專利名稱：分布式光纖振動(dòng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種光纖傳感技術(shù)，尤其涉及ー種分布式光纖振動(dòng)傳感器。
背景技術(shù)：
振動(dòng)量測(cè)量在工程領(lǐng)域具有潛在的運(yùn)用價(jià)值，如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、航空航天、石油化エ、電カ系統(tǒng)等安全監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)量方法如機(jī)械式測(cè)量法、電測(cè)量法，存在靈敏度低，體積大，測(cè)量范圍受放大器件限制的問題，并且傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)量方法只能進(jìn)行點(diǎn)式測(cè)量，在實(shí)際運(yùn)用中受到限制，因此研制高性能的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)勢(shì)在必行。分布式光纖傳感技術(shù)是指沿光纖傳輸路徑上的外部信號(hào)以一定的方式對(duì)光纖中的光波進(jìn)行不斷的調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量場(chǎng)的連續(xù)空間進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。光纖既是導(dǎo)光介質(zhì)，同時(shí)作為傳感元件，感應(yīng)外界振動(dòng)信號(hào)。 相比于傳統(tǒng)的振動(dòng)傳感器，光纖傳感具備靈敏度高的特點(diǎn)，光纖傳感能探測(cè)到極其細(xì)微的變化；動(dòng)態(tài)范圍大；保密性好，不受外界電磁波的干擾；體積小、重量輕，而且監(jiān)控區(qū)域大，能對(duì)大范圍區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)；不易受環(huán)境變化影響；更重要的。光纖傳感能達(dá)到全分布的實(shí)時(shí)監(jiān)控?；诠饫w技術(shù)的振動(dòng)傳感系統(tǒng)研究已經(jīng)非常廣泛，分布式光纖傳感系統(tǒng)主要包括光時(shí)域反射(OTDR, Optical Time Domain Reflectometer)、分布式光纖布拉格光柵(FBG7Fiber Bragg Grating)、光纖干涉式分布傳感。光纖布拉格光柵實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式或準(zhǔn)分布式光纖傳感，兼合波分復(fù)用技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的定位，但缺失振動(dòng)頻率信息。光時(shí)域反射主要是相位型光時(shí)域反射(Φ-OTDR)，能實(shí)現(xiàn)米量級(jí)的空間分辨率，但能檢測(cè)的振動(dòng)頻率較低。光纖干涉式分布傳感能檢測(cè)較高的振動(dòng)頻率信息，但存在振動(dòng)空間分辨率低的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出了ー種分布式光纖振動(dòng)傳感器，它由光源、第ー耦合器、聲光調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、光濾波器、三端ロ環(huán)形器、第一光電探測(cè)器、第二耦合器、第二光電探測(cè)器、高通濾波器、混頻器、函數(shù)發(fā)生器、低通濾波器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和長(zhǎng)距離傳感光纖組成；光源與第一稱合器的輸入端光路連接，第一稱合器將輸入光分為兩路，一路光作為檢測(cè)信號(hào)輸出至聲光調(diào)制器，另一路光作為參考信號(hào)輸出至第二 I禹合器的第一輸入端；聲光調(diào)制器對(duì)輸入光進(jìn)行調(diào)制處理后將光輸出至摻鉺光纖放大器，摻鉺光纖放大器對(duì)輸入光進(jìn)行放大處理后將光輸出至光濾波器進(jìn)行消噪處理，經(jīng)消噪處理后的光由光濾波器傳輸至三端ロ環(huán)形器的輸入端，三端ロ環(huán)形器的收發(fā)復(fù)用端與第一光電探測(cè)器連接，三端ロ環(huán)形器的輸出端與長(zhǎng)距離傳感光纖的一端連接，三端ロ環(huán)形器用以提取長(zhǎng)距離傳感光纖的后向瑞利散射光；長(zhǎng)距離傳感光纖的另一端與第二耦合器的第二輸入端連接，檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)在第二耦合器中發(fā)生拍頻干渉；第二耦合器的輸出端與第二光電探測(cè)器的輸入端連接，第二光電探測(cè)器的輸出端與高通濾波器的輸入端連接，高通濾波器提取檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的干渉信號(hào)中的交流項(xiàng)；高通濾波器的輸出端與混頻器的其中一個(gè)輸入端連接，混頻器的另ー個(gè)輸入端與函數(shù)發(fā)生器連接，檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的干渉信號(hào)中的交流項(xiàng)與函數(shù)發(fā)生器輸出的余弦信號(hào)在混頻器內(nèi)進(jìn)行混頻；函數(shù)發(fā)生器還與聲光調(diào)制器連接；混頻器的輸出端與低通濾波器連接；低通濾波器和第一光電探測(cè)器都連接至數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相連；長(zhǎng)距離傳感光纖鋪設(shè)于被測(cè)空間內(nèi)?；谇笆鼋Y(jié)構(gòu)，為了提高第二耦合器輸出的信號(hào)的信噪比，本發(fā)明還作了如下改進(jìn)第二光電探測(cè)器采用平衡光電探測(cè)器；第二耦合器采用2X2耦合器；第二耦合器的兩個(gè)輸出端與第二光電探測(cè)器的兩個(gè)輸入端連接。更進(jìn)ー步地，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為5KHz、脈寬為50ns、高電平幅值為IV、低電平幅值為O. IV的電脈沖信號(hào)；聲光調(diào)制器在函數(shù)發(fā)生器輸出的電脈沖信號(hào)調(diào)制下，輸出光脈沖信號(hào)，高電平脈沖光用于檢測(cè)發(fā)生振動(dòng)的位置；低電平脈沖光用于檢測(cè)振動(dòng)的頻率。為了降低摻鉺光纖放大器的自發(fā)輻射噪聲，本發(fā)明還作了如下改進(jìn)摻鉺光纖放大器的工作方式米用前向泵浦方式，米用980nm泵浦光在IOm摻鉺光纖下實(shí)現(xiàn)光放大。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是可同時(shí)對(duì)振動(dòng)位置和振動(dòng)頻率進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)信號(hào)的分 辨率較高。


圖I、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2、第二光電探測(cè)器采用平衡光電探測(cè)器時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中所示標(biāo)記對(duì)應(yīng)的部件分別為光源I、第一耦合器2、聲光調(diào)制器3、摻鉺光纖放大器4、光濾波器5、三端ロ環(huán)形器6、第一光電探測(cè)器7、第二耦合器8、第二光電探測(cè)器9、高通濾波器10、混頻器11、函數(shù)發(fā)生器12、低通濾波器13、數(shù)據(jù)采集卡14、計(jì)算機(jī)15、長(zhǎng)距離傳感光纖16。
具體實(shí)施例方式—種分布式光纖振動(dòng)傳感器，其結(jié)構(gòu)為它由光源I、第一I禹合器2、聲光調(diào)制器3、摻鉺光纖放大器4、光濾波器5、三端ロ環(huán)形器6、第一光電探測(cè)器7、第二稱合器8、第二光電探測(cè)器9、高通濾波器10、混頻器11、函數(shù)發(fā)生器12、低通濾波器13、數(shù)據(jù)采集卡14、計(jì)算機(jī)15和長(zhǎng)距離傳感光纖16組成；光源I與第一稱合器2的輸入端光路連接,第一稱合器2將輸入光分為兩路，一路光作為檢測(cè)信號(hào)(即后文的檢測(cè)光)輸出至聲光調(diào)制器3，另一路光作為參考信號(hào)(即后文的參考光)輸出至第二稱合器8的第一輸入端；聲光調(diào)制器3對(duì)輸入光進(jìn)行調(diào)制處理后將光輸出至摻鉺光纖放大器4,摻鉺光纖放大器4對(duì)輸入光進(jìn)行放大處理后將光輸出至光濾波器5進(jìn)行消噪處理，經(jīng)消噪處理后的光由光濾波器5傳輸至三端ロ環(huán)形器6的輸入端，三端ロ環(huán)形器6的收發(fā)復(fù)用端與第一光電探測(cè)器7連接，三端ロ環(huán)形器6的輸出端與長(zhǎng)距離傳感光纖16的一端連接，三端ロ環(huán)形器6用以提取長(zhǎng)距離傳感光纖16的后向瑞利散射光；長(zhǎng)距離傳感光纖16的另一端與第二耦合器8的第二輸入端連接，檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)在第二耦合器8中發(fā)生拍頻干涉；第二耦合器8的輸出端與第二光電探測(cè)器9的輸入端連接，第二光電探測(cè)器9的輸出端與高通濾波器10的輸入端連接，高通濾波器10提取檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的干渉信號(hào)中的交流項(xiàng)；高通濾波器10的輸出端與混頻器11的其中ー個(gè)輸入端連接，混頻器11的另ー個(gè)輸入端與函數(shù)發(fā)生器12連接，檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的干渉信號(hào)中的交流項(xiàng)與函數(shù)發(fā)生器12輸出的余弦信號(hào)在混頻器11內(nèi)進(jìn)行混頻；函數(shù)發(fā)生器12還與聲光調(diào)制器3連接；混頻器11的輸出端與低通濾波器13連接；低通濾波器13和第一光電探測(cè)器7都連接至數(shù)據(jù)采集卡14，數(shù)據(jù)采集卡14與計(jì)算機(jī)15相連；長(zhǎng)距離傳感光纖16鋪設(shè)于被測(cè)空間內(nèi)。前述裝置的工作過程為第一耦合器2將光源I發(fā)出的光分為兩路，一路作為檢測(cè)光傳輸至聲光調(diào)制器3,另一路作為參 考光傳輸至第二稱合器8 (第一稱合器2和第二I禹合器8之間傳輸參考光的光纖即形成參考光纖,其材質(zhì)與長(zhǎng)距離傳感光纖16相同,均為普通光纖);函數(shù)發(fā)生器12向聲光調(diào)制器3輸出波形信號(hào),聲光調(diào)制器3根據(jù)波形信號(hào)將檢測(cè)光調(diào)制為光脈沖，然后將光脈沖輸出至摻鉺光纖放大器4進(jìn)行放大處理，由于摻鉺光纖放大器4會(huì)產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲，因此在摻鉺光纖放大器4后又設(shè)置了光濾波器5來進(jìn)行消噪處理，經(jīng)過消噪處理后的光脈沖被傳輸至三端ロ環(huán)形器6，正向傳輸?shù)墓饷}沖通過三端ロ環(huán)形器6后進(jìn)入長(zhǎng)距離傳感光纖16中，外界振動(dòng)作用在長(zhǎng)距離傳感光纖16上，引起長(zhǎng)距離傳感光纖16的介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生一系列的物理效應(yīng)，從而使長(zhǎng)距離傳感光纖16的傳播參數(shù)發(fā)生變化(長(zhǎng)距離傳感光纖16縱向上的應(yīng)カ變化導(dǎo)致長(zhǎng)距離傳感光纖16的長(zhǎng)度發(fā)生變化，同吋，長(zhǎng)距離傳感光纖16的直徑也在泊松效應(yīng)的作用下發(fā)生變化，進(jìn)而使光波傳播常數(shù)發(fā)生變化，另外彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)使長(zhǎng)距離傳感光纖16纖芯的折射率也發(fā)生改變，前述的各種影響最終導(dǎo)致在長(zhǎng)距離傳感光纖16中傳輸?shù)墓獠ㄏ辔划a(chǎn)生相應(yīng)的變化)，三端ロ環(huán)形器6從長(zhǎng)距離傳感光纖16上提取后向瑞利散射光，采集到的后向瑞利散射光的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，即可得到振動(dòng)的位置信息；長(zhǎng)距離傳感光纖16上正向傳輸?shù)墓膺M(jìn)入第二耦合器8后，檢測(cè)光和參考光在第二耦合器8內(nèi)產(chǎn)生拍頻干涉，然后由第二光電探測(cè)器9對(duì)拍頻干渉后的光進(jìn)行采集，第二光電探測(cè)器9采集到的信號(hào)送到高通濾波器10進(jìn)行濾波處理，濾波處理后的信號(hào)與函數(shù)發(fā)生器12提供的余弦信號(hào)(余弦信號(hào)的頻率與聲光調(diào)制器3的移頻數(shù)值相同)在混頻器11內(nèi)進(jìn)行混頻，混頻后的信號(hào)通過低通濾波器13處理后傳輸至計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，得到振動(dòng)的頻率信息。本發(fā)明的檢測(cè)原理是I)通過采集后向瑞利散射光獲取振動(dòng)位置信息的原理和方法是現(xiàn)有技術(shù)，光脈沖在光纖中傳輸激發(fā)出后向瑞利散射光，后向瑞利散射光的光強(qiáng)是光脈沖寬度范圍內(nèi)后向散射光干涉疊加的結(jié)果，其靈敏度較高。當(dāng)外界振動(dòng)作用在光纖上吋，將會(huì)引起光脈沖寬度范圍內(nèi)后向散射光的相位發(fā)生變化，所以干涉疊加光強(qiáng)變化，可以檢測(cè)出振動(dòng)源在光纖的位置。2)通過采集參考信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)的拍頻干渉信號(hào)，然后將其和余弦信號(hào)進(jìn)行混頻，最終處理得到振動(dòng)頻率，其原理和方法是現(xiàn)有的理論，參考光和檢測(cè)光在第二耦合器8中發(fā)生拍頻干涉后的干渉信號(hào)光強(qiáng)I可由下式示出
I = I1 + L + cos(2^4// + φ{(diào) ) + Αφ0)接著經(jīng)過第二光電探測(cè)器9和高通濾波器10的處理后可得到
Ia^ ニ IkR^JIlI-, cos{2nl^ft + φ{(diào) ) + Αφ0)將IA。與函數(shù)發(fā)生器12提供的余弦信號(hào)cos (2π Δ ft)進(jìn)行混頻處理后經(jīng)低通濾波器13處理，即可得到外界振動(dòng)信號(hào)的余弦函數(shù)
權(quán)利要求
1.ー種分布式光纖振動(dòng)傳感器,其特征在于它由光源(I)、第一稱合器(2)、聲光調(diào)制器(3)、摻鉺光纖放大器(4)、光濾波器(5)、三端ロ環(huán)形器(6)、第一光電探測(cè)器(7)、第二耦合器(8)、第二光電探測(cè)器(9)、高通濾波器(10)、混頻器(11)、函數(shù)發(fā)生器(12)、低通濾波器(13)、數(shù)據(jù)采集卡(14)、計(jì)算機(jī)(15)和長(zhǎng)距離傳感光纖(16)組成；光源(I)與第一耦合器(2)的輸入端光路連接,第一稱合器(2)將輸入光分為兩路,一路光作為檢測(cè)信號(hào)輸出至聲光調(diào)制器(3),另一路光作為參考信號(hào)輸出至第二稱合器(8)的第一輸入端；聲光調(diào)制器(3)對(duì)輸入光進(jìn)行調(diào)制處理后將光輸出至摻鉺光纖放大器(4),摻鉺光纖放大器(4)對(duì)輸入光進(jìn)行放大處理后將光輸出至光濾波器(5)進(jìn)行消噪處理，經(jīng)消噪處理后的光由光濾波器(5)傳輸至三端ロ環(huán)形器(6)的輸入端，三端ロ環(huán)形器(6)的收發(fā)復(fù)用端與第一光電探測(cè)器(7)連接，三端ロ環(huán)形器(6)的輸出端與長(zhǎng)距離傳感光纖(16)的一端連接，三端ロ環(huán)形器(6)用以提取長(zhǎng)距離傳感光纖(16)的后向瑞利散射光；長(zhǎng)距離傳感光纖(16)的另一端與第ニ耦合器(8)的第二輸入端連接，檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)在第二耦合器(8)中發(fā)生拍頻干涉；第二耦合器(8)的輸出端與第二光電探測(cè)器(9)的輸入端連接，第二光電探測(cè)器(9)的輸出端與高通濾波器(10)的輸入端連接，高通濾波器(10)提取檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的干渉信號(hào)中的交流項(xiàng)；高通濾波器(10)的輸出端與混頻器(11)的其中ー個(gè)輸入端連接，混頻器(11)的另ー個(gè)輸入端與函數(shù)發(fā)生器(12)連接，檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的干渉信號(hào)中的交流項(xiàng)與函數(shù)發(fā)生器(12)輸出的余弦信號(hào)在混頻器(11)內(nèi)進(jìn)行混頻；函數(shù)發(fā)生器(12)還與聲光調(diào)制器(3)連接；混頻器(11)的輸出端與低通濾波器(13)連接；低通濾波器(13)和第一光電探測(cè)器(7)都連接至數(shù)據(jù)采集卡(14)，數(shù)據(jù)采集卡(14)與計(jì)算機(jī)(15)相連；長(zhǎng)距離傳感光纖(16)鋪設(shè)于被測(cè)空間內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式光纖振動(dòng)傳感器，其特征在于第二光電探測(cè)器(9)采用平衡光電探測(cè)器；第二耦合器(8)采用2X2耦合器；第二耦合器(8)的兩個(gè)輸出端與第ニ光電探測(cè)器(9)的兩個(gè)輸入端一一連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式光纖振動(dòng)傳感器，其特征在于函數(shù)發(fā)生器(12)產(chǎn)生頻率為5KHz、脈寬為50ns、高電平幅值為IV、低電平幅值為0. IV的電脈沖信號(hào)；聲光調(diào)制器(3)在函數(shù)發(fā)生器(12)輸出的電脈沖信號(hào)調(diào)制下,輸出光脈沖信號(hào)，高電平脈沖光用于檢測(cè)發(fā)生振動(dòng)的位置；低電平脈沖光用于檢測(cè)振動(dòng)的頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式光纖振動(dòng)傳感器，其特征在于摻鉺光纖放大器(4)的工作方式米用前向泵浦方式，米用980nm泵浦光在IOm摻鉺光纖下實(shí)現(xiàn)光放大。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分布式光纖振動(dòng)傳感器，它由光源、第一耦合器、聲光調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、光濾波器、三端口環(huán)形器、第一光電探測(cè)器、第二耦合器、第二光電探測(cè)器、高通濾波器、混頻器、函數(shù)發(fā)生器、低通濾波器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和長(zhǎng)距離傳感光纖組成；本發(fā)明的有益技術(shù)效果是可同時(shí)對(duì)振動(dòng)位置和振動(dòng)頻率進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)信號(hào)的分辨率較高。
文檔編號(hào)G01H9/00GK102865914SQ201210349310
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月19日
發(fā)明者朱濤 申請(qǐng)人:朱濤