CN207991682U - 一种偏振干涉式防区型全光纤振动传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种偏振干涉式防区型全光纤振动传感器。其包括光源、光分路器、信号处理单元以及n条检测通道；光分路器将光源发出的光信号分为n+1路，其中一路经光电转换后作为参考信号输入信号处理单元，另外n路作为检测光分别输入n条检测通道；每条检测通道均包括光环形器、光电探测器、传输光纤、起偏器、全光纤振动传感探头，光环形器的a、b、c端口分别连接检测光、传输光纤的一端、光电探测器的输入端，传输光纤的另一端经由起偏器与全光纤振动传感探头连接，光电探测器的输出端连接信号处理单元；信号处理单元用于对信号进行处理以获得振动信息。本实用新型可实现多区域振动监测，具有更高的灵敏度和系统扩展能力。

Description

一种偏振干涉式防区型全光纤振动传感器

技术领域

本实用新型涉及一种振动传感器，尤其涉及一种偏振干涉式防区型全光纤振动传感器。

背景技术

振动检测传感技术发展至今，相应的传感测试方法与种类也在不断的更新与成熟。在实际的生产使用中对测量的种类和测量的精度，需求越来越大，要求也越来越高，这就促使新产品、高质量、多功能的测试设备不断出现，传统的测试方法和测量手段不断地被颠覆，各种分析仪、光纤振动传感器等已在广泛应用，灵敏度也在原有的基础上有了质的飞跃。

光纤传感器是继光纤通信获得成功之后，迅速发展起来的一种新型传感器。光纤传感器与传统传感器相比，具有无源、抗电磁干扰能力强、耐高温、耐高压、抗化学腐蚀能力强、轻巧、灵敏度高等优点。光纤振动传感技术是光纤传感领域中研究与开发较为活跃的技术，它能够在高温区、核辐射区、高压区起到很好的作用，已应用到国防、生产、生活等诸多领域。目前广泛使用的光纤振动传感器有光纤布拉格光栅振动传感器、光纤马赫-曾德干涉仪、多模干涉结构的振动传感器等几种。然而，上述光纤振动传感器存在响应不及时、频谱范围窄、结构复杂、生产成本高、灵敏度低、制造困难等缺点。

利用光纤中传输光的偏振态变化信息来检测外界物理条件的改变，是Rogers在1981年提出来的，偏振态对外界扰动变化非常敏感，理论上可以使光纤振动传感器达到极高的灵敏度。当振动传感单元中的单模光纤感受到外部振动时，会产生双折射效应，双折射效应导致的平行光轴和垂直光轴的偏振光存在相位延迟，且光功率与振动强度成函数关系。因此，基于单模光纤的振动双折射效应可以实现对外部振动信号的监测。然而，现有光纤振动传感器的灵敏度和系统扩展能力仍需不能满足要求，且系统复杂，实现成本较高。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种偏振干涉式防区型全光纤振动传感器，可实现多区域振动监测，具有更高的灵敏度和系统扩展能力，且系统架构更简洁，实现成本更低。

本实用新型偏振干涉式防区型全光纤振动传感器包括光源、光分路器、信号处理单元以及n条检测通道，n为正整数；所述光分路器将光源发出的光信号分为n+1路，其中一路经光电转换后作为参考信号输入信号处理单元，另外n路作为检测光分别输入所述n条检测通道；每条检测通道均包括一个光环形器、一个光电探测器、一条传输光纤、一个起偏器、一个全光纤振动传感探头，所述光环形器的a、b、c端口分别连接检测光、传输光纤的一端、光电探测器的输入端，传输光纤的另一端经由起偏器与全光纤振动传感探头连接，光电探测器的输出端连接信号处理单元，所述全光纤振动传感探头为末端安装有反光镜的传感光纤；所述信号处理单元用于对n条检测通道的检测信号及参考信号进行处理以获得振动信息。

优选地，每条检测通道中的起偏器均被安装于一个起保护作用的光纤接续盒内。

优选地，所述n条传输光纤由一条n芯单模铠装光缆实现。从而可有效实现远距离信号传输，降低系统成本。

优选地，所述传感光纤为单模光纤或低双折射光纤。最好为低双折射光纤，从而可最大程度地减小光纤自身双折射对系统稳定性的影响。

优选地，所述起偏器为倾斜光纤光栅或起偏片。

进一步优选第，所述倾斜光纤光栅倾角为45°，栅区长度大于5mm，工作波段为1310nm及1550nm，消光比大于25dB。从而提高系统集成度，降低系统的制作成本，提高系统的可靠性。

优选地，全光纤振动传感探头中的反光镜为镀于传感光纤末端端面上的介质全反射膜。

优选地，所述光分路器为PLC型光分路器。

相比现有技术，本实用新型及其进一步改进或优选技术方案具有以下有益效果：

1.本实用新型以光纤传感器作为敏感单元，采用复用方式级联在一起，通过后端的光信号解调、分析与处理，实现入侵事件的判断、定位、报警和入侵目标的识别，从而实现周界的分区入侵事件检测功能。

2.相对于光纤布拉格光栅振动传感器、光纤马赫-曾德干涉仪、多模干涉结构的振动传感器，本实用新型具有无源、结构简单、成本低、响应速度快、测量精度高、分辨率高、可扩展等优势，能够满足电力、石油、煤矿以及各种涉及到多区域安全防护领域的应用需求。

3.本实用新型技术方案中，多区域全光纤振动传感探头共用一个光源，可简化系统架构，降低系统成本，提高系统的可扩展性及复用性，提高本实用新型产品在工程现场的应用灵活性。

4.本实用新型基于单模光纤的应力双折射效应，利用光纤中光波偏振态对外界物理量变化敏感，采用了偏振光调制及相干检测的方式，实现高灵敏度振动信号的采集，采用反射式系统架构，可提高传感器对小扰动信号的响应能力，提高传感器的频带宽度、响应速度及灵敏度。

5.本实用新型采用专用光电探测器实现光源功率监视功能，结合归一化信号解调算法，可消除光源老化及出纤功率波动对系统测量精度的影响，提高了系统的可靠性及稳定性。

6.本实用新型优选45°倾斜光纤光栅实现起偏器功能，可提高系统的集成度，降低系统的制作成本，提高系统的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型偏振干涉式防区型全光纤振动传感器的结构示意图；

图2为45°倾斜光纤光栅的原理示意图。

图中涉及以下附图标记：

1：光源；2：1×(n+1)光分路器；(21、22…2n)：光分路器的n个检测光输出端口；2n1：光分路器的参考光输出端口；(31、32…3n)：光环形器；(9，101～10n)：光电探测器；4：n芯单模铠装光缆；(41a、42a…4na)：n芯单模铠装光缆的一侧端口；(41b、42b…4nb)：n芯单模铠装光缆的另一侧端口；(51、52…5n)：光纤接续盒；(61、62…6n)：起偏器；(71、72…7n)：传感光纤；(81、82…8n)：反光镜。

具体实施方式

正对现有光纤振动传感技术的不足，本实用新型的思路是以光纤传感器作为敏感单元，采用复用方式级联在一起，通过后端的光信号解调、分析与处理，实现入侵事件的判断、定位、报警和入侵目标的识别，从而实现周界的分区入侵事件检测功能，可满足多区域安全防护需求。传感器基于单模光纤的应力双折射效应，利用光纤中光波偏振态对外界物理量变化敏感的特性，采用了偏振光调制及相干检测的方式，实现高灵敏度振动信号的采集。

具体而言，本实用新型偏振干涉式防区型全光纤振动传感器包括光源、光分路器、信号处理单元以及n条检测通道，n为正整数；所述光分路器将光源发出的光信号分为n+1路，其中一路经光电转换后作为参考信号输入信号处理单元，另外n路作为检测光分别输入所述n条检测通道；每条检测通道均包括一个光环形器、一个光电探测器、一条传输光纤、一个起偏器、一个全光纤振动传感探头，所述光环形器的a、b、c端口分别连接检测光、传输光纤的一端、光电探测器的输入端，传输光纤的另一端经由起偏器与全光纤振动传感探头连接，光电探测器的输出端连接信号处理单元，所述全光纤振动传感探头为末端安装有反光镜的传感光纤；所述信号处理单元用于对n条检测通道的检测信号及参考信号进行处理以获得振动信息。

光源发出的光经过光分路器后，被分成n+1路输出，其中1路输出作为参考光进入光电探测器，用于监视光源输出功率的波动，消除光源老化及功率波动对系统测量精度的影响，其余的n路输出作为检测光分别连接n条检测通道。检测光经过环形器及起偏器后，形成线偏振光，线偏振光进入全光纤振动传感探头。全光纤振动传感探头中的传感光纤在振动所产生的压力作用下产生双折射效应，其中双折射效应大小(或者双折射率)与压力成函数关系，双折射效应导致的平行光轴和垂直光轴的偏振光存在相位延迟，被反光镜反射后，光束返回，并再次产生相位延迟，反射光经过传感光纤传输，并经过起偏器及环形器，被送往光电探测器。相位延迟使得入射偏振光的偏振态发生变化，由于输出偏振态与压力成函数关系，则反射光通过起偏器合束干涉后的光功率与压力成函数关系，通过光功率可以计算出压力所产生的相位延迟，从而计算出施加压力的大小，最终携带有振动信息的光在信号处理单元处被解调出振动信号的强弱信息。

为便于公众理解，下面结合附图对本实用新型的技术方案进行进一步详细说明：

本实用新型偏振干涉式防区型全光纤振动传感器一个具体实施例的结构如图1所示，其包括主机、传输光缆4、光纤接续盒51、52、…、5n和n区域全光纤振动传感探头(分别用于防区1～防区n的振动监测)；所述主机分别包括光源1，1×(n+1)光分路器2，环形器31、32、…、3n，光电探测器9、101、102,、…、10n，信号处理单元(11)；所述传输光缆4采用n芯单模铠装光缆；所述光纤接续盒51、52、…、5n分别容纳起偏器61、62、…、6n，并实现各路光纤接续点的保护；所述n区域全光纤振动传感探头包括传感光纤71、72、…、7n和反光镜81、82、…、8n。

如图1所示，光源1的输出端与1×(n+1)光分路器2的输入端连接，1×(n+1)光分路器2的输出端21与环形器31的端口31a连接，1×(n+1)光分路器2的输出端22与环形器32的端口32a连接，……，1×(n+1)光分路器2的输出端2n与环形器3n的端口3na连接，1×(n+1)光分路器2的输出端2n1与光电探测器9的输入端连接；环形器31的端口31c与光电探测器101的输入端连接，环形器32的端口32c与光电探测器102的输入端连接，……，环形器3n的端口3nc与光电探测器10n的输入端连接，光电探测器9、101、102,、…、10n的输出端分别与信号处理单元11连接；环形器31的端口31b与传输光缆4的端口41a连接，传输光缆4的端口41b与起偏器61的输入端连接，起偏器61的输出端与传感光纤71的输入端连接，传感光纤71的输出端与反光镜81连接；环形器32的端口32b与传输光缆4的端口42a连接，传输光缆4的端口42b与起偏器62的输入端连接，起偏器62的输出端与传感光纤72的输入端连接，传感光纤72的输出端与反光镜82连接；环形器3n的端口3nb与传输光缆4的端口4na连接，传输光缆4的端口4nb与起偏器6n的输入端连接，起偏器6n的输出端与传感光纤7n的输入端连接，传感光纤7n的输出端与反光镜8n连接。

上述偏振干涉式防区型全光纤振动传感器的系统工作原理如下：

根据系统各器件的传输模型，可得光电探测器101、102,、…、10n输入的光强信号：

I_out1＝1/2I_incos²δ (1)

其中，δ为传感光纤受到振动影响产生的相位延迟；Iin为入射光光强。

光电探测器(9)输入的光强信号：

I_out2＝1/2I_in (2)

归一化可得，

I_out＝I_out1/I_out2＝cos²δ (3)

通过对输出光强Iout的探测，即可得振动信息。

所述传感光纤优选单模光纤或低双折射光纤，最好为低双折射光纤，从而可最大程度地减小光纤自身双折射对系统稳定性的影响。

为了简化结构，降低成本，在本实施例中，全光纤振动传感探头中的反光镜为直接镀于传感光纤末端端面上的介质全反射膜。

本实施例中的1×(n+1)光分路器为PLC型光分路器。

所述起偏器可以为倾斜光纤光栅或起偏片。常见的光纤起偏器采用双折射晶体、偏振薄膜、双折射光纤缠绕等特殊形状光纤实现，成本高，插入损耗大，制作工艺复杂。本实用新型起偏器41、42…4n优选45°倾斜光纤光栅实现。目前常用的写制倾斜光纤光栅的方法是将相位模板与光纤轴向旋转一定角度，利用光敏光纤的光敏性，通过紫外曝光，将入射光的相干场图样写入纤芯，在纤芯内形成沿轴向具有一定周期的折射率调制结构，如图2所示。当折射率调制条纹与光场传播垂直方向存在一定角度时，入射光在折射率调制区分界面上将会发生反射和折射，当入射光在折射率调制区分界面上的入射角满足布儒斯特角条件时，其反射光S光和折射光P光为线偏振光，振动方向与入射面垂直。

根据斯涅耳定律，布儒斯特角大小为：

θ_B＝arctan(n₂/n₁) (4)

式中，n1为纤芯中未经紫外曝光区域的折射率，n2为经曝光后调制区域折射率。采用紫外曝光的方法形成光致折射率变化是非常微小的，一般在10-5～10-3数量级，相对于纤芯原来的折射率可以近似认为n2≈n1，根据式(4)，其布儒斯特角为45°。

采用移动扫描相位模板技术在光敏光纤上刻写45°倾斜光纤光栅，通过调整光栅区长度，使得45°倾斜光纤光栅输出消光比在1310nm及1550nm波段大于25dB，偏振度在99％以上的线偏振光，并且以45°倾斜光纤光栅作为起偏器具有完全光纤化、结构紧凑、成本低、偏振性能好、可长时间稳定工作等优点。

Claims (8)

1.一种偏振干涉式防区型全光纤振动传感器，其特征在于，包括光源、光分路器、信号处理单元以及n条检测通道，n为正整数；所述光分路器将光源发出的光信号分为n+1路，其中一路经光电转换后作为参考信号输入信号处理单元，另外n路作为检测光分别输入所述n条检测通道；每条检测通道均包括一个光环形器、一个光电探测器、一条传输光纤、一个起偏器、一个全光纤振动传感探头，所述光环形器的a、b、c端口分别连接检测光、传输光纤的一端、光电探测器的输入端，传输光纤的另一端经由起偏器与全光纤振动传感探头连接，光电探测器的输出端连接信号处理单元，所述全光纤振动传感探头为末端安装有反光镜的传感光纤；所述信号处理单元用于对n条检测通道的检测信号及参考信号进行处理以获得振动信息。

2.如权利要求1所述偏振干涉式防区型全光纤振动传感器，其特征在于，每条检测通道中的起偏器均被安装于一个起保护作用的光纤接续盒内。

3.如权利要求1所述偏振干涉式防区型全光纤振动传感器，其特征在于，所述n条传输光纤由一条n芯单模铠装光缆实现。

4.如权利要求1所述偏振干涉式防区型全光纤振动传感器，其特征在于，所述传感光纤为单模光纤或低双折射光纤。

5.如权利要求1所述偏振干涉式防区型全光纤振动传感器，其特征在于，所述起偏器为倾斜光纤光栅或起偏片。

6.如权利要求5所述偏振干涉式防区型全光纤振动传感器，其特征在于，所述倾斜光纤光栅倾角为45°，栅区长度大于5mm，工作波段为1310nm及1550nm，消光比大于25dB。

7.如权利要求1所述偏振干涉式防区型全光纤振动传感器，其特征在于，全光纤振动传感探头中的反光镜为镀于传感光纤末端端面上的介质全反射膜。

8.如权利要求1所述偏振干涉式防区型全光纤振动传感器，其特征在于，所述光分路器为PLC型光分路器。