CN1241006C - 反馈式光纤共振传感器 - Google Patents

Abstract

一种反馈式光纤共振传感器，分光镜分别与入射光纤、出射光纤和共振光纤相连，共振光纤的另一端穿过弹型连接头并露出一段光纤作为共振传感探头，弹型连接头尖的一端插进连接器中，连接器又插入绝缘圆筒中，由调节螺钉把连接器与绝缘圆筒固定，绝缘圆筒的底端设置反射镜，反射镜端面的渐屈线是共振光纤头振动的运动路径，而且半径处处相等。入射光通过分光镜进入共振光纤中，经反射后再通过分光镜到出射光纤中，然后通过光电转换进行电信号处理。本发明利用传感探头光纤与被测物的共振对被测物的振动位移进行放大，通过光纤的弯曲程度来测量反射光的功率，从而能够精确测量被测物的振动位移以及振动速度，结构简单，灵敏度高。

Description

反馈式光纤共振传感器

技术领域

本发明涉及一种反馈式光纤共振传感器，主要用于测量被测物的振动位移以及振动速度，属于光电子测试类领域。

技术背景

大型仪器在工作时，会有一定范围的微小振动。正常情况下这个振动的振幅是不会超过一定的范围，当仪器异常工作时，振动也会异常。很多情况下人们希望能够了解这一振动的具体大小，得到异常振动的临界值。

有很多场合要求微振动的测量传感探头不能带电，能在电磁干扰的环境下工作，有一些要求必须是在线检测，也就是在实际需要的环境下对测量方法提出新的要求。而光纤振动传感器由于光纤本身具有抗电磁、抗辐照的特性能够在电磁干扰的环境下工作，这是电振动传感器无法比拟的。

专利号为94202968.2的中国专利“无源非金属光纤振动传感头”，采用如下的测振方法：光纤振动传感头有三根光纤，一根是入射光纤，另外两根是出射光纤，三根光纤与自聚焦透镜相连。当传感头不振动时，光通过自聚焦透镜射到带有弹簧片的反射镜上，光返回再次通过自聚焦透镜等同的分布在两根出射光纤上，此时，两根出射光纤的输出功率是一样的；当传感头振动时，反射镜也会随着振动，这样反射光分布在两根出射光纤上的光功率就会有差异，由此可以测量待测部件的振动位移。这种光纤振动传感头看似简单，但存在明显的缺陷，并不是每个振动位置都能保证反射光通过出射光纤输出，而且灵敏度不高。

江毅等人(光子学报，2003.32(9)：1059-1062)提出了光纤Fabry-Perot(法布里-珀罗)腔振动传感器，该传感器是用频谱分析的方法对光纤Fabry-Perot腔传感器的输出信号进行解调。在正弦振动条件下，用干涉信号的3次谐波与基次波的功率比直接计算出振动幅度，可以简单地解调出信号。但这一技术只能满足工程中精度要求不高的场合，因为在有高次谐波情况下，测量结果就可能不正确。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种反馈式光纤共振传感器，即改善原有振动传感器的性能，又使制作工艺变得相对简单。

为实现这样的目的，本发明利用传感探头光纤与被测物的共振对被测物的振动位移进行放大，通过光纤的弯曲程度来测量反射光的功率，从而能够精确测量被测物的振动位移以及振动速度。光纤共振时，光纤的固有频率与光纤振动长度的平方成反比、与光纤半径成反比，这是根据共振频率制作匹配光纤的主要理论依据。

本发明的反馈式光纤共振传感器包括绝缘圆筒，共振光纤，用于反射光的反射镜，分光镜，入射光纤，出射光纤，连接头和连接器等。分光镜分别与入射光纤、出射光纤和共振光纤相连，共振光纤的另一端穿过弹型连接头并露出一段光纤作为共振传感探头，共振光纤与弹型连接头的相交处固接。弹型连接头尖的一端插进连接器中，连接器又插入绝缘圆筒中，由调节螺钉把连接器与绝缘圆筒固定。绝缘圆筒的底端设置反射镜，反射镜端面的渐屈线是共振光纤头振动的运动路径，而且半径处处相等。

共振光纤用于共振的这部分共振传感探头，长度不易太长，否则会导致振动幅度过大，以至于接收光的损耗过大而没法检测；长度也不易太短，否则会导致振动幅度过小，以至于接收光的损耗相差不大而没法检测，一般取40-80mm。光纤的直径不易过小，否则会导致传输光的功率太小而没法检测；光纤的直径也不易过大，否则会导致振幅过小，接收光的损耗相差不大而没法检测，一般取0.3-0.6mm。

共振光纤头的运动路径是反射镜的渐屈线，而且半径处处相等，所以共振光纤头处在任何位置，光通过反射镜的反射损耗都是一样，根据光纤弯曲程度的不同而带来损耗的不同可以测量不同状态的反射光功率。

分光镜的制作应该满足：从入射光纤到共振光纤的光功率透射率在70～80％，而从共振光纤经分光镜到出射光纤的反射率在80～90％。

工作时，将传感器固定在待测部件上，使传感探头光纤与待测部件发生共振。入射光通过分光镜传到共振光纤的传感探头上，再通过反射镜把光反射回来。出射光纤与光电信号处理器相连，出射光通过光电转换变成电压，然后进行电信号处理。

本发明利用共振光纤的传感探头与被测物的共振对被测物的振动位移进行放大，通过光纤的弯曲程度来测量反射光的功率，从而能够精确测量被测物的振动位移以及振动速度，放大倍数在100倍左右，灵敏度为0.01mm。由于本发明的信号调制方式属于光的强度调制，对光源的频谱要求不高，所以使用中等功率的普通光源即可。本发明能够同时测量待测部件的振动位移和振动速度等信息，利用单片机或电脑设备输出显示，从而可以进行实时在线监控；能够测量在一段振动频率范围内的振动；制作简单、成本费用比较低、适合批量生产。

在强电磁、高电压下，分光镜与传感头的光纤可以拉长，把后端处理电接收部分与强电磁、高电压环境相隔离，免受强电磁的干扰，所以本发明可以在一些特殊的环境下工作。

相对于以往的振动传感器本发明有明显的优势和显著的进步，解决了在强电磁场环境下大型仪器微振动的测量问题，能够进行实时在线监控，从而避免重大事故的发生。

附图说明

图1为本发明反馈式光纤共振传感器的结构示意图。

其中：1-绝缘圆筒，2-共振光纤，3-共振光纤的运动路径，4-反射镜，5-分光镜，6-入射光纤，7-出射光纤，8-调节螺钉，9-弹型连接头，10-连接器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明反馈式光纤共振传感器的结构如图1所示，包括绝缘圆筒1，共振光纤2，反射镜4，分光镜5，入射光纤6，出射光纤7，调节螺钉8，弹型连接头9以及连接器10。本发明的连接方式：分光镜5分别与入射光纤6，出射光纤7和共振光纤2相连，共振光纤2与入射光纤6在同一光轴上，使入射光纤6上的光通过分光镜5进入到共振光纤2中。共振光纤2另一端穿过弹型连接头9并露出40-80mm长的光纤作为共振传感探头，共振光纤2与弹型连接头9的相交处用胶水固定。弹型连接头9尖的一端插进连接器10中，这样便于共振光纤能够方便的从光纤传感连接器中卸载和安装。带有连接头9和共振光纤2的连接器10插入绝缘圆筒1中，并由调节螺钉8把连接器10与绝缘圆筒1固定。绝缘圆筒1的底端设置反射镜4，调节绝缘圆筒1的内部螺纹，使反射镜4端面的渐屈线是共振光纤头振动的运动路径，而且半径处处相等。

工作时，将传感器固定在待测部件上，使传感探头光纤与待测部件发生共振。入射光通过分光镜5传到共振光纤2的传感探头上，再通过反射镜4把光反射回来。出射光纤7与光电信号处理器相连，出射光通过光电转换变成电压，然后进行电信号处理。很显然，振动光纤2在平衡位置时光功率P1最大，在峰值位置时光功率P2最小，通过实时的电信号处理测得两者之间的时间，倒数的两倍就是待测部件的振动频率，根据固定长度和直径的光纤振动幅度与振动频率的关系可以进行有效的位移补偿，所以本发明能够在一段频率中精确测量待测部件的振动位移。为了避免光源的限制，把比例系数K＝(P1-P2)/P1与被测物的振动位移相联系，测得光纤振动幅度或比例系数K与振动频率的关系以及光纤长度、直径与振动频率的关系等信息，制成数据库存入单片机或电脑中。由上述得到的位移与时间之比可以测得待测部件的振动速度。根据制成的共振光纤的长度和直径以及在电路板中测得的振动频率和比例系数K，调入数据库进行位移补偿，通过转换得到原始待测部件的振动位移和振动速度。振动位移、振动速度等信息在单片机或电脑中进行输出，因此，本发明可以用于进行实时在线监控。

Claims (2)

1、一种反馈式光纤共振传感器，其特征在于包括绝缘圆筒(1)，共振光纤(2)，反射镜(4)，分光镜(5)，入射光纤(6)，出射光纤(7)，调节螺钉(8)，弹型连接头(9)以及连接器(10)，分光镜(5)分别与入射光纤(6)，出射光纤(7)和共振光纤(2)相连，入射光纤(6)上的光通过分光镜(5)进入到共振光纤(2)中，共振光纤(2)另一端穿过弹型连接头(9)并露出一段光纤作为共振传感探头，共振光纤(2)与弹型连接头(9)的相交处固接，弹型连接头(9)尖的一端插进连接器(10)中，连接器(10)插入绝缘圆筒(1)中，由调节螺钉(8)将连接器(10)与绝缘圆筒(1)的一端固定，在绝缘圆筒(1)的另一端设置反射镜(4)，反射镜(4)和共振传感探头相对设置，反射镜(4)端面的渐屈线是共振光纤头振动的运动路径，而且半径处处相等。

2、如权利要求1的反馈式光纤共振传感器，其特征在于所述的共振光纤(2)的共振传感探头长度为40-80mm。

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