全光纖振動測量裝置的製作方法

2023-05-18 22:24:46 2

專利名稱：全光纖振動測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種全光纖振動測量裝置。
背景技術：
振動測量領域覆蓋了機械、電子、建築、地質等廣泛領域，在研究材料的特性方面也有應用背景。全光纖振動測量裝置具有安裝方便、抗電磁幹擾和強輻射、測試頻率寬、測量精度高等優點，不僅可以克服傳統振動測試儀對頻率響應不寬的缺點，還有測量裝置便於野外作業的優點。

發明內容
本實用新型的目的是設計一種結構簡單、測量振動物理量方便、測試精度高的全光纖振動測量裝置。
本實用新型利用光纖耦合器、單模光纖、單模光纖準直器等光纖無源器件，以及穩定光源和光電探測器等有源器件，構成全光纖幹涉裝置。在圖2所示的全光纖幹涉裝置中，雷射器發出的光經耦合器I進入耦合器II，再進入耦合器III，經過光纖準直器後，被測試對象反射，反射光依次經過耦合器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)端輸出幹涉信號，該幹涉信號經過檢測器I(14)、II(15)光電轉換後，得到系統的幹涉信號曲線。
在圖2中，光纖耦合器II為核心器件，穩定光源發出的雷射經過耦合器I分光後由1端進入耦合器II，經過耦合器III後，被振動測試對象反射，重新被耦合器III分光，在3、4端反注入耦合器II，從而在1、2端形成幹涉信號，被探測器I、II所檢測。
本實用新型反射光在重新注入耦合器II 3、4端前，輸入光被耦合器II、III分光和鏡面所反射後，形成了四條經過不同傳輸路徑的光束。
(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，由於光纖延遲線的長度遠遠大於雷射器的相干長度L0，所以，它們間能夠形成穩定幹涉的光束(3)和(4)。
當振動面靜止時，(3)和(4)端光束經歷的光程完全相等，光程差ΔL＝0。
當振動面振動時，由於光纖延遲線的存在，使得(3)和(4)端光束經歷的光程不完全相等，光程差ΔL＝2[S(t)-S(t-τ)]＝2V(t-τ/2)τ(1)其中S(t)為振動的位移曲線，V(t-τ/2)為振動引起的速度，其方向和大小表現振動的物理量，τ為光纖延遲線的時間延遲，與光纖延遲線長度L的關係為=neffLC---(2)]]>上式中，C為真空中的光速，neff為光纖的等效折射率。
只要滿足不等式ΔL≤L0(3)就能形成穩定的幹涉條紋。
光程差ΔL與兩幹涉光束的相位差(t)的關係為(t)＝2πΔL/λ (4)利用上式，可得到探測端(14)、(15)端振動信號形成的幹涉曲線電壓大小I(t)，其大小可寫分別表示為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為輸出電壓的最大幅度，A0為非幹涉光形成的直流電壓大小，與反射面的光反射率和光纖耦合器的分光比有關，通過反演上式，最終得到振動信號的位移、速度曲線，從而測量出振動信號的大小。
本實用新型的另一種結構如圖3所示。在圖3所示的多模全光纖幹涉裝置中，將雷射器發出的光經耦合器I進入耦合器II，經過光纖準直器後，被振動的測試對象反射，反射光依次經過耦合器II和耦合器I，在耦合器I的(1)端和耦合器I的(2)端輸出幹涉信號，該幹涉信號經過檢測器I(14)、II(15)光電轉換後，得到系統的幹涉信號曲線。
本實用新型的傳輸光纖為單模光纖。
本實用新型所採用的光纖耦合器為兩端輸入、兩端輸出的2×2型光纖耦合器或三端輸入、三端輸出的3×3光纖耦合器。
本實用新型的測試對象是任何可產生振動的機械、馬達、橋梁、爆炸衝擊波和聲音等。
本實用新型的工作光源為超輻射發光二極體(SLD)，工作波長為1.31微米或1.55微米。
本實用新型裝置可應用于振動對象的測量，結構簡捷，測量精度高，數據處理方便，克服了現有該類測量中光譜要求高、裝置複雜等諸多不足。


圖1是本實用新型的結構框圖。
圖2是多模全光纖幹涉振動測量裝置圖。其中1-4分別是多模光纖耦合器II的輸入、輸出埠，5、6是多模光纖耦合器III的輸入埠，7是雷射器，8是光纖耦合器I，9是耦合器II，10是光纖延遲線，11是耦合器III，12是光纖準直器，13是測試對象，14是光電探測器I，15是光電探測器II，16是數據處理，17是全光纖幹涉部份，18是光纖耦合器的休閒輸出端。
圖3是全光纖幹涉振動測量裝置圖。
圖4是以振動臺在振動頻率為80Hz時的振動幹涉曲線圖。
具體實施方式
實施例在本實施例中，所用光源是四十四所生產的超輻射發光二極體穩定光源(7)，用跳線(FC/PC)連接進入武漢郵電研究院生產的多模光纖耦合器(8)，然後再進入多模光纖耦合器(9)。光纖耦合器(9)與(10)之間、(10)與(11)之間也採用跳線連接。多模光纖延遲線(10)為武漢郵電研究院生產的多模光纖。多模光纖準直器(12)的工作波長為1.31μm，與耦合器(11)之間的連接也為跳線連接。光電探測器為電子部44所生產的型號為GT322C500的InGaAs光電探測器。探測器(14)(15)與光纖耦合器(9)(11)採用跳線連接。振動測試對象(13)為工作電壓為1.956，伏頻率為80.1Hz的振動臺，該振動臺為北戴河科新測振儀器有限責任公司生產。探測器(14)、(15)與計算機連接構成數據處理部分(16)，光路與耦合器構成裝置的光幹涉部分(17)。
利用上面所列的器件，構造了圖2所示的多模全光纖速度測量裝置。測得的振動速度引起的幹涉信號如圖4所示。
權利要求1.一種全光纖振動測量裝置，由雷射器、全光纖幹涉裝置、被測樣品、數據處理幾部分組成，其特徵是雷射器(7)發出的光經耦合器I(8)由(1)進入耦合器II(9)，再進入耦合器III(11)，經過光纖準直器(12)後，被振動的測試樣品(13)反射，反射光依次經過耦合器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)端輸出幹涉信號，該幹涉信號經過檢測器I(14)、II(15)光電轉換後，得到幹涉信號曲線。
2.根據權利要求1所述的全光纖振動測量裝置，其特徵是雷射器(7)發出的光經耦合器I(8)進入耦合器II(9)，經過光纖準直器(12)，被振動的測試樣品(13)反射，反射光依次經過耦合器II(9)、耦合器I(8)，輸出的幹涉信號經檢測器後即得到幹涉信號曲線。
3.根據權利要求1所述的振動測量裝置，傳輸光纖為單模光纖。
4.根據權利要求1所述的速度測量裝置，其特徵是光纖耦合器是2×2單模光纖耦合器或3×3單模光纖耦合器。
5.根據權利要求1所述的振動測量裝置，其特徵是測試對象為能夠引起振動的物體。
6.根據權利要求1所述的振動測量裝置，其特徵是所用的雷射器工作波長是1.31μm或1.55μm的超輻射發光二級管。
專利摘要本實用新型是一種振動測量裝置。現有的振動測量裝置複雜，操作不便。本實用新型是一種白光幹涉式全光纖幹涉裝置，主要由雷射器、全光纖幹涉裝置和數據處理系統組成。其中全光纖幹涉裝置可以由三隻2×2多模光纖耦合器組成，也可以由一隻2×2光纖耦合器和一隻3×3多模光纖耦合器組成，雷射經過耦合器分光、差頻幹涉後，可直接測量振動對象，產生穩定的幹涉條紋，經探測器光電轉換後，分析幹涉曲線，反演出振動速度和位移。全光纖速度幹涉儀對振動面的測量，具有系統結構緊湊、調試方便、抗電磁幹擾和強輻射等優點，不僅能夠實現對高頻振動的測量，還能實現對低頻振動的測量；也能實現對微小振動信號的測量，對振動位移的測量能夠精確到0.1nm左右。
文檔編號G01H9/00GK2625862SQ03229729
公開日2004年7月14日 申請日期2003年3月24日 優先權日2003年3月24日
發明者賈波 申請人:復旦大學