包層光纖光柵振動傳感儀的製作方法

2023-06-30 07:43:46

包層光纖光柵振動傳感儀的製作方法
【專利摘要】一種包層光纖光柵振動傳感儀，半導體雷射器通過單模光纖與光纖環形器相連，光纖環形器通過單模光纖與光纖光柵傳感器和光纖波分復用器相連，光纖波分復用器通過單模光纖與包層光柵光電探測器和纖芯光柵光電探測器相連,包層光柵光電探測器和纖芯光柵光電探測器通過同軸電纜與示波器相連，在細芯光纖上寫有纖芯光柵，光纖包層上寫有包層光柵。在建築物震動檢測時，半導體雷射器發出的雷射經光纖環形器傳輸至纖芯光柵和包層光柵，待測振動體振動引起包層光柵反射的包層模能量分布變化，改變耦合進入單模光纖的能量，獲得振動方向信息，實時檢測橋梁、隧道、大壩等土木工程的結構形變，研究地球內部結構和地震波傳播特性，實現臨震預報。
【專利說明】包層光纖光柵振動傳感儀

【技術領域】
[0001]本發明屬於傳感器【技術領域】，具體涉及到光纖光柵振動傳感器。

【背景技術】
[0002]作為一種新型的光無源器件，光纖光柵加速度傳感器具有許多電磁類加速度傳感器無法比擬的優點，如靈敏度高、動態範圍寬、不受電磁幹擾、抗腐蝕、傳輸損耗小、可靠性高、體積小、重量輕等特點，而且具有傳感信號不受光源起伏、光路損耗等因素的影響，抗幹擾能力強、傳感探頭結構簡單、易於使用波分復用技術而形成分布式測量等特點。因此光纖光柵加速度傳感器也成為了一個新的研究和發展的方向。光纖檢波器已從地層幾千米深的油氣資源地質勘探研究，拓展到地層萬米深的天然地震波實時監測，探索天然地震災害、次生災害、地質滑坡以及橋梁、大壩、公路破損等預警預報監測，具有十分重要的科學技術研究意義和廣闊的應用前景。
[0003]光纖類加速度傳感器採用光纖傳感技術來測量慣性質量塊與傳感器基座的相對位移，如光彈效應法、光強波動法、幹涉法、布拉格光柵法、都卜勒效應法等。一般當光纖的長度發生變化時，光纖中傳輸的光的相位或振幅將發生相應的變化。光纖類加速度傳感器就是利用光纖的這種特性，外界的振動加速度會引起光纖長度的變化，進而引起傳輸光的相位或振幅的變化，通過光學方法檢測出傳輸光的相位或振幅的變化即能檢測出外界的振動加速度。但對於未知振源、振源變化或多源振動等複雜監測對象來說(例如地震波監測)，振動方向的準確識別起到至關重要的作用，即實現振動矢量傳感。已報導的三分量振動傳感器通常需要三個獨立的傳感單元(例如光纖幹涉儀、光纖光柵)，分別感測三維正交振動分量信息，取得了可喜的研究進展。但此類傳感器通常採用組合式的應變傳遞結構，難以實現傳感器的微型化和嵌入式感測；此外，三個獨立傳感單元間的噪聲串擾、功率分配不均衡、相位不一致等問題為振動方向的準確識別帶來難度。
[0004]隨著光纖光柵傳感技術的發展和材料學以及加工技術的進步，國內外科研人員設計了多種性能優異的光纖布拉格光柵加速度傳感器。1996年美國的Berkoff和Kersey提出了一種FBG嵌入式加速度傳感器的設計，即將FBG嵌入安裝在橡膠材料層中，橡膠材料層介於質量塊和剛性基座之間。該傳感器主要是基於FBG的壓力效應，當質量塊感受到外界的慣性力時會引起橡膠材料層的橫向變形，最終導致FBG應變的產生而使中心波長發生漂移。然而正是由於FBG嵌入式的安裝使得此種方法設計的加速度傳感器很容易受橫向振動的幹擾，此外振動過程中容易引起光纖的雙折射效應致使反射譜的譜峰分裂從而大大降低了測量精度。1998年美國海軍研究所(Naval Research Laboratory, NRL)的Todd等人設計了一種基於雙撓性梁作為轉換器的FBG加速度傳感器，將FBG粘貼在第二個矩形梁的下表面，質量塊通過點接觸焊接在兩矩形梁中間。當質量塊感受到外界的慣性力時會使兩個矩形梁產生撓度，最終導致FBG應變的產生而使中心波長發生漂移。上述檢波器主要通過機械結構設計將外界振動信號傳遞給光纖，這類檢波感器結構複雜，體積較大，不具有方向識別性，而且解調已波長漂移解調為主，解調費用高。最近，加拿大卡爾頓大學J.Albert課題組於2008年報導了一種基於傾斜光纖光柵錯位熔接技術實現高靈敏度振動傳感的方法此方法可利用一根光纖探頭實現兩個獨立的能量輸出，分別用于振動信息提取和光源抖動等補償。此方法可實現對振動信息的快速實時解調，解調成本低，但此方法尚未實現對振動方向的準確鑑別。因此，一種具有方向識別性的高靈敏且具有潛在復用能力的光纖檢波器成為現代傳感技術發展和工業應用的迫切需要。


【發明內容】

[0005]本發明所要解決的技術問題在於克服上述光纖光柵傳感器3的缺點，提供一種方向識別性好、不受電磁幹擾、結構緊湊、產品成本低、易於組網的基於強度解調的包層光纖光柵振動傳感儀。
[0006]解決上述技術問題所採用的技術方案是:半導體雷射器通過單模光纖與光纖環形器相連，光纖環形器通過單模光纖與光纖光柵傳感器和光纖波分復用器相連，光纖波分復用器通過單模光纖與包層光柵光電探測器和纖芯光柵光電探測器相連，包層光柵光電探測器和纖芯光柵光電探測器通過同軸電纜與示波器相連。
[0007]本發明的傳感器為:與光纖環形器連接的單模光纖端部與細芯光纖相連，細芯光纖上刻寫有纖芯光柵，光纖包層上刻寫有包層光柵。
[0008]本發明的纖芯光柵的波長為1520?1620nm,纖芯光柵的波長與包層光柵的波長差為8nm。
[0009]本發明的纖芯光柵的波長最佳為1563nm,纖芯光柵的波長與包層光柵的波長差為8nm0
[0010]本發明的纖芯光柵的長度與包層光柵的長度相等，包層光柵與纖芯光柵位於同一軸向長度位置平行排列。
[0011]本發明的細芯光纖纖芯直徑最佳為4.4μηι。
[0012]本發明的半導體雷射器產生波長為1520?1620nm的雷射。
[0013]由於本發明米用在細芯光纖的纖芯上寫有纖芯光柵、光纖包層上寫有相對稱的包層光柵構成的振動傳感器，在建築物震動檢測時，半導體雷射器發出的雷射經光纖環形器傳輸至纖芯光柵和包層光柵，待測振動體振動引起包層光柵反射的包層模能量分布變化，改變耦合進入單模光纖的能量，獲得振動方向信息。實時檢測橋梁、隧道、大壩等土木工程的結構形變，通過記錄震源、研究地球內部結構和地震波傳播特性，實現臨震預報，可在地震災害預報、石油天然氣勘探、土木工程等領域應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發明實施例1的結構示意圖。
[0015]圖2是圖1中傳感器的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和各實施例對本發明進一步詳細說明，但本發明不限於這些實施例。
[0017]實施例1
[0018]在圖1中，本實施例的包層光纖光柵振動傳感儀由半導體雷射器1、光纖環形器2、光纖光柵傳感器3、不波器4、纖芯光柵光電探測器5、包層光柵光電探測器6、光纖波分復用器7連接構成。
[0019]半導體雷射器I通過單模光纖與光纖環形器2相連，半導體雷射器I產生波長為1520?1620nm的雷射通過單模光纖輸出到光纖環形器2,光纖環形器2通過單模光纖與光纖光柵傳感器3和光纖波分復用器7相連，半導體雷射器I為光纖光柵傳感器3和光纖波分復用器7提供雷射，光纖波分復用器7通過單模光纖與纖芯光柵光電探測器5和包層光柵光電探測器6相連，纖芯光柵光電探測器5和包層光柵光電探測器6通過同軸電纜與示波器4相連。示波器4顯示出被測物體的振動曲線。
[0020]在圖2中，本實施例的光纖光柵傳感器3由光纖套3-1、細芯光纖3-2、包層光柵3-3、纖芯光柵3-4構成。單模光纖的端部插入到光纖套3-1內，單模光纖的端部與細芯光纖3-2熔接，細芯光纖3-2纖芯直徑為4.4 μ m，細芯光纖3_2的纖芯上刻寫有纖芯光柵3_4，纖芯光柵3-4的波長為1563nm,光纖包層上刻寫有包層光柵3-3,包層光柵3_3的波長為1555nm,包層光柵3_3的長度與纖芯光柵3_4的長度相等,包層光柵3_3與纖芯光柵3_4位於同一軸向長度位置平行排列，細芯光纖3-2的包層光柵3-3反射的波長與纖芯光柵3-4反射的波長明顯分立，便於濾波解調。這種結構的光纖光柵傳感器3，實現單一光纖光柵的二維振動方向識別，具有靈敏度高、結構緊湊、成本低、易於組網等優點。
[0021]實施例2
[0022]在本實施例中，單模光纖的端部熔接有細芯光纖3-2，細芯光纖3-2纖芯上刻寫有纖芯光柵3-4,光纖包層上刻寫有包層光柵3-3,纖芯光柵3-4的波長為1520nm,包層光柵3-3的波長為1512nm,包層光柵3_3的長度與纖芯光柵3_4的長度相等,包層光柵3_3與纖芯光柵3-4位於同一軸向長度位置平行排列。其它零部件以及零部件的聯接關係與實施例1相同。
[0023]實施例3
[0024]在本實施例中，單模光纖的端部熔接有細芯光纖3-2，細芯光纖3-2的纖芯上刻寫有纖芯光柵3-4,光纖包層上刻寫有包層光柵3-3,光纖包層上刻寫有包層光柵3-3,纖芯光柵3-4的波長為1620nm,包層光柵3_3的波長為1612nm,包層光柵3_3的長度與纖芯光柵3-4的長度相等，包層光柵3-3與纖芯光柵3-4位於同一軸向長度位置平行排列。其它零部件以及零部件的聯接關係與實施例1相同。
[0025]本發明的工作原理如下:
[0026]測試時，將光纖光柵傳感器3粘貼在待測振動體上，半導體雷射器I發出的雷射經光纖環形器2傳輸至纖芯光柵3-4和包層光柵3-3,待測振動體振動引起光纖光柵傳感器3微形變，導致包層光柵3-3反射的包層模能量分布變化，改變耦合進入單模光纖的能量，包層光柵3-3對形變引起的包層模能量分布變化具有明顯的方向性，提取不同方向上包層模耦合能量隨外界振動激勵的動態變化信息，可獲得振動方向信息。同時纖芯光柵3-4耦合的纖芯模能量一直被限制在纖芯內部，纖芯模能量不隨環境振動發生變化，纖芯模能量會受到光源、光纖環形器2和光纖波分復用器7等對光傳輸的影響而發生波動，纖芯光柵3-4和包層光柵3-3分別反射兩個不同波長的雷射，反射的雷射經光纖環形器2傳輸至光纖波分復用器7，光纖波分復用器7將雷射分成兩束與入射雷射波長相同獨立的雷射，通過光纖波分復用器7分束的方式提取纖芯模的能量用於校準系統的不穩定對傳感信號的幹擾，包層光柵3-3反射的光傳輸至包層光柵光電探測器6，纖芯光柵3-4反射的雷射傳輸至纖芯光柵光電探測器5,纖芯光柵光電探測器5和包層光柵光電探測器6將光信號轉換為電信號，通過導線傳輸到示波器4，示波器4顯示出兩束雷射的能量變化，實現振動體高靈敏度實時檢測。
[0027]根據上述原理，還可設計出另外一種具體結構的包層光纖光柵振動傳感儀，但均在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種包層光纖光柵振動傳感儀，其特徵在於:半導體雷射器(I)通過單模光纖與光纖環形器(2)相連，光纖環形器(2)通過單模光纖與光纖光柵傳感器(3)和光纖波分復用器(7)相連，光纖波分復用器(7)通過單模光纖與包層光柵光電探測器(6)和纖芯光柵光電探測器(5)相連，包層光柵光電探測器(6)和纖芯光柵光電探測器(5)通過同軸電纜與示波器⑷相連。
2.根據權利要求1所述的包層光纖光柵振動傳感儀，其特徵在於所述的傳感器為:與光纖環形器(2)連接的單模光纖端部與細芯光纖(3-2)相連，細芯光纖(3-2)上刻寫有纖芯光柵(3-4),光纖包層上刻寫有包層光柵(3-3)。
3.根據權利要求2所述的包層光纖光柵振動傳感儀，其特徵在於:所述的纖芯光柵(3-4)的波長為1520?1620nm，纖芯光柵(3-4)的波長與包層光柵(3-3)的波長差為8nm。
4.根據權利要求2所述的包層光纖光柵振動傳感儀,其特徵在於:所述的纖芯光柵(3-4)的波長為1563nm,纖芯光柵(3_4)的波長與包層光柵(3_3)的波長差為8nm。
5.根據權利要求2或3或4所述的包層光纖光柵振動傳感儀，其特徵在於:所述的纖芯光柵(3-4)的長度與包層光柵(3-3)的長度相等,包層光柵(3-3)與纖芯光柵(3-4)位於同一軸向長度位置平行排列。
6.根據權利要求2所述的包層光纖光柵振動傳感儀，其特徵在於:所述細芯光纖(3-2)纖芯直徑為4.4 μ m。
7.根據權利要求1所述的包層光纖光柵振動傳感儀，其特徵在於:所述的半導體雷射器(I)產生波長為1520?1620nm的雷射。
【文檔編號】G01H9/00GK104390694SQ201410627882
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月10日 優先權日:2014年11月10日
【發明者】喬學光, 榮強周, 包維佳 申請人:西北大學