CN205209624U - 一种光强式光纤振动传感装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种光强式光纤振动传感装置,包括多路振动测量通道,每一通道均包括光纤、光源、光源调制模块、光电转换模块、信号输出接口,并可并行接入多路信号输入输出模块,从而接入信号控制与处理单元。每一路通道包括一根只有两端口的光纤,并且每根光纤包含有光纤包层厚度较薄的部分作为调制区,该调制区被弯曲,并在工作时与振动源靠近或接触。光纤通过光源调制模块控制光源输出导模光到光纤第一端口,当调制区受振动源表面位置变化而发生弯曲曲率反复形变时,通过光纤的导模光强将会由于调制区内导模光与辐射模光相应的反复耦合而发生规律性的改变,该改变将通过光电转换模块转变为电信号经信号输出接口接入多路信号输入输出模块。
Description
技术领域
本实用新型涉及振动传感装置的技术领域,特别涉及一种适用于多点振动并行测量的光强式光纤振动传感装置。
背景技术
对振动的测量需要对结构的固有频率和振型进行测算和实测。在测量方法上有相对式测量和绝对式测量。其中采用光学方式测量的多属于相对式测量,在测量过程中需要有静止不动的基础;绝对式测量一般基于惯性质量——弹簧振动系统。此外,在基于电子技术扩展的测量中,测量系统会受选频网络影响和电磁干扰而受限。
授权公告号:CN102374895B公开一种大动态光纤振动传感器,但其一路的探测需要使用两根光纤和两个探测器,虽能高精度大范围探测振动信号,但仍然为干涉式传感装置,对反射镜、弹性体、光纤绕制等的加工制作要求较高。
授权公告号:CN101608944B公开一种光纤振动传感头及其制作方法,要求使用光纤准直器与MEMS系统,但制作中需要严格准直调制,并且仍然需要使用两根光纤。
授权公告号:CN101308042B公开光纤振动传感器,其也涉及两根以上光纤的使用,并且还是基于干涉技术。
光纤传感器是一种重要的新型传感器,由于体积小、组网方便、抗电磁干扰等优点已经被应用于温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量的测量中。目前,已经研制出分光型、光栅型、干涉型和光强调制型光纤传感器。现有的光纤振动测量传感器主要是采用FBG光纤光栅与M-Z型干涉器件制作而成,通过结构设计,能达到目标信号的有效识别。但FBG光纤光栅制作品质容易受激光脉冲能量、激光脉冲频率和曝光的时间的影响。而M-Z型干涉器工艺相对复杂,加工精度高,成品传感器造价较高,不易于推广。
光强调制型光纤传感器由于具有制作成本低、可以实现实时监控和远程测量等优点而备受关注。光强调制型光纤传感器主要通过调制调制区内光纤径向参数,使接收端导模光强发生变化从而解调识别目标信号。其工作原理如下:经入射光纤的光源输出的导模光被送到调制区内,外界被测参数和送到调制区内的导模光相互作用,使得该区内导模条件发生改变,导模与辐射模相耦合,导模减弱,辐射模增强;在接收端的导模光强将随被测参数改变而被调制成为光强随导模强度变化的信号,该信号被送进光电探测器和解调器;通过提取特征信号参数,最终转变为被测参数来完成测量过程。
由于光强式光纤传感器在制作成本上比FBG光纤、M-Z型干涉器件更具有优势,并且识别信号的系统容易获得,信号分析准确度较高。因此具有广阔的发展前景。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服传统机械型、电子型振动传感器容易受工作环境参数影响的不足,克服FBG、M-Z干涉型光纤振动传感器工艺复杂、造价高、不易推广的不足,提供一种结构简单、携带方便、信号处理简单的光强式光纤振动传感装置。
本实用新型的目的通过下述技术方案实现:
一种光强式光纤振动传感装置,包括多路振动测量通道2、多路信号输入输出模块和信号控制与处理单元,每一路振动测量通道均包括光纤1、光源、光源调制模块、光电转换模块、信号输出接口,
所述光纤1包括第一端口1b和第二端口1c,所述第一端口1b与所述光源连接,所述光源与所述光源调制模块连接,所述光源调制模块控制所述光源输出导模光到所述第一端口1b;所述第二端口1c与所述光电转换模块连接,所述光电转换模块与所述信号输出接口连接,所述光电转换模块用于将光纤中包含规律性改变的光信号转换为电信号经所述信号输出接口输出至多路信号输入输出模块;
所述多路信号输入输出模块分别与所述光源调制模块和所述信号输出接口连接,用于将振动测量通道接入所述信号控制与处理单元。
进一步地,所述光纤1包含有光纤包层厚度较薄的调制区1a,所述调制区1a是弯曲的,并在工作时与振动源靠近或接触。
进一步地,所述多路振动测量通道2并行接入所述多路信号输入输出模块。
进一步地,所述光强式光纤振动传感装置用于多点并行监测或用于不同振型数据的拟合或/和判断。
本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果:
本实用新型提出的光强式光纤振动传感装置克服传统机械型、电子型振动传感器容易受工作环境参数影响的不足,克服FBG、M-Z干涉型光纤振动传感器工艺复杂、造价高、不易推广的不足,实现一路探测只需要一根光纤,具有结构简单、携带方便、信号处理简单的优点。
附图说明
图1是本实用新型公开的光强式光纤振动传感装置的组成结构框图;
图1(a)是本实用新型公开的光强式光纤振动传感装置测量原理简图;
图2为单模光纤中导模与辐射模耦合原理图;
图3为单模光纤弯曲损耗原理图;
1---光纤,1a---调制区,1b---第一端口,1c---第二端口,2---多路振动测量通道。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述,但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例一
本实施例公开了一种光强式光纤振动传感装置,包括多路振动测量通道2。每一通道包括光纤1、光源、光源调制模块、光电转换模块、信号输出接口,每一路通道均可通过并行接入多路信号输入输出模块,从而接入信号控制与处理单元。见图1所示。
每一路振动测量通道只有一根光纤1,光纤1只有两端口,分别为第一端口1b和第二端口2c,并且每根光纤包含有光纤包层厚度较薄的部分1a(调制区),该包层厚度较薄的调制区1a被弯曲,并在工作时与振动源靠近或接触。光纤1通过光源调制模块控制光源输出导模光到光纤第一端口1b。当调制区1a受振动源表面位置变化而发生弯曲曲率反复形变时,通过光纤的导模光强将会由于调制区1a段内导模光与辐射模光相应的反复耦合而发生规律性的改变,该改变将通过光电转换模块转变为电信号经信号输出接口将光纤第二端口2c接入多路信号输入输出模块。
进一步的,通过多路信号输入/输出模块,多路传感光纤可以与信号控制与处理单元连接。如附图1(a)所示,每路光纤测量通道均有独立的光源、光源调制模块、光电转换模块、信号输出接口。同时一路光纤可以与多路并行光纤通道通过多路信号输出模块与信号控制与处理单元连接。
更进一步的,该装置可以对多点振动数据测量,这些数据可以用于多点并行监测,也可以用于不同振型数据的拟合或判断。
本实施例公开的一种光强式光纤振动传感装置的工作原理如下:
通过改变弯曲光纤调制段的传播模式,利用光纤导模光强随调制段包层厚度和弯曲曲率变化而改变的特点,达到微弱振动位移测量目的的光纤传感技术。其工作原理如下:光源入射光纤,满足传播模式的导模光被送到调制区内,外界微弱振动位移使弯曲的调制区光纤曲率发生变化,使调制区内导模条件发生改变,导模与辐射模相耦合,导模光与辐射模此消彼长;由于弯曲的调制区包层厚度较少,在此区域的微小曲率变化能使辐射模更容易被耗散掉;在接收端的导模光强将随被测参数改变而被调制成为光强变化的信号,该信号被送进光电探测器和解调器;通过提取特征信号参数,最终转变为被测参数。
这里涉及光纤导模到辐射模的耦合损耗和光纤弯曲损耗的工作原理两部分,以下分别说明:
一、单模光纤的导模——辐射模耦合原理如下:
如图2所示的光纤中,保留一层很薄的光纤包层n2,厚度为s,称为内包层,内包层外部的介质为外包层。
进入该耦合模型的光将首先在纤芯-内包层之间发生全反射,并在内包层中产生迅衰场。由于单模光纤本身为弱导波导,而且内包层厚度小,因此迅衰场的尾部可以到达内包层-外包层界面。其次,由于反射作用,在内包层-外包层界面构成一相反方向的迅衰场。这两个相反方向的迅衰场相互耦合,可使光纤中导模光转换为外部空间光束能量泄漏掉。
设α为振幅衰减系数,导模振幅A(z)随传输距离z的变化由下述微分方程描述:
考虑到单模光纤中传输为子午光线,所以在图2示为L的传输距离内,光线到达纤芯-内包层边界一次,其振幅就要乘以r1的反射系数一次。
An=r1An-1
衰减掉的振幅部分为:
An-1-An=(1-r1)An-1(2)
w为单模光纤模场半径,它与光线经历距离为L的传输后有如下关系:
L=2wtanθ1(3)
其中:
根据(2)、(3)式得到
即:
所以,经过z的传输距离后,导模的振幅A(z)有如下关系:
A(z)=A(0)exp(-αz)(6)
显然,导模的功率损耗系数为2α,经过z的传输距离后,导模的功率P(z):
P(z)=P(0)exp(-2αz)(7)
衰减为:
又由于在弱耦合情况下,反射系数r1≈1,从而有:
式中T是透射系数根据导波光学理论:
其中:
综合(2)、(3)、(4)、(5)式有:
显然只有当s满足(弱耦合)时,(11)式才成立,并且在这个条件下,包层厚度s越大α越小,而s越小α越大。
二、光纤弯曲损耗原理如下:
当光纤受到到外力作用时就会产生形变(弯曲),表现为纯弯损耗和传输损耗两种形式,这两种损耗的原理如图3所示。
造成弯曲光纤传感器能量损失主要原因是:纤芯最高阶传导模耦合到包层的辐射模衰减过快,根据耦合波理论,当光纤(多模或单模)受到弯曲时,导模一部分能量就会转化为包层辐射模能量。因此只要通过测量包层模式能量的变化或芯模能量的变化就能测量外界物理量及系列相关参数的变化。
研究发现,随着光纤的振幅逐渐增加,导模光会慢慢逸出光纤纤芯耦合进入包层模,振幅越大,光线逸出光纤的速度越快,并且从模拟的光纤轨迹图上,很直接的发现,随着光纤弯曲半径Rc的减少,能进入纤芯的光线入射角的范围将会逐渐变小,原入射角较大的光线将会因不满足传导模条件而进入光纤包层,从而光纤损耗会相应的增大。
若光纤弯曲半径Rc远大于芯径,则弯曲光纤中的场可以看成某一等效折射率分布下直光纤的场。当光纤产生弯曲时Rc变小,场分布将产生一个与φ有关的相移。这时场的等相面不是等z面,而是内侧z比外侧z要短。如图3。
定义ne(r)为有效折射率则有:
该式表明,ne(r)沿曲率半径正方向随光纤半径r增大而增大,这就导致场分布向曲率半径正方向偏移,其结果是导模向辐射模转化,引起功率泄漏,造成过度弯曲损耗。并且,随着弯曲方向的改变,损耗沿z方向变化曲线将出现振荡。
此振荡即与振动引起的光纤形变具有相关性。通过提取光纤中光强变化情况,即可得到振动频率、幅度等参数。
实施例二
直接测量:
每一路振动传感通道只有一根光纤1,光纤1只有两端口,分别为光纤第一端口1b和光纤第二端口1c,并且每根光纤包含有光纤包层厚度较薄的部分1a(调制区),该包层厚度较薄的调制区1a被弯曲,并在工作时与振动源靠近或接触。通过光源调制模块控制光源输出导模光到光纤第一端口1b。当调制区1a受振动源表面位置变化而发生弯曲曲率反复形变时,通过光纤1的导模光强将会由于调制区1a内导模光与辐射模光相应的反复耦合而发生规律性的改变,该改变将通过光电转换模块转变为电信号经信号输出接口从光纤第二端口1c接入多路信号输入输出模块。
通过多路信号输入输出模块,多路传感光纤可以与信号控制与处理单元连接。并且每路光纤均有独立的光源、光源调制模块、光电转换模块、信号输出接口。同时一路光纤可以与多路并行光纤通道通过多路信号输出模块与信号控制与处理单元连接。
实施例三
与惯性体一同封装后测量
在上述实施例二中直接测量的基础上,每根光纤包含的光纤包层厚度较薄的部分1a(调制区),该包层厚度较薄的部分(调制区1a)被弯曲,并且被弯曲的调制区1a与弹性体被封装在一个封闭壳内。当封闭壳受振动影响带来弹性体位置变化时,可由光纤调制区1a探测到振动信号。
实施例四
多点并行测量
在上述实施例的基础上,该装置可以对多点振动数据测量同时测量,并且这些数据可以用于多点并行监测,也可以用于不同振型数据的拟合或判断。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式,但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种光强式光纤振动传感装置,其特征在于,包括多路振动测量通道、多路信号输入输出模块和信号控制与处理单元,每一路振动测量通道均包括光纤、光源、光源调制模块、光电转换模块、信号输出接口,
所述光纤包括第一端口和第二端口,所述第一端口与所述光源连接,所述光源与所述光源调制模块连接,所述光源调制模块控制所述光源输出导模光到所述第一端口;所述第二端口与所述光电转换模块连接,所述光电转换模块与所述信号输出接口连接,所述光电转换模块用于将光纤中包含规律性改变的光信号转换为电信号经所述信号输出接口输出至多路信号输入输出模块;
所述多路信号输入输出模块分别与所述光源调制模块和所述信号输出接口连接,用于将振动测量通道接入所述信号控制与处理单元。
2.根据权利要求1所述的一种光强式光纤振动传感装置,其特征在于,所述光纤包含有光纤包层厚度较薄的调制区,所述调制区是弯曲的,并在工作时与振动源靠近或接触。
3.根据权利要求1所述的一种光强式光纤振动传感装置,其特征在于,所述多路振动测量通道并行接入所述多路信号输入输出模块。
4.根据权利要求1所述的一种光强式光纤振动传感装置,其特征在于,所述光强式光纤振动传感装置用于多点并行监测或用于不同振型数据的拟合或/和判断。
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---|---|---|---|---|
CN106940174A (zh) * | 2017-03-14 | 2017-07-11 | 北京交通大学 | 一种基于光纤声光调制的测量扭转与位移的传感器 |
CN113588066A (zh) * | 2021-07-22 | 2021-11-02 | 武汉理工大学 | 一种基于弱导光纤宏弯效应的微振动传感装置 |
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