偿光纤的涂覆层剥去，并用切割刀进行切割，然后将切割好的第一单模光纤、第二单模光纤以及色散补偿光纤放入熔接机中进行放电熔接，形成SMF-DCF-SMF的光纤波导；基于所述色散补偿光纤的纤芯和包层直径分别为4-6μm和100-120μm，所述第一单模光纤和所述第二单模光纤的纤芯和包层直径分别为7.7-8.7μm和124.3-125.7μm；当光源进入第一单模光纤，以光纤基模形式传输，经过第一单模光纤与色散补偿光纤的熔接点时，纤芯直径不匹配，模场之间的不匹配，导致高阶包层模式被激发，激发效率提高；使得一部分纤芯模式被激发到包层中形成包层模式，沿包层继续传输，另一部分沿着色散补偿光纤的纤芯继续传播，到达色散补偿光纤与第二单模光纤的熔接点时，耦合效率显著提高，将包层模式再次耦合进所述第二单模光纤的纤芯中；基于第二单模光纤的纤芯与包层模式之间存在的相位差，第二单模光纤的纤芯和包层模式之间产生干涉，形成马赫-曾德尔干涉。
具体地，纤芯模式和包层模式之间的相位差为芯层和包层模式之间的相位差φmn可以表示为：
其中，L是有效干涉长度，λ是波长，
分别为纤芯模式和高阶包层模式的有效折射率。
另外，色散补偿光纤具有双包层结构，通过将色散补偿光纤分别与第一单模光纤和第二单模光纤熔接于一体，形成包层谐振，透射光谱呈现下降趋势，振动也会引起传输倾角的偏移，从而通过强度解调，得到频率的改变；传感器的强度由于共振谱的移动会发生周期性的变化，进而通过强度的周期性变化来反映振动变化，以实现该传感器的结构紧凑、灵敏度高等优点；基于色散补偿光纤的长度的控制，进而能够实现包层模的激发的控制。
进一步地，所述光源是指以1550nm为中心波长的窄带光源。
进一步地，所述熔接方式包括点状熔接或熔融拉锥；其中所述点状熔接呈倒八字状。
通过上述技术方案，上述点状熔接方法如下：首先去除待熔接光纤的外涂覆层，然后对其端面进行切割，并将其端面熔化成型为倒八字状以实现点状熔接；熔接环境温度为18～25℃；熔接机的放电强度是100bit，放电时间为160ms，融合过程中损耗为0.01dB。
上述熔融拉锥方法如下：将第一单模光纤、第二单模光纤以及色散补偿光纤的涂覆层剥去，并用切割刀进行切割，然后将切割好的第一单模光纤、第二单模光纤以及色散补偿光纤在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的SMF-DCF-SMF的波导结构，通过控制光纤扭转的角度和拉伸的长度，可得到不同的分光比例；并将拉锥区用固化胶固化在石英基片上插入不锈铜管内。
进一步地，所述干涉臂的长度为7-11mm。
通过上述技术方案，在上述干涉臂为11mm的长度下，所得传感器的干涉臂短，结构简单，易于制造，且其频率信号的信噪比更好。
另一方面，提供了一种基于上述的具有色散补偿光纤的光纤振动传感器的振动检测装置，包括所述光纤振动传感器、压电陶瓷片、窄带激光器、信号发生器、光电探测器以及示波器；所述窄带激光器和所述光电探测器分别连接于所述光纤振动传感器两端，所述光纤振动传感器中的第一单模光纤-色散补偿光纤-第二单模光纤的干涉结构固定于所述压电陶瓷片上，所述信号发生器连接于所述压电陶瓷片，所述示波器用于监测所述光电探测器的输出信号；其中所述窄带激光器释放以1550nm为中心波长的窄带光源。
通过上述技术方案，该检测装置减少了压电陶瓷模块的驱动，相对于现有的检测装置具有结构简单、可操作性强、灵敏度高、测量精度高、耐受环境力强，抗电磁干扰能力强，测量稳定性强的优点。
进一步地，当单频范围为0.03Hz-47kHz时，所述振动传感器加载振动信号频率与测量的振动信号频率具有线性关系，其线性度为1。
通过上述技术方案，采用双频范围时，其加载的振动信号与测量的振动信号之间是一致的，测量得到频率能够从噪声信号和倍频信号中区分出来。
本发明的有益效果在于：该光纤振动传感器能够实现双频振动信号的同时监测，相比于单频信号的测量，双频信号之间存在相互作用，会产生干扰谐波；但该振动传感器双频监测的基频幅值远高于谐波幅值，振动信号实现无畸变输出，同时不会降低输出信号的信噪比。该检测装置结构简单、可操作性强、灵敏度高、测量精度高、抗电磁干扰强、耐受环境力强，测量稳定性强。
附图说明
图1为本发明体现光纤振动传感器的结构示意图；
图2为本发明体现光纤振动传感器的检测装置的结构示意图；
图3为振动信号为600赫兹时对应的时域图；
图4为振动信号为600赫兹时对应的频域图；
图5为频率为0.03-47k赫兹的拟合图；
图6为双频率分别为1000和1700赫兹时对应的时域图；
图7为双频率分别为1000和1700赫兹时对应的频域图；
图8为在600赫兹下0.01V-15V对应的FFT图；
图9为在500赫兹时，温度从20-55℃下测量的频率；
图10为光强传输结果图；
图11为光强分布图；
图12为色散补偿光纤分别为7mm，9mm，11mm时，2000赫兹下对应的信噪比图；
其中，1-示波器；2-窄带光源；3-光电探测器；4-信号发生器；5-压电陶瓷片。
具体实施方式
下面将结合发明实施例及附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种具有色散补偿光纤的光纤振动传感器，如图1所示，包括色散补偿光纤，以及分别与所述色散补偿光纤两端熔接的第一单模光纤和第二单模光纤；其中，色散补偿光纤的纤芯和包层直径分别为5μm和110μm，第一单模光纤和第二单模光纤的纤芯和包层直径分别为8.2μm和125μm，使得第一单模光纤-色散补偿光纤-第二单模光纤构成SMF-DCF-SMF的干涉结构；其中第一单模光纤的一端连接有光源，第二单模光纤的末端连接有光电探测器。
具体地，将第一单模光纤、第二单模光纤以及色散补偿光纤的涂覆层剥去，并用切割刀进行切割，然后将切割好的第一单模光纤、第二单模光纤以及色散补偿光纤放入熔接机中进行放电熔接，形成SMF-DCF-SMF的光纤波导；基于色散补偿光纤的纤芯和包层直径分别为5μm和110μm，第一单模光纤和第二单模光纤的纤芯和包层直径分别为8.2μm和125μm；当光源进入第一单模光纤，以光纤基模形式传输，经过第一单模光纤与色散补偿光纤的熔接点时，纤芯直径不匹配，模场之间的不匹配，导致高阶包层模式被激发，激发效率提高；使得一部分纤芯模式被激发到包层中形成包层模式，沿包层继续传输，另一部分沿着色散补偿光纤的纤芯继续传播，到达色散补偿光纤与第二单模光纤的熔接点时，耦合效率显著提高，将包层模式再次耦合进所述第二单模光纤的纤芯中；基于第二单模光纤的纤芯与包层模式之间存在的相位差，第二单模光纤的纤芯和包层模式之间产生干涉，形成马赫-曾德尔干涉。
具体地，纤芯模式和包层模式之间的相位差为芯层和包层模式之间的相位差φmn可以表示为：
其中，L是有效干涉长度，λ是波长，
分别为纤芯模式和高阶包层模式的有效折射率。
并且，色散补偿光纤具有双包层结构，通过将色散补偿光纤分别与第一单模光纤和第二单模光纤熔接于一体，形成包层谐振，透射光谱呈现下降趋势，振动也会引起传输倾角的偏移，从而通过强度解调，得到频率的改变；传感器的强度由于共振谱的移动会发生周期性的变化，进而通过强度的周期性变化来反映振动变化，以实现该传感器的结构紧凑、灵敏度高等优点；基于色散补偿光纤的长度的控制，进而能够实现包层模的激发的控制。
在上述方案的基础上，优选地，光源是指以1550nm为中心波长的窄带光源。
在上述方案的基础上，熔接方式包括点状熔接或熔融拉锥；其中点状熔接呈倒八字状。
在上述方案的基础上，上述点状熔接方法如下：首先去除待熔接光纤的外涂覆层，然后对其端面进行切割，并将其端面熔化成型为倒八字状以实现点状熔接；熔接环境温度为18～25℃；熔接机的放电强度是100bit，放电时间为160ms，融合过程中损耗为0.01dB。
上述熔融拉锥方法如下：将第一单模光纤、第二单模光纤以及色散补偿光纤的涂覆层剥去，并用切割刀进行切割，然后将切割好的第一单模光纤、第二单模光纤以及色散补偿光纤在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的SMF-DCF-SMF的波导结构，通过控制光纤扭转的角度和拉伸的长度，可得到不同的分光比例；并将拉锥区用固化胶固化在石英基片上插入不锈铜管内。
进一步地，干涉臂的长度为7-11mm。
在上述方案的基础上，在上述干涉臂为11mm的长度下，所得传感器的干涉臂短，结构简单，易于制造，且其频率信号的信噪比更好。
另一方面，提供了一种基于上述的具有色散补偿光纤的光纤振动传感器的振动检测装置，如图2所示，包括光纤振动传感器、压电陶瓷片、窄带激光器、信号发生器、光电探测器以及示波器；窄带光源和光电探测器分别连接于光纤振动传感器两端，光纤振动传感器中的第一单模光纤-色散补偿光纤-第二单模光纤的干涉结构固定于压电陶瓷片上，信号发生器连接于压电陶瓷片，示波器用于监测光电探测器的输出信号。
具体实现过程为：调整信号发生器的波形为正弦波，幅度为2V，改变不同的频率，记录数据并保存，就能够得到目标频率，并能从频域图中识别出来目标频率和噪声信号；将振动信号加载在光纤传感区域，能够在示波器上观察到其振动频率，振动幅度，振动信号周期等振动数据。
在上述方案的基础上，该检测装置减少了压电陶瓷模块的驱动，相对于现有的检测装置具有结构简单、可操作性强、灵敏度高、测量精度高、耐受环境力强，抗电磁干扰能力强，测量稳定性强的优点。
在上述方案的基础上，该检测装置测量的范围宽，且频率分辨率为0.01Hz，熔接损耗为0.01dB。
在上述方案的基础上，当单频范围为0.03Hz-47kHz时，所述振动传感器加载振动信号频率与测量的振动信号频率具有线性关系，其线性度为1；采用双频范围时，其加载的振动信号与测量的振动信号之间是一致的，测量得到频率能够从噪声信号和倍频信号中区分出来。
图3和图4所示为振动信号为600赫兹时对应的时域图和频域图；从图中能够看出，时域图中波形为正弦波波形，频域图中可以看出主频信号为600赫兹，且明显能与噪声信号区分开来，其具有良好的正弦波波形，而时域图经过快速傅里叶变换之后，所得的时域图可以看出所输入的频率，且误差小。
其中，图中Oscilloscope voltage(V)为示波器电压，单位伏；Time(s)为时间，单位秒；Frequency(Hz)为频率，单位赫兹；Amplitude(dB)为幅度，单位为dB。
图5所示为频率为0.03-47k赫兹的拟合图；从0.03赫兹到47k赫兹，测量得到的频率和输入频率之间有良好的线性关系，拟合度为1；输入的频率和实际测量得到的频率的数据是一一对应的，且线性度为1，精度高。
其中，图中Vibrational frequency(Hz)为振动频率，也就是信号频率，单位为赫兹；Measured frequency(Hz)为测量的频率，单位为赫兹；Fitting为线性拟合；R2为拟合度。
图6和图7为双频率分别为1000和1700赫兹时对应的时域图和频域图；图中为输入频率分别为1000赫兹和1700赫兹时对应的时域图和频域图，由于输入频率为双频率信号，所以得到的时域图的波形会较单频率时域图模糊，但是频域图中可以看出，频率可以精准测量出来，且信噪比大，明显与噪声信号区别开来，不会受到倍频信号或者噪声信号的干扰。
其中，图中Oscilloscope voltage(V)为示波器电压，单位伏；Time(s)为时间，单位秒；Frequency(Hz)为频率，单位赫兹；Amplitude(dB)为幅度，单位为dB。
图8为在600赫兹下0.01V-15V对应的FFT图；图中为频率信号为600赫兹时，在其固定不变的情况下，将振动信号振幅分别从0.01V-15V之间进行改变，得到其每个幅值对应的波形图，再将其进行傅里叶变换之后，得到每个对应的数值，进而得到如图8所示的结果，发现其线性度得到0.99267；进而得出随着幅度的增加，进行傅里叶之后得到的频率的幅度也随之增加，线性度良好。
其中，图中Volgate(V)为电压，单位为伏；FFT amplitude(a.u.)为傅里叶变换之后的幅度，Experiment为实验数据值。
图9为在500赫兹时，温度从20-55℃下测量的频率；将传感器和压电陶瓷片放入温度箱中，在频率固定为500赫兹的情况下，从20摄氏度到55摄氏度进行测量，在此期间，除了改变温度，其余不变，分别记录下每个温度对应的频率值，最终结果如图所示，能够发现，该传感器在一定的温度范围内，温度不敏感，不会对结果造成温度交叉敏感。
其中，图中Temperature(℃)为温度，单位为摄氏度；Frequency(Hz)为频率，单位为赫兹；Experiment为实验值。
在上述方案的基础上，当单频范围为0.03Hz-47kHz时，振动传感器加载振动信号频率与测量的振动信号频率具有线性关系，其线性度为1，表明线性关系良好，在该范围内，如果测量输入的频率信号，得到的结果如输入的频率是一致的，能够得到精准的结果，能够用来测量未知的振动频率信号。
图10在BeamPROP中对SDS传感器进行模拟仿真，然后对其接收端的光功率进行检测。当光在SDS传感器结构中传输时，如图10所示，左侧为检测光场的传输结果，中间为监测结果，右侧为能量带，左侧代表的是光进入SDS后的光场传输结果，中间为光在SDS中传输时，能量的分布，在第一单模光纤的纤芯中传输时，芯层的能量为1，进入色散补偿光纤时，由于纤芯直径的不匹配，导致能量会泄漏到色散补偿光纤的包层，所以在色散补偿光纤中，纤芯的能量会减小，也就是小于1，在光进入第二单模光纤中传输时，光大部分会重新耦合进单模光纤的纤芯中，但是也会有少部分能量进入包层，所以在第二单模光纤中，能量也是小于1。
为了进一步表达该传感器SDS的光纤传输原理，使用Rsoft软件中的(光束传播法)BeamPROP模块对该光纤传感结构进行了数值模拟，结果见图10和图11；其中：单模光纤的纤芯/包层直径分别为8.2/125μm，而色散补偿光纤的纤芯和包层直径分别为5/110μm。而单模光纤的纤芯和包层的有效折射率分别为1.465和1.445，色散补偿光纤的纤芯和外包层有效折射率为1.4641，而内包层的有效折射率为1.4584。如图11的左侧为SDS传感器的光强的分布，从图11中能够看出，光进入第一单模光纤时，光在第一单模光纤的纤芯中进行传输，当光通过第一单模光纤和色散补偿光纤的熔接点时，由于单模光纤和色散补偿光纤的纤芯直径的不匹配，导致高阶包层模式被有效激发，光进入色散补偿光纤的纤芯和包层中，到达色散补偿光纤和第二单模光纤的熔接点处时，光会重新耦合进单模光纤的纤芯中，从单模光纤的纤芯进行传输；即光在传输过程中，色散补偿光纤DCF充当干涉臂，因为纤芯直径的不匹配，模场之间的不匹配，导致高阶包层模式被有效激发。入射光经过单模光纤，然后进入色散补偿光纤的纤芯和包层内，并同时进行传输，最终重新耦合进入单模光纤之中。由于纤芯模式和包层模式之间存在相位差，因此在这两个模式之间会发生干涉，最终形成马赫曾德尔干涉。
当测量振动频率信号的时候，需要将振动信号和倍频信号以及噪声区分开来，因此测量的该频率信号希望其经过快速傅里叶变换之后，其对应的幅值越大越好，也就是信噪比越大越好，因此，将传感头长度不同进行了分别实验，将色散补偿光纤的长度分别设置为7毫米，9毫米，11毫米。然后将正弦波频率设置为2000赫兹，正弦波幅度从1-15V，每隔1V记录一次数据，将三个传感头分别按上述设置进行实验，再将保存的时域图进行快速傅里叶变换之后，将数据进行整理后，得到的结果如图12所示，从中可以得到色散补偿光纤长度为11毫米时，其信噪比最大，因此最后选择了其中色散补偿光纤长度为11毫米时的传感结构为传感头。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有色散补偿光纤的光纤振动传感器，其特征在于，该光纤振动传感器包括以色散补偿光纤为干涉臂的干涉结构；所述干涉结构是由所述色散补偿光纤的两端分别与第一单模光纤和第二单模光纤熔接构成；并且所述色散补偿光纤的纤芯和包层直径分别为4-6μm和100-120μm，所述第一单模光纤和所述第二单模光纤的纤芯和包层直径分别为7.7-8.7μm和124.3-125.7μm；
其中，所述第一单模光纤的一端连接有光源，所述第二单模光纤的末端连接有光电探测器。
2.根据权利要求1所述的具有色散补偿光纤的光纤振动传感器，其特征在于，所述光源是指以1550nm为中心波长的窄带光源。
3.根据权利要求1所述的具有色散补偿光纤的光纤振动传感器，其特征在于，所述熔接方式包括点状熔接或熔融拉锥；其中所述点状熔接呈倒八字状。
4.根据权利要求1所述的具有色散补偿光纤的光纤振动传感器，其特征在于，所述干涉臂的长度为7-11mm。
5.一种包括权利要求1所述的具有色散补偿光纤的光纤振动传感器的振动检测装置，其特征在于，包括所述光纤振动传感器、压电陶瓷片、窄带激光器、信号发生器、光电探测器以及示波器；所述窄带激光器和所述光电探测器分别连接于所述光纤振动传感器两端，所述光纤振动传感器中的第一单模光纤-色散补偿光纤-第二单模光纤的干涉结构固定于所述压电陶瓷片上，所述信号发生器连接于所述压电陶瓷片，所述示波器用于监测所述光电探测器的输出信号。
6.根据权利要求5所述的振动检测装置，其特征在于，当单频范围为0.03Hz-47kHz时，所述振动传感器加载振动信号频率与测量的振动信号频率具有线性关系，其线性度为1。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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