CN2625862Y - 全光纤振动测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种振动测量装置。现有的振动测量装置复杂，操作不便。本实用新型是一种白光干涉式全光纤干涉装置，主要由激光器、全光纤干涉装置和数据处理系统组成。其中全光纤干涉装置可以由三只2×2多模光纤耦合器组成，也可以由一只2×2光纤耦合器和一只3×3多模光纤耦合器组成，激光经过耦合器分光、差频干涉后，可直接测量振动对象，产生稳定的干涉条纹，经探测器光电转换后，分析干涉曲线，反演出振动速度和位移。全光纤速度干涉仪对振动面的测量，具有系统结构紧凑、调试方便、抗电磁干扰和强辐射等优点，不仅能够实现对高频振动的测量，还能实现对低频振动的测量；也能实现对微小振动信号的测量，对振动位移的测量能够精确到0.1nm左右。

Description

全光纤振动测量装置

技术领域

本实用新型是一种全光纤振动测量装置。

背景技术

振动测量领域覆盖了机械、电子、建筑、地质等广泛领域，在研究材料的特性方面也有应用背景。全光纤振动测量装置具有安装方便、抗电磁干扰和强辐射、测试频率宽、测量精度高等优点，不仅可以克服传统振动测试仪对频率响应不宽的缺点，还有测量装置便于野外作业的优点。

发明内容

本实用新型的目的是设计一种结构简单、测量振动物理量方便、测试精度高的全光纤振动测量装置。

本实用新型利用光纤耦合器、单模光纤、单模光纤准直器等光纤无源器件，以及稳定光源和光电探测器等有源器件，构成全光纤干涉装置。在图2所示的全光纤干涉装置中，激光器发出的光经耦合器I进入耦合器II，再进入耦合器III，经过光纤准直器后，被测试对象反射，反射光依次经过耦合器III、耦合器II和耦合器I，在耦合器II的(2)端和耦合器I的(14)端输出干涉信号，该干涉信号经过检测器I(14)、II(15)光电转换后，得到系统的干涉信号曲线。

在图2中，光纤耦合器II为核心器件，稳定光源发出的激光经过耦合器I分光后由1端进入耦合器II，经过耦合器III后，被振动测试对象反射，重新被耦合器III分光，在3、4端反注入耦合器II，从而在1、2端形成干涉信号，被探测器I、II所检测。

本实用新型反射光在重新注入耦合器II 3、4端前，输入光被耦合器II、III分光和镜面所反射后，形成了四条经过不同传输路径的光束。

(1)  4→6→12→6→4

(2)  3→5→12→5→3

(3)  3→5→12→6→4

(4)  4→6→12→5→3

上面四束光中，由于光纤延迟线的长度远远大于激光器的相干长度L₀，所以，它们间能够形成稳定干涉的光束(3)和(4)。

当振动面静止时，(3)和(4)端光束经历的光程完全相等，光程差ΔL＝0。

当振动面振动时，由于光纤延迟线的存在，使得(3)和(4)端光束经历的光程不完全相等，光程差

ΔL＝2[S(t)-S(t-τ)]＝2V(t-τ/2)τ    (1)

其中S(t)为振动的位移曲线，V(t-τ/2)为振动引起的速度，其方向和大小表现振动的物理量，τ为光纤延迟线的时间延迟，与光纤延迟线长度L的关系为

$\mathrm{\τ}=\frac{n_{\mathrm{eff}}L}{C}---\left(2\right)$

上式中，C为真空中的光速，n_eff为光纤的等效折射率。

只要满足不等式

ΔL≤L₀                     (3)

就能形成稳定的干涉条纹。

光程差ΔL与两干涉光束的相位差(t)的关系为

(t)＝2πΔL/λ              (4)

利用上式，可得到探测端(14)、(15)端振动信号形成的干涉曲线电压大小I(t)，其大小可写分别表示为

I(t)＝A₀+I₀cos(4πV(t-τ/2)/λ)          (5)

I(t)＝1/2[A₀-I₀cos(4πV(t-τ/2)/λ)]    (6)

上式中，I₀为输出电压的最大幅度，A₀为非干涉光形成的直流电压大小，与反射面的光反射率和光纤耦合器的分光比有关，通过反演上式，最终得到振动信号的位移、速度曲线，从而测量出振动信号的大小。

本实用新型的另一种结构如图3所示。在图3所示的多模全光纤干涉装置中，将激光器发出的光经耦合器I进入耦合器II，经过光纤准直器后，被振动的测试对象反射，反射光依次经过耦合器II和耦合器I，在耦合器I的(1)端和耦合器I的(2)端输出干涉信号，该干涉信号经过检测器I(14)、II(15)光电转换后，得到系统的干涉信号曲线。

本实用新型的传输光纤为单模光纤。

本实用新型所采用的光纤耦合器为两端输入、两端输出的2×2型光纤耦合器或三端输入、三端输出的3×3光纤耦合器。

本实用新型的测试对象是任何可产生振动的机械、马达、桥梁、爆炸冲击波和声音等。

本实用新型的工作光源为超辐射发光二极管(SLD)，工作波长为1.31微米或1.55微米。

本实用新型装置可应用于振动对象的测量，结构简捷，测量精度高，数据处理方便，克服了现有该类测量中光谱要求高、装置复杂等诸多不足。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图。

图2是多模全光纤干涉振动测量装置图。其中1-4分别是多模光纤耦合器II的输入、输出端口，5、6是多模光纤耦合器III的输入端口，7是激光器，8是光纤耦合器I，9是耦合器II，10是光纤延迟线，11是耦合器III，12是光纤准直器，13是测试对象，14是光电探测器I，15是光电探测器II，16是数据处理，17是全光纤干涉部份，18是光纤耦合器的休闲输出端。

图3是全光纤干涉振动测量装置图。

图4是以振动台在振动频率为80Hz时的振动干涉曲线图。

具体实施方式

实施例

在本实施例中，所用光源是四十四所生产的超辐射发光二极管稳定光源(7)，用跳线(FC/PC)连接进入武汉邮电研究院生产的多模光纤耦合器(8)，然后再进入多模光纤耦合器(9)。光纤耦合器(9)与(10)之间、(10)与(11)之间也采用跳线连接。多模光纤延迟线(10)为武汉邮电研究院生产的多模光纤。多模光纤准直器(12)的工作波长为1.31μm，与耦合器(11)之间的连接也为跳线连接。光电探测器为电子部44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。探测器(14)(15)与光纤耦合器(9)(11)采用跳线连接。振动测试对象(13)为工作电压为1.956，伏频率为80.1Hz的振动台，该振动台为北戴河科新测振仪器有限责任公司生产。探测器(14)、(15)与计算机连接构成数据处理部分(16)，光路与耦合器构成装置的光干涉部分(17)。

利用上面所列的器件，构造了图2所示的多模全光纤速度测量装置。测得的振动速度引起的干涉信号如图4所示。

Claims (6)

1、一种全光纤振动测量装置，由激光器、全光纤干涉装置、被测样品、数据处理几部分组成，其特征是激光器(7)发出的光经耦合器I(8)由(1)进入耦合器II(9)，再进入耦合器III(11)，经过光纤准直器(12)后，被振动的测试样品(13)反射，反射光依次经过耦合器III、耦合器II和耦合器I，在耦合器II的(2)端和耦合器I的(14)端输出干涉信号，该干涉信号经过检测器I(14)、II(15)光电转换后，得到干涉信号曲线。

2、根据权利要求1所述的全光纤振动测量装置，其特征是激光器(7)发出的光经耦合器I(8)进入耦合器II(9)，经过光纤准直器(12)，被振动的测试样品(13)反射，反射光依次经过耦合器II(9)、耦合器I(8)，输出的干涉信号经检测器后即得到干涉信号曲线。

3、根据权利要求1所述的振动测量装置，传输光纤为单模光纤。

4、根据权利要求1所述的速度测量装置，其特征是光纤耦合器是2×2单模光纤耦合器或3×3单模光纤耦合器。

5、根据权利要求1所述的振动测量装置，其特征是测试对象为能够引起振动的物体。

6、根据权利要求1所述的振动测量装置，其特征是所用的激光器工作波长是1.31μm或1.55μm的超辐射发光二级管。

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