CN1963417A - 光纤测量振动装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤测量振动装置及测量方法，属于振动测量技术。该装置包括DFB半导体激光器，光环行器和与之连接的单模光纤传感头、光电探测器，光电探测器依次连接信号处理器和电流和温度控制器，电流和温度控制器与激光器和制冷器连接。测量时系统的初始化过程是确定激光器温度值工作点。测量过程激光器的温度经放大和滤波后的光电探测器输出信号的直流分量反馈控制，跟踪由振动传感头的环境变化而引起的直流分量的缓慢变化，达到使直流分量稳定；经放大和滤波后的光电探测器输出信号的交流分量即为被测振动信号。本发明的优点在于，测量过程消除了由外界温度的变化对光纤传感系统带来的漂移，测量动态频率响应快、灵敏度高。

Description

光纤测量振动装置及测量方法
技术领域
本发明涉及一种光纤测量振动装置及测量方法，属于振动测量技术。
背景技术
振动测量在许多领域有着广泛的应用。这些领域包括声音及超声信号的探测、地震监测、石油勘探、各种机械系统的振动模态分析以及水听系统等。目前已有的振动传感器按其原理不同可分为电磁式振动传感器、变容式振动传感器和压电式振动传感器等类型。这些振动传感器均属于电传感器。与电传感器相对应的还有另一类振动传感器，即光纤振动传感器。与电传感器相比光纤振动传感器具有抗电磁干扰，耐腐蚀，使用寿命长，体积小，可以光波长复用方式实现多点分布测量等显著的优点，因而在无法使用传统的电传感器的场合(如易燃和易爆)发挥了巨大作用。此外，光纤振动传感器还具有灵敏度高的优点，因此对许多需要对微弱振动信号进行探测的应用中，光纤振动传感器发挥了关键的作用。高灵敏度光纤振动传感器多采用光纤干涉技术，而干涉型光纤传感系统都存在易受外界环境变化影响的问题，例如，温度的变化常常会导致干涉型光纤传感系统的漂移。而解决该问题的主要方法就是采用某种方式的补偿技术。
发明内容
本发明的目的就是提供一种光纤测量振动装置及测量方法。该光纤测量振动装置具有结构简单、易于实现特点。测量方法采用反馈控制技术克服温度变化造成的系统漂移，具有频率动态响应快、测量过程灵敏度高的特点。
本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种光纤测量振动装置，其特征在于，包括蝶式封装的DFB(分布反馈)半导体激光器201，DFB半导体激光器内的半导体制冷器202，DFB半导体激光器输出端连接的三端光环行器204，三端光环行器的另外两端分别连接单模光纤207和光电探测器205；单模光纤输出端连接传感头100，所述的传感头包括单模光纤的纤芯101和单模光纤端面上的半透半反膜103和微悬臂梁104；光电探测器205的输出端依次连接信号处理器206和电流和温度控制器203，电流和温度控制器的输出端与DFB半导体激光器和半导体制冷器连接。
采用上述的光纤测量振动装置测量振动的方法，其特征在于包括以下过程：
1.系统的初始化过程，将DFB半导体激光器设置在预定的恒定功率，连续改变半导体激光器的工作温度，连续调谐其输出波长，同时记录光电探测器的输出，并确定输出的最小值和最大值，由最小值和最大值计算得到中间值及其对应的温度点。由温度控制器控制激光器在中间值对应的温度点工作。
2.测量过程，DFB半导体激光器发出的光经过光纤环行器入射到由单模光纤和悬臂梁构成的振动传感头，入射光被单模光纤端面半透半反膜部分反射回单模光纤，透射部分的光入射到距单模光纤端面一定距离的微悬臂梁上后而被反射，反射光中的部分光信号被耦合至单模光纤中，与单模光纤端面的反射光形成干涉，并沿单模光纤传到光纤环行器，经过光纤环行器传到光电探测器；测量过程中半导体激光器的温度由放大和滤波后的光电探测器输出信号的直流分量反馈控制，使之跟踪由振动传感头的环境变化而引起的直流分量的缓慢变化，达到使直流分量稳定；经放大和滤波后的光电探测器输出信号的交流分量即为被测振动信号。
本发明涉及的光纤振动测量系统的工作原理可进一步解释如下：由光电探测器产生的光电流信号可表示为I＝I0+I1 exp[-(2L/Lc)2]cos(4πnL/λ+π)。其中，L为微悬臂梁与单模光纤端面之间的距离；Lc为半导体激光器的相干长度；n为微悬臂梁与单模光纤端面之间介质的折射率；λ为激光波长。所以，光电探测器产生的光电流信号是L的正弦函数。L可表示为L＝L0+δL+ΔL，其中，δL为外界振动引起微悬臂梁的位移，一般情况下δL＜＜L0；ΔL为温度或其它因素造成的微悬臂梁与单模光纤端面之间距离的变化，相对δL而言，ΔL为一缓变过程。通过选择适当的L0和λ的值可使光电探测器产生的光电流信号对δL的响应最大化，并在其线性范围内。所以，采用具有高通特性的滤波器可将振动信号从光电流信号中分离出来。采用低通滤波器将由温度或其它因素造成引起的光电流信号变化分离出来，并反馈控制半导体激光器的温度使之波长改变，以抵消由温度或其它因素造成的光电流信号变化，实现补偿作用。
本发明的优点在于，采用干涉技术实现对振动的高灵敏度检测的同时，实现了对由外界环境变化(例如温度的变化)给干涉型光纤传感系统带来的漂移。该振动测量系统的动态频率响应、灵敏度由微悬臂梁的振动特性和光电探测器以及信号处理器的频率响应决定，通过合理的设计可实现高灵敏度和高频率响应的振动测量。此外本发明的方法具有对测量系统的实时动态标定的特点。所以，本发明可应用于高灵敏度光纤水听器。
附图说明
附图1为由本发明装置结构框图。图中：201为DFB半导体激光器；202为半导体制冷器；203为电流/温度控制器；204为三端光环行器；205为光电探测器；206为信号处理器；207为单模光纤；100为传感头；106为待测振动量。
附图2为由本发明装置中传感头的结构框图。图中，101为单模光纤的纤芯；102为单模光纤的包层；103为单模光纤端面上的半透半反膜；104为微悬臂梁；105为固定单模光纤和微悬臂梁的基片；106为待测振动量。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。如附图2所示，将普通单模光纤的一端去除涂敷层后，使用光纤切刀将其端面切成与光纤轴线垂直。采用光学镀膜技术在该端面镀一可对1550nm波段的光有20-40％反射率的半透半反膜(103)。微悬臂梁(104)的材料和尺寸可根据需要测量的振动信号的特征进行选取和设计。在本实施例中，微悬臂梁104使用的是扫描探针显微镜中的探针上的微悬臂梁，材料为氮化硅，形状为三角形，长度200微米，厚度600nm。在显微镜下用多维精密调整架将光纤与微悬臂梁对准，用环氧树脂将它们固定在一石英基片105上，而得到传感头100。
如附图1所示，DFB半导体激光器201带单模尾纤输出，其内部设置半导体制冷器202，在温度为25℃和驱动电流为43mA的条件下，其输出波长和功率分别为1553nm和2mW。将DFB半导体激光器201的输出尾纤与三端光环行器204的1端相接，将三端光环行器204的2端与传感头100的光纤相接。三端光环行器204的3端接光电探测器205的输入尾纤，在本实施例中，光电探测器205采用PIN管。由光电探测器205输出的信号经信号处理器206放大和滤波后，作为控制信号输入至电流/温度控制器203。
系统启动后，首先进入初始化。DFB半导体激光器201设置在预定的功率，该功率在测量过程中恒定。电流/温度控制器在设定的温度范围内，连续改变半导体激光器201的工作温度，以实现波长扫描，同时记录信号处理器206的直流输出，确定相邻的最小值和最大值。最大值与最小值之差用于测量系统的定标。由最小值和最大值计算得到中间值及其对应的温度确定系统的工作点。电流/温度控制器将激光器201的温度设置在该值，并将由信号处理器206的直流输出反馈控制。至此系统完成初始化过程，进入测量状态。
被测振动106引起微悬臂梁104的变形，而使微悬臂梁104与单模光纤端面之间距离L的变化，即δL。δL将引起光电探测器205输出的信号的变化，该信号经信号处理器206放大和高通滤波后，作为被测振动信号的输出。
本领域的专业技术人员都清楚，本发明的思想可采用上面列举的具体实施方式以外的其它方式实现。

Claims (2)

1.一种光纤测量振动装置，其特征在于，包括蝶式封装的分布反馈半导体激光器(201)，分布反馈半导体激光器内的半导体制冷器(202)，分布反馈半导体激光器输出端连接的三端光环行器(204)，三端光环行器的另外两端分别连接单模光纤(207)和光电探测器(205)；单模光纤输出端连接传感头(100)，所述的传感头包括单模光纤的纤芯(101)、单模光纤端面上的半透半反膜(103)和微悬臂梁(104)；光电探测器的输出端依次连接信号处理器(206)和电流和温度控制器(203)，电流和温度控制器的输出端与分布反馈半导体激光器和半导体制冷器连接。
2.一种采用权利要求1所述的光纤测量振动装置测量振动的方法，其特征在于包括以下过程：
1).系统的初始化过程，将分布反馈半导体激光器设置在预定的恒定功率，连续改变半导体激光器的工作温度，连续调谐起波长，同时记录光电探测器的输出，并确定输出的最小、最大值和中间值，由最小值和最大值计算得到中间值及其对应的温度点，由电流或温度控制器激光器在该温度值点工作；
2).测量过程，分布反馈半导体激光器发出的光经过光纤环行器入射到由单模光纤和微臂梁构成的振动传感头，入射光被单模光纤端面半透半反膜部分反射回单模光纤，透射部分的光入射到距单模光纤端面一定距离的微悬臂梁上后而被反射，反射光中的部分光信号被耦合至单模光纤中，与单模光纤端面的反射光形成干涉，并沿单模光纤传到光纤环行器，经过光纤环行器传到光电探测器；初始化确定的半导体激光器的温度由经放大和滤波后的光电探测器输出信号的直流分量反馈控制，使之跟踪由振动传感头的环境变化而引起的直流分量的缓慢变化，达到使直流分量稳定；经放大和滤波后的光电探测器输出信号的交流分量即为被测振动信号。
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