一種基于模間干涉原理的新型振動測量實(shí)驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于模間干涉原理的新型振動測量實(shí)驗(yàn)裝置。本裝置使用中心波長為1550nm的激光光源1發(fā)出激光，激光通過單?！嗄！獑文９饫w5之后由光電探測電路10轉(zhuǎn)換為電壓信號并進(jìn)行放大，之后由SR830鎖相放大器2進(jìn)行采集，得到輸出電壓信號。SR830鎖相放大器2給出已知頻率的正弦信號，通過振動以及驅(qū)動模塊13使多模光纖12發(fā)生振動，因此SR830鎖相放大器的輸出電壓就會隨之改變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置可以連續(xù)測量振動信號的頻率，并得到了良好的線性特性，其靈敏度為4.7401mV/Hz，測量頻率范圍為2Hz～80Hz。該裝置使用懸臂梁結(jié)構(gòu)作為振動源，使實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)更加簡化，并且利用鎖相放大器2檢測信號輸出，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加精確。
【專利說明】一種基于模間干涉原理的新型振動測量實(shí)驗(yàn)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種基于模間干涉原理的新型振動測量實(shí)驗(yàn)裝置，屬于光纖傳感器技術(shù) 領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 二十世紀(jì)初，研究者們就開始對振動測量技術(shù)進(jìn)行探索研究。在他們不斷的研究 和實(shí)踐中，振動測量技術(shù)逐漸走向成熟。振動測量主要是測量振動的重要參數(shù)，如振幅、頻 率、速度、加速度及位移等動態(tài)參數(shù)。振動測量技術(shù)隨著工程中對振動監(jiān)測需求的與日俱增 而不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出大量高質(zhì)量的測量設(shè)備和先進(jìn)的測量方法。目前，振動測量的方法主要 包括機(jī)械式、電氣式和光學(xué)式三類。
[0003] 現(xiàn)在國內(nèi)外普遍使用的還是基于電氣式振動傳感器，如電渦流式振動傳感器、壓 電式振動傳感器、應(yīng)變式振動傳感器和電動式傳感器。這些傳感器普遍具有靈敏度低、抗干 擾能力差、測量頻率范圍窄等缺點(diǎn)。所以，迫切需要研究出一種低成本、適應(yīng)性強(qiáng)、靈敏度高 的振動檢測設(shè)備。
[0004] 為了達(dá)到這些要求，研究者們把目光轉(zhuǎn)向光纖傳感器領(lǐng)域。目前國內(nèi)外對光纖傳 感器也有了一定研究，研究最多的是光纖光柵振動傳感器，他的靈敏度雖然很高，但傳感信 號的解調(diào)比較困難，實(shí)際應(yīng)用的解調(diào)產(chǎn)品不多，且價(jià)格昂貴(邁克爾遜干涉光纖傳感器和法 布里-玻羅干涉型傳感器結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，不利于實(shí)際操作)。而基于模間干涉原理測量振 動結(jié)構(gòu)比較簡單，而且不需要昂貴的解調(diào)設(shè)備，因此研究者們把目光放在了模間干涉方面。
[0005] 1995 年，Lucas B. Soldamo 等人在 Journal of Lightwave Technology 上發(fā)表 文章，對多模光纖內(nèi)部模式干涉效應(yīng)、自聚焦現(xiàn)象及傳輸光場變化等重要理論進(jìn)行了論述， 從2003年起，各國學(xué)者開始對單模-多模-單模光纖（SMS)構(gòu)進(jìn)行廣泛且深入的研究，獲 得了眾多科研成果，如測量應(yīng)變、折射率、pH等(文獻(xiàn)1 :Yuan Gong, Tian Zhao, Yun-Jiang Rao, Yu ffu. All-Fiber Curvature Sensor Based on Multimode Interference. IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 23，NO. 11，JUNE 1，2011 文獻(xiàn) 2 Qiangzhou Rong , Xueguang Qiao, Tuan Guo Ruohui Wang, Jing Zhang, Manli Hu , Zhongyao Feng Yinyan ffeng , Yue Ma, Temperature-calibrated f iber-optic refractometer based on a compact FBG-SMS structure, CHINESE OPTICS LETTERS, COL 10(03)，030604(2012))。在本文中所述的實(shí) 驗(yàn)裝置，是基于是光在單模一多模一單模光纖結(jié)構(gòu)中能夠產(chǎn)生模間干涉的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的 在本發(fā)明中設(shè)計(jì)了一種基于模間干涉原理的新型振動測量實(shí)驗(yàn)裝置，此裝置良好的證 明了單模一多模一單模光纖結(jié)構(gòu)可以用于測量振動，并得出了單模一多模一單模光纖能夠 測量振動的頻率范圍及其靈敏度。此裝置與傳統(tǒng)的電氣式方法測量振動相比具有結(jié)構(gòu)簡 單，重量輕、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、抗腐蝕性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。與以往單模一多模一 單模光纖測量振動相比，本實(shí)驗(yàn)裝置使用等腰三角形的懸臂梁結(jié)構(gòu)作為振動源，保證了光 纖各點(diǎn)受力均勻。并由SR830鎖相放大器2提供正弦信號，信號可調(diào)且范圍廣。而且信號 檢測裝置使用的是SR380鎖相放大器2,信號采集更加精確。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] (一）、要解決的技術(shù)問題 本發(fā)明解決了目前傳感信號的解調(diào)困難，價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗干擾能力弱等問題主 要提出了一種基于模間干涉原理的新型振動測量實(shí)驗(yàn)裝置。
[0007] (二）、技術(shù)方案 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于模間干涉原理的新型振動測量實(shí)驗(yàn)裝置。 該裝置是將光纖固定在懸臂梁7上，懸臂梁7下端固定一個(gè)永久磁鐵8。通過SR830鎖相放 大器2給出正弦信號，再經(jīng)過信號放大電路4放大后輸出到電磁線圈9,因此電磁線圈9產(chǎn) 生交變磁場，帶動懸臂梁7尾端的永久磁鐵8來回振動，從而使懸臂梁7上的多模光纖12 發(fā)生振動。當(dāng)多模光纖12發(fā)生振動時(shí)，發(fā)生模間干涉的強(qiáng)度就會改變，因此會引起輸出光 強(qiáng)的改變，該輸出信號經(jīng)過光電探測電路10之后由SR830鎖相放大器2采集，得到相應(yīng)的 輸出電壓，由此可以得到輸出電壓與振動頻率之間的關(guān)系。
[0008] 上述方案中，所述振動以及驅(qū)動模塊13的主要結(jié)構(gòu)為懸臂梁7。該懸臂梁7由碳 纖維板構(gòu)成，呈等腰三角形狀，長20cm，底寬4cm，厚度1. 5mm。此結(jié)構(gòu)可以保證光纖粘在懸 臂梁中心位置時(shí)，其各點(diǎn)所受力均勻。
[0009] 上述方案中，所述振動以及驅(qū)動模塊13采用了電磁線圈9與永久磁鐵8。兩個(gè)電 磁線圈9呈左右對稱狀，內(nèi)徑10mm，外徑35mm，長度30mm,電感值22. 6mH。永久磁鐵8半徑 5_。通過對電磁線圈9通電，使永久磁鐵8發(fā)生振動，由于永久磁鐵8固定在懸臂梁7上， 因此懸臂梁7發(fā)生振動，進(jìn)一步帶動懸臂梁7上的多模光纖12振動。
[0010] 上述方案中，所述光源采用的是中心波長為1550nm的激光光源1。
[0011] 上述方案中，所述實(shí)驗(yàn)裝置的信號檢測設(shè)備使用的是SR830鎖相放大器2, SR830 鎖相放大器2可以有效消除噪聲，有利于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0012] 上述方案中，所述的光電探測電路10具有1M放大倍數(shù)，檢測波長范圍為 llOOnm?1700nm，響應(yīng)度為0. 96A/W，暗電流小于1. OnA。對于輸出很小的電壓信號能夠很 好地進(jìn)行放大。
[0013] (三）、有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果： 1)本發(fā)明采用等腰三角形懸臂梁結(jié)構(gòu)，材料由碳纖維板構(gòu)成，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且可以 保證光纖粘在懸臂梁7中心位置時(shí)，其各點(diǎn)所受力均勻。
[0014] 2)本發(fā)明使用SR830鎖相放大器2提供正弦信號，由電磁線圈9帶動懸臂梁7發(fā) 生振動，振動信號的頻率可調(diào)且范圍廣。
[0015] 3)實(shí)驗(yàn)裝置使用SR830鎖相放大器2可以有效消除噪聲，提高測量準(zhǔn)確性。
[0016] 4)實(shí)驗(yàn)裝置良好的證明了多模光纖12發(fā)生振動時(shí)，光在單模一多模一單模光纖 5中會發(fā)生干涉，而且當(dāng)多模光纖12振動頻率改變時(shí)，干涉強(qiáng)度也會發(fā)生改變，因此輸出光 強(qiáng)就會發(fā)生改變。
[0017] 5)通過最終結(jié)果，可以得出單模一多模一單模光纖5結(jié)構(gòu)可以很好地測量振動頻 率的變化。而且測量的振動頻率與顯示的電壓成良好的線性關(guān)系，靈敏度為4. 7401mV/Hz， 測量頻率范圍為2Hz?80Hz。
[0018] (四）、【專利附圖】

【附圖說明】 圖1是一種基于模間干涉原理的新型振動測量實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0019] 圖2是單模一多模一單模光纖5結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖3是SR830鎖相放大器2檢測到的電壓信號與懸臂梁7振動頻率之間的關(guān)系曲 線圖。
[0021] (五)、【具體實(shí)施方式】 為使上述目的、優(yōu)點(diǎn)更加易懂，下面結(jié)合附圖以及【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0022] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。這種基于模間干涉原理的新型振動測量實(shí)驗(yàn) 裝置主要包括中心波長為1550nm的激光光源1，單模一多模一單模光纖5、振動以及驅(qū)動模 塊13、信號檢測與處理模塊14。各模塊之間的連接方式如圖1所示：中心波長為1550nm激 光光源1與單模一多模一單模光纖5連接，其中多模光纖12固定在振動以及驅(qū)動模塊13 的懸臂梁7上面，光纖另一端與信號檢測與處理模塊14連接。振動以及驅(qū)動模塊13包括 鎖相放大器2,信號放大器4,電源3,支架6,懸臂梁7,永久磁鐵8,電磁線圈9。信號檢測與 處理模塊14包括光電探測電路10、SR830鎖相放大器2。其中單模一多模一單模光纖5的 輸出端與光電探測電路10相連，最后由SR830鎖相放大器2檢測。
[0023] 本發(fā)明的振動信號用如下方法產(chǎn)生： 永久磁鐵8固定在懸臂梁7上面，懸臂梁7與電磁線圈9固定在支架6上面，如圖1所 示，SR830鎖相放大器2產(chǎn)生的正弦信號經(jīng)過信號放大電路4提供給電磁線圈9,使電磁線 圈9產(chǎn)生電磁力，與永久磁鐵8相互作用，使永久磁鐵8發(fā)生振動，并帶動懸臂梁7發(fā)生正 弦振動。
[0024] 本發(fā)明的傳感原理如下說明： 光在相交區(qū)域內(nèi)，形成一組穩(wěn)定的明暗相間的斑紋，稱為光的干涉現(xiàn)象。光的干涉相干 條件：（1)頻率相同；（2)存在相互平行的振蕩分量；（3)相位差穩(wěn)定。對于多模光纖中的 各個(gè)模式，因?yàn)閬碓从谕还庠此云漕l率相同，振動分量都可以分為縱向和橫向，每個(gè)模 式相位唯一，因此只要光源是相干光源，多模光纖中的各模式之間就滿足光的干涉條件。在 本裝置中使用的是中心波長為1550nm的激光光源1，激光由單模光纖11進(jìn)入多模光纖12 時(shí)會激勵(lì)出多個(gè)模式的光，各個(gè)模式之間的光滿足干涉條件，因此當(dāng)這幾個(gè)模式的光再進(jìn) 入另一段單模光纖11時(shí)就會發(fā)生干涉。當(dāng)多模光纖12發(fā)生振動時(shí)，會使干涉強(qiáng)度發(fā)生變 化，通過采集這種變化就可以測量振動，因此單模一多模一單模光纖5結(jié)構(gòu)可以用于測量 振動。
[0025] 本發(fā)明具體實(shí)施過程如下： 單模一多模一單模光纖5中多模光纖12粘貼在懸臂梁7上面。其中單模一多模一單 模光纖5主要是由一段單模光纖11、一段多模光纖12、以及一段單模光纖11熔接而成，如 圖2所示。懸臂梁7振動會帶動單模一多模一單模光纖5中的多模光纖12發(fā)生振動。光 信號在多模光纖12內(nèi)發(fā)生干涉后通過信號檢測與處理模塊14轉(zhuǎn)化為電壓信號并檢測。因 為懸臂梁7發(fā)生的是已知頻率的振動，我們對SR830鎖相放大器2檢測到的電壓進(jìn)行標(biāo)定， 之后通過標(biāo)定既可以得到在此裝置下懸臂梁7的振動頻率與SR830鎖相放大器2檢測到的 電壓信號的一一對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。由此得出懸臂梁7振動頻率與SR830鎖相放大器2 檢測到的電壓的關(guān)系如下： 其中?:是懸臂梁7的振動頻率，是SR830鎖相放大器2的輸出電壓 該實(shí)驗(yàn)裝置利用振動以及驅(qū)動模塊13給多模光纖12提供振動。對已知頻率的振動信 號進(jìn)行測量，并使用SR830鎖相放大器2進(jìn)行信號采集，能夠最大限度的排除干擾，最后標(biāo) 定出振動頻率以及電壓的關(guān)系。該裝置充分的證明了單模一多模一單模光纖5結(jié)構(gòu)可以用 于測量振動信號。實(shí)驗(yàn)測得靈敏度為4. 7401mV/Hz，測量范圍為2Hz?80Hz。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于模間干涉原理的新型振動測量實(shí)驗(yàn)裝置，主要包括中心波長為1550nm的 激光光源1，單模一多模一單模光纖5、振動以及驅(qū)動模塊13、信號檢測與處理模塊14,其 特征在于：中心波長為1550nm激光光源1與單模一多模一單模光纖5連接，其中單模一多 模一單模光纖5中多模光纖12固定在振動以及驅(qū)動模塊13的懸臂梁7上面，單模一多模一 單模光纖5的另一端與信號檢測與處理模塊14連接，其中在振動以及驅(qū)動模塊13中，懸臂 梁7下端固定一個(gè)永久磁鐵8,通過SR830鎖放大器2給出正弦信號，經(jīng)信號放大電路4接 入電磁線圈9,電磁線圈9產(chǎn)生交變磁場，從而帶動懸臂梁7尾端的永久磁鐵8來回振動， 懸臂梁7上的多模光纖12隨之發(fā)生振動，則輸出光強(qiáng)就會發(fā)生變化，光信號通過單模一 多模一單模光纖5后進(jìn)入光電探測電路10,最后由SR830鎖相放大器2采集，就可以獲得 SR830鎖相放大器的輸出電壓與多模光纖12振動頻率之間的關(guān)系。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于模間干涉原理的新型振動測量實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在 于：振動以及驅(qū)動模塊13包括SR830鎖相放大器2,信號放大電路4,支架6,懸臂梁7,永 久磁鐵8,電磁線圈9, SR830鎖放大器2的信號輸出端與信號放大電路4相連，電源3與信 號放大電路4相連，給信號放大電路4供電，信號放大電路4與電磁線圈9相連，永久磁鐵 8固定在懸臂梁7上面，懸臂梁7與電磁線圈9固定在支架6上面，SR830鎖相放大器2給 電磁線圈9供正弦信號，使之產(chǎn)生電磁力，電磁力與永久磁鐵8相互作用，最終帶動懸臂梁 7上的多模光纖12發(fā)生正弦振動。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于模間干涉原理的新型振動測量實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在 于：其中單模-多模-單模光纖5由纖芯直徑為9 μ m、包層直徑為125 μ m的單模光纖11與 纖芯直徑為125 μ m的無包層多模光纖12烙接而成。
4. 如權(quán)利要求1所述一種基于模間干涉原理的新型振動測量實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于： 信號檢測與處理模塊14中，光信號由1M放大倍數(shù)的光電探測電路10轉(zhuǎn)換為電壓信號，之 后通過SR830鎖相放大器2進(jìn)行采集。
5. 如權(quán)利要求2所述的懸臂梁7,其特征在于：本發(fā)明使用的懸臂梁7由碳纖維板構(gòu) 成，呈等腰三角形狀，長20cm，底寬4cm，厚度1. 5mm，一階固有頻率50Hz，此結(jié)構(gòu)可以保證光 纖粘在懸臂梁中心位置時(shí)，其各點(diǎn)所受力均勻。
6. 如權(quán)利要求2所述的電磁線圈9,其特征在于：其內(nèi)徑為10mm，其外徑為35mm，其長 度為30mm，其電感值為22. 6mH。
7. 如權(quán)利要求2所述的永久磁鐵8,其特征在于：其半徑為5mm，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為 0· 58mm〇
【文檔編號】G01H9/00GK104061996SQ201410019769
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】趙勇, 李雪剛, 孟繁超 申請人:東北大學(xué)