專利名稱：基于單模-多模-單模光纖模間干涉振動、應(yīng)力傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于單模-多模-單模光纖模間干涉振動、應(yīng)力傳感裝置。
背景技術(shù)：
目前在市場上廣泛使用的振動傳感器主要是基于電測法，有壓電效應(yīng)型、壓阻效應(yīng)型、電磁感應(yīng)型等?；陔姕y法的振動傳感器，具有體積小、重量輕、頻率范圍寬、動態(tài)量程大的優(yōu)點，但同時具有靈敏度低、長期穩(wěn)定性能差、抗干擾能力差、傳感器的頻率范圍狹窄、不能實現(xiàn)智能化等缺點。市場上廣泛使用的應(yīng)力傳感器為傳統(tǒng)電阻應(yīng)變片應(yīng)力傳感器，其具有精度較高，價格適中的優(yōu)點，但存在著零漂現(xiàn)象嚴(yán)重、易受電磁干擾，耐久性、耐潮濕、耐污染性能差，使用壽命短，不穩(wěn)定，動態(tài)性能差等諸多缺點。與普通機械和電子類傳感器相比較，光纖傳感具有集成度高、體積小、重量輕、抗干擾能力強、成本低廉、靈敏度和精度高、頻帶寬、絕緣性好、可實現(xiàn)分布測量等優(yōu)點，因此光纖傳感已經(jīng)成為一個熱門的研究領(lǐng)域。使用光纖傳感可以很好的解決在振動、應(yīng)力測量中遇到的問題。目前基于光纖傳感的振動、應(yīng)力傳感器有邁克爾遜(Michelson)干涉型光纖傳感器、馬赫_曾德(Mach-Zehnder)干涉型光纖傳感器、法布里-拍羅(Fabry-Perot)干涉型光纖傳感器、布拉格光柵型(FBG)光纖傳感器。這些傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對光纖和探測器的要求較高，不利于成本的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的振動、應(yīng)力傳感裝置。為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明實施例公開了一種基于單模-多模-單模光纖模間干涉振動、應(yīng)力傳感裝置，包括激光器、SMS光纖、PIN管、數(shù)據(jù)采集卡以及信號處理器，所述SMS光纖由第一單模光纖、多模光纖和第二單模光纖級聯(lián)而成，所述激光器輸出連接SMS光纖的一端的第一單模光纖，第二單模光纖與PIN管輸入連接，PIN管輸出與數(shù)據(jù)采集卡輸入連接，數(shù)據(jù)采集卡輸出連接信號處理器，所述信號處理器利用SMS光纖輸出光功率攜帶模間相對相位變化信息，獲得振動、應(yīng)力測量值。進(jìn)一步，作為優(yōu)選，所述SMS光纖由G. 652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和50/125階躍型多模光纖構(gòu)成。進(jìn)一步，作為優(yōu)選，所述信號處理器利用對光信號做快速傅里葉變換得到信號頻譜信息，最終得到振動的頻率信息。進(jìn)一步，作為優(yōu)選，所述信號處理器利用對光信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到光信號的幅值變化信息，最終得到應(yīng)力的變化信息。本發(fā)明的有益效果使用光纖傳感，使振動、應(yīng)力傳感器具備了一般光纖傳感的特點，如抗干擾能力強、成本低廉、絕緣性好等，具有了很高的可靠性及穩(wěn)定性；僅使用SMS光纖中的多模光纖作為傳感部分，使傳感器具有了結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安裝方便，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測的特點；由于使用了 SMS光纖結(jié)構(gòu)，而多模光纖具有可傳導(dǎo)多種模式光的屬性，在多模光纖中多種模式的光發(fā)生干涉，從而大大提高了檢測精度；由于該傳感器基于光功率測量，系統(tǒng)探測器采用普通PIN管，大大降低了成本；將激光器和信號采集部分在系統(tǒng)集成箱中，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊，體積小；該系統(tǒng)的信號處理部分使用LabVIEW軟件，大大降低了系統(tǒng)的成本。


當(dāng)結(jié)合附圖考慮時，通過參照下面的詳細(xì)描述，能夠更完整更好地理解本發(fā)明以及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點，但此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定，其中圖1為SMS光纖結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為該光纖振動、應(yīng)力傳感裝置示意圖。圖3為該振動、應(yīng)力傳感裝置測量激振器振動的系統(tǒng)示意圖。圖4為使用圖3所示系統(tǒng)外部施加的激勵頻率與實測頻率的關(guān)系曲線圖。圖5為該振動、應(yīng)力傳感裝置測量音響振動的系統(tǒng)示意圖。圖6為使用圖5所示系統(tǒng)音響播放音頻頻率與實測頻率的關(guān)系曲線圖。圖7為該振動、應(yīng)力及溫度傳感裝置測量懸臂梁振動的系統(tǒng)示意圖。圖8為使用圖7所示系統(tǒng)，懸臂梁長度為36cm，砝碼重量為50g時測得的光功率信號的電壓值隨時間的變化曲線。圖9為圖8所對應(yīng)的光功率信號的電壓值經(jīng)快速傅里葉變換(FFT)后得到的頻譜圖。圖10為使用圖7所示系統(tǒng)，砝碼質(zhì)量為50g時，測得懸臂梁固有頻率與懸臂梁臂長的關(guān)系曲線。圖11為使用圖7所不系統(tǒng),懸臂梁長度為36cm時,測得的施加重量與光功率信號的電壓幅度的關(guān)系曲線。圖12為該振動、應(yīng)力傳感裝置測量應(yīng)力系統(tǒng)示意圖。圖13為使用圖12所示系統(tǒng)測得的施加應(yīng)力時光功率信號的電壓值隨時間的變化曲線。
具體實施例方式參照圖1-13對本發(fā)明的實施例進(jìn)行說明。為使上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實現(xiàn)的，該光纖振動、應(yīng)力傳感器包括，1550nmDFB激光器光源，輸出功率約為lOmw，激光器尾纖連接一段SMS光纖，SMS光纖結(jié)構(gòu)由G. 652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和50/125階躍型多模光纖構(gòu)成,光纖置于測試環(huán)境中，數(shù)字信號處理部分由PIN管、數(shù)據(jù)采集卡和信號處理器(LabVIEW軟件)組成，激光器和信號采集部分在系統(tǒng)集成箱中。本發(fā)明實現(xiàn)振動、應(yīng)力測量的原理如下SMS光纖結(jié)構(gòu)由兩段單模光纖和熔接在它們中間的一段多模光纖構(gòu)成。激光器輸出光經(jīng)單模光纖耦合進(jìn)入多模光纖，激勵多模光纖中大量模式傳輸，這些模式相互干涉，在光纖橫截面上形成不同的干涉圖樣，即散斑，輸出端的單模光纖耦合某局部區(qū)域的光強輸出。散斑的空間分布形式由激勵條件(單模光纖到多模光纖的耦合)和眾多模式之間的相位差決定，因此，在耦合條件不變的情況下，檢測光功率的變化即可獲得模式之間的相位差的變化，進(jìn)而解調(diào)得到引起相位差變化的外部因素，如振動、應(yīng)力，從而實現(xiàn)振動、應(yīng)力的檢測。如圖2所示，一種基于單模-多模-單模光纖模間干涉振動、應(yīng)力測量裝置，包括激光器202、SMS光纖、PIN管206、數(shù)據(jù)采集卡207以及信號處理器208，所述SMS光纖由第一單模光纖103、多模光纖104和第二單模光纖級105聯(lián)而成,所述激光器202輸出連接SMS光纖的一端的第一單模光纖103，第二單模光纖105與PIN管206輸入連接，PIN管206輸出與數(shù)據(jù)采集卡207輸入連接，數(shù)據(jù)采集卡207輸出連接信號處理器208，所述信號處理器208利用SMS光纖輸出光功率攜帶模間相對相位變化信息，獲得振動、應(yīng)力測量值。如附圖1所示，激光器輸出光101經(jīng)第一單模光纖纖芯106耦合進(jìn)入多模光纖纖芯107,激勵多模光纖中大量模式傳輸,這些模式相互干涉,在光纖橫截面109上形成不同的干涉圖樣110，即散斑，輸出端的第二單模光纖105耦合光纖橫截面109某局部區(qū)域的光強輸出。由以上分析知，輸出光強102與多模光纖所處的環(huán)境振動、應(yīng)力有關(guān)。SMS光纖的制得步驟首先使用光纖剝線鉗剝除單模光纖和多模光纖的包層及涂覆層，得到一段長度的纖芯，使用光纖熔接機將單模與多模光纖纖芯進(jìn)行無偏心熔接，其中將多模光纖纖芯一端與入射第一單模光纖連接，另一端與出射第二單模光纖連接，入射第一單模光纖與光源連接，出射第二單模光纖與PIN管連接。圖3為該振動、應(yīng)力傳感裝置測量激振器振動的系統(tǒng)示意圖?；竟ぷ鬟^程是激光輸出光經(jīng)第一單模光纖103耦合到多模光纖104，再耦合進(jìn)第二單模光纖105 ;通過施加外部激勵，使得激振器306以一定的頻率振動，從而使粘貼于激振器上的多模光纖104受激振器振動的影響，導(dǎo)致輸入光功率發(fā)生變化。PIN管將第二單模光纖105的輸出光信號轉(zhuǎn)換為電信號，數(shù)據(jù)采集卡將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，傳輸?shù)叫盘柼幚砥?08 (計算機)，由LabVIEW軟件對數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字濾波處理及快速傅里葉變換(FFT)，最終得到激振器的振動頻率。圖4為使用圖3所示系統(tǒng)外部施加的激勵頻率與實測頻率的關(guān)系曲線圖。實驗結(jié)果表明，該傳感器在30Hz到200Hz區(qū)間內(nèi)，對頻率的響應(yīng)準(zhǔn)確，誤差在±0. 4Hz之內(nèi)。圖5為該振動、應(yīng)力傳感裝置測量音響振動的系統(tǒng)示意圖?；竟ぷ鬟^程是激光輸出光經(jīng)第一單模光纖103耦合到多模光纖104，再耦合進(jìn)第二單模光纖105 ;將音響連接至計算機，由計算機播放一定頻率音頻，使得音響506以一定的頻率振動,從而使粘貼于音響振動膜上的多模光纖104受音響振動膜振動的影響，導(dǎo)致輸入光功率發(fā)生變化。PIN管將第二單模光纖105的輸出光信號轉(zhuǎn)換為電信號，數(shù)據(jù)采集卡將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，傳輸?shù)叫盘柼幚砥?08 (計算機)，由LabVIEW軟件對數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字濾波處理及快速傅里葉變換(FFT)，最終得到音響的振動頻率。圖6為使用圖5所不系統(tǒng)首響播放首頻頻率與實測頻率的關(guān)系曲線圖。實驗結(jié)果表明，該傳感器在30Hz到1000Hz區(qū)間內(nèi)，對頻率的響應(yīng)很準(zhǔn)確，誤差在±0. 7Hz之內(nèi)。圖7為該振動、應(yīng)力及溫度傳感裝置測量懸臂梁振動的系統(tǒng)示意圖?；竟ぷ鬟^程是激光輸出光經(jīng)第一單模光纖103耦合到多模光纖104，再耦合進(jìn)第二單模光纖105 ；將懸臂梁706固定于工作平臺707上，通過在懸臂梁邊緣懸掛砝碼，將連接砝碼的線剪斷的方式，使得懸臂梁以一定的振幅開始振動，從而使粘貼于懸臂梁上的多模光纖104受懸臂梁振動的影響，導(dǎo)致輸入光功率發(fā)生變化。PIN管將第二單模光纖105的輸出光信號轉(zhuǎn)換為電信號，數(shù)據(jù)采集卡將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，傳輸?shù)叫盘柼幚砥?08 (計算機)，由LabVIEW軟件對數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字濾波處理及快速傅里葉變換(FFT)，最終得到懸臂梁的振動頻率。圖8為使用圖7所示系統(tǒng)，懸臂梁706的長度為36cm，砝碼重量為50g時光功率信號的電壓值隨時間的變化曲線。圖9為圖8所對應(yīng)的光功率信號的電壓值經(jīng)快速傅里葉變換(FFT)后得到的頻譜圖。此處測得當(dāng)懸臂梁的長度為36cm時，其固有頻率為5. SHz0圖10為使用圖7所示系統(tǒng)測得懸臂梁固有頻率與懸臂梁臂長的關(guān)系曲線。由實驗測得的數(shù)據(jù)可得此曲線的擬合方程為+ ，滿足懸臂梁固有頻率與懸臂梁臂長
的理論關(guān)系式W = .。圖11為使用圖7所示系統(tǒng)測得施加重量與光功率信號的電壓幅度的關(guān)系曲線。實驗結(jié)果表明，光功率信號的電壓幅度與所懸掛砝碼的質(zhì)量成線性關(guān)系。圖12為該振動、應(yīng)力傳感裝置測量應(yīng)力系統(tǒng)示意圖?；竟ぷ鬟^程是激光輸出光經(jīng)第一單模光纖103耦合到多模光纖104，再耦合進(jìn)第二單模光纖105 ;將多模光纖104固定于工作平臺707上，通過應(yīng)力施加裝置1206對多模光纖104施加應(yīng)力，從而導(dǎo)致第二單模光纖105的輸入光功率發(fā)生變化。PIN管將第二單模光纖105的輸出光信號轉(zhuǎn)換為電信號，數(shù)據(jù)采集卡將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，傳輸?shù)叫盘柼幚砥?08 (計算機)，由LabVIEff軟件對光功率信號的電壓幅度變化進(jìn)行分析，最終的得到應(yīng)力施加信息。圖13為使用圖12所示系統(tǒng)測得的施加應(yīng)力時光功率信號電壓值隨時間的變化曲線。此實驗結(jié)果為，在1. 5s到2. 7s時間內(nèi)，應(yīng)力施加裝置對多模光纖104施加了應(yīng)力。雖然以上描述了本發(fā)明的具體實施方式
，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些具體實施方式
僅是舉例說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和實質(zhì)的情況下，可以對上述方法和系統(tǒng)的細(xì)節(jié)進(jìn)行各種省略、替換和改變。例如，合并上述方法步驟，從而按照實質(zhì)相同的方法執(zhí)行實質(zhì)相同的功能以實現(xiàn)實質(zhì)相同的結(jié)果則屬于本發(fā)明的范圍。因此，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種基于單模-多模-單模光纖模間干涉振動、應(yīng)力傳感裝置，其特征在于，包括激光器、SMS光纖、PIN管、數(shù)據(jù)米集卡以及信號處理器,所述SMS光纖由第一單模光纖、多模光纖和第二單模光纖級聯(lián)而成，所述激光器輸出連接SMS光纖的一端的第一單模光纖，第二單模光纖與PIN管輸入連接，PIN管輸出與數(shù)據(jù)采集卡輸入連接，數(shù)據(jù)采集卡輸出連接信號處理器，所述信號處理器利用SMS光纖輸出光功率攜帶模間相對相位變化信息，獲得振動、應(yīng)力測量值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于單模-多模-單模光纖模間干涉振動、應(yīng)力傳感裝置，其特征在于，所述SMS光纖由G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和50/125階躍型多模光纖構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于單模-多模-單模光纖模間干涉振動、應(yīng)力傳感，其特征在于，所述信號處理器利用對光信號做快速傅里葉變換得到信號頻譜信息，最終得到振動的頻率信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于單模-多模-單模光纖模間干涉振動、應(yīng)力傳感，其特征在于，所述信號處理器利用對光信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到光信號的幅值變化信息，最終得到應(yīng)力的變 化信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于單模-多模-單模光纖模間干涉振動、應(yīng)力傳感裝置，包括激光器、SMS光纖、PIN管、數(shù)據(jù)采集卡以及信號處理器，所述SMS光纖由第一單模光纖、多模光纖和第二單模光纖級聯(lián)而成，所述激光器輸出連接SMS光纖的一端的第一單模光纖，第二單模光纖與PIN管輸入連接，PIN管輸出與數(shù)據(jù)采集卡輸入連接，數(shù)據(jù)采集卡輸出連接信號處理器，所述信號處理器利用SMS光纖輸出光功率攜帶模間相對相位變化信息，獲得振動、應(yīng)力測量值。
文檔編號G01L1/24GK103076082SQ20131000200
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者李強, 王智, 黃澤鋏, 徐雅芹, 張凌云, 史驥 申請人:北京交通大學(xué)