包層光纖光柵振動(dòng)傳感儀的制作方法
【專利摘要】一種包層光纖光柵振動(dòng)傳感儀，半導(dǎo)體激光器通過(guò)單模光纖與光纖環(huán)形器相連，光纖環(huán)形器通過(guò)單模光纖與光纖光柵傳感器和光纖波分復(fù)用器相連，光纖波分復(fù)用器通過(guò)單模光纖與包層光柵光電探測(cè)器和纖芯光柵光電探測(cè)器相連,包層光柵光電探測(cè)器和纖芯光柵光電探測(cè)器通過(guò)同軸電纜與示波器相連，在細(xì)芯光纖上寫有纖芯光柵，光纖包層上寫有包層光柵。在建筑物震動(dòng)檢測(cè)時(shí)，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)光纖環(huán)形器傳輸至纖芯光柵和包層光柵，待測(cè)振動(dòng)體振動(dòng)引起包層光柵反射的包層模能量分布變化，改變耦合進(jìn)入單模光纖的能量，獲得振動(dòng)方向信息，實(shí)時(shí)檢測(cè)橋梁、隧道、大壩等土木工程的結(jié)構(gòu)形變，研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地震波傳播特性，實(shí)現(xiàn)臨震預(yù)報(bào)。
【專利說(shuō)明】包層光纖光柵振動(dòng)傳感儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及到光纖光柵振動(dòng)傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]作為一種新型的光無(wú)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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、不受電磁干擾、抗腐蝕、傳輸損耗小、可靠性高、體積小、重量輕等特點(diǎn)，而且具有傳感信號(hào)不受光源起伏、光路損耗等因素的影響，抗干擾能力強(qiáng)、傳感探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于使用波分復(fù)用技術(shù)而形成分布式測(cè)量等特點(diǎn)。因此光纖光柵加速度傳感器也成為了一個(gè)新的研究和發(fā)展的方向。光纖檢波器已從地層幾千米深的油氣資源地質(zhì)勘探研究，拓展到地層萬(wàn)米深的天然地震波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，探索天然地震災(zāi)害、次生災(zāi)害、地質(zhì)滑坡以及橋梁、大壩、公路破損等預(yù)警預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)，具有十分重要的科學(xué)技術(shù)研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]光纖類加速度傳感器采用光纖傳感技術(shù)來(lái)測(cè)量慣性質(zhì)量塊與傳感器基座的相對(duì)位移，如光彈效應(yīng)法、光強(qiáng)波動(dòng)法、干涉法、布拉格光柵法、多普勒效應(yīng)法等。一般當(dāng)光纖的長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，光纖中傳輸?shù)墓獾南辔换蛘穹鶎l(fā)生相應(yīng)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(dòng)加速度會(huì)引起光纖長(zhǎng)度的變化，進(jìn)而引起傳輸光的相位或振幅的變化，通過(guò)光學(xué)方法檢測(cè)出傳輸光的相位或振幅的變化即能檢測(cè)出外界的振動(dòng)加速度。但對(duì)于未知振源、振源變化或多源振動(dòng)等復(fù)雜監(jiān)測(cè)對(duì)象來(lái)說(shuō)(例如地震波監(jiān)測(cè))，振動(dòng)方向的準(zhǔn)確識(shí)別起到至關(guān)重要的作用，即實(shí)現(xiàn)振動(dòng)矢量傳感。已報(bào)道的三分量振動(dòng)傳感器通常需要三個(gè)獨(dú)立的傳感單元(例如光纖干涉儀、光纖光柵)，分別感測(cè)三維正交振動(dòng)分量信息，取得了可喜的研究進(jìn)展。但此類傳感器通常采用組合式的應(yīng)變傳遞結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)傳感器的微型化和嵌入式感測(cè)；此外，三個(gè)獨(dú)立傳感單元間的噪聲串?dāng)_、功率分配不均衡、相位不一致等問(wèn)題為振動(dòng)方向的準(zhǔn)確識(shí)別帶來(lái)難度。
[0004]隨著光纖光柵傳感技術(shù)的發(fā)展和材料學(xué)以及加工技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外科研人員設(shè)計(jì)了多種性能優(yōu)異的光纖布拉格光柵加速度傳感器。1996年美國(guó)的Berkoff和Kersey提出了一種FBG嵌入式加速度傳感器的設(shè)計(jì)，即將FBG嵌入安裝在橡膠材料層中，橡膠材料層介于質(zhì)量塊和剛性基座之間。該傳感器主要是基于FBG的壓力效應(yīng)，當(dāng)質(zhì)量塊感受到外界的慣性力時(shí)會(huì)引起橡膠材料層的橫向變形，最終導(dǎo)致FBG應(yīng)變的產(chǎn)生而使中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移。然而正是由于FBG嵌入式的安裝使得此種方法設(shè)計(jì)的加速度傳感器很容易受橫向振動(dòng)的干擾，此外振動(dòng)過(guò)程中容易引起光纖的雙折射效應(yīng)致使反射譜的譜峰分裂從而大大降低了測(cè)量精度。1998年美國(guó)海軍研究所(Naval Research Laboratory, NRL)的Todd等人設(shè)計(jì)了一種基于雙撓性梁作為轉(zhuǎn)換器的FBG加速度傳感器，將FBG粘貼在第二個(gè)矩形梁的下表面，質(zhì)量塊通過(guò)點(diǎn)接觸焊接在兩矩形梁中間。當(dāng)質(zhì)量塊感受到外界的慣性力時(shí)會(huì)使兩個(gè)矩形梁產(chǎn)生撓度，最終導(dǎo)致FBG應(yīng)變的產(chǎn)生而使中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移。上述檢波器主要通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將外界振動(dòng)信號(hào)傳遞給光纖，這類檢波感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，不具有方向識(shí)別性，而且解調(diào)已波長(zhǎng)漂移解調(diào)為主，解調(diào)費(fèi)用高。最近，加拿大卡爾頓大學(xué)J.Albert課題組于2008年報(bào)道了一種基于傾斜光纖光柵錯(cuò)位熔接技術(shù)實(shí)現(xiàn)高靈敏度振動(dòng)傳感的方法此方法可利用一根光纖探頭實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的能量輸出，分別用于振動(dòng)信息提取和光源抖動(dòng)等補(bǔ)償。此方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信息的快速實(shí)時(shí)解調(diào)，解調(diào)成本低，但此方法尚未實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)方向的準(zhǔn)確鑒別。因此，一種具有方向識(shí)別性的高靈敏且具有潛在復(fù)用能力的光纖檢波器成為現(xiàn)代傳感技術(shù)發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用的迫切需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服上述光纖光柵傳感器3的缺點(diǎn)，提供一種方向識(shí)別性好、不受電磁干擾、結(jié)構(gòu)緊湊、產(chǎn)品成本低、易于組網(wǎng)的基于強(qiáng)度解調(diào)的包層光纖光柵振動(dòng)傳感儀。
[0006]解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:半導(dǎo)體激光器通過(guò)單模光纖與光纖環(huán)形器相連，光纖環(huán)形器通過(guò)單模光纖與光纖光柵傳感器和光纖波分復(fù)用器相連，光纖波分復(fù)用器通過(guò)單模光纖與包層光柵光電探測(cè)器和纖芯光柵光電探測(cè)器相連，包層光柵光電探測(cè)器和纖芯光柵光電探測(cè)器通過(guò)同軸電纜與示波器相連。
[0007]本發(fā)明的傳感器為:與光纖環(huán)形器連接的單模光纖端部與細(xì)芯光纖相連，細(xì)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(fā)明的纖芯光柵的波長(zhǎng)為1520?1620nm,纖芯光柵的波長(zhǎng)與包層光柵的波長(zhǎng)差為8nm。
[0009]本發(fā)明的纖芯光柵的波長(zhǎng)最佳為1563nm,纖芯光柵的波長(zhǎng)與包層光柵的波長(zhǎng)差為8nm0
[0010]本發(fā)明的纖芯光柵的長(zhǎng)度與包層光柵的長(zhǎng)度相等，包層光柵與纖芯光柵位于同一軸向長(zhǎng)度位置平行排列。
[0011]本發(fā)明的細(xì)芯光纖纖芯直徑最佳為4.4μηι。
[0012]本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生波長(zhǎng)為1520?1620nm的激光。
[0013]由于本發(fā)明米用在細(xì)芯光纖的纖芯上寫有纖芯光柵、光纖包層上寫有相對(duì)稱的包層光柵構(gòu)成的振動(dòng)傳感器，在建筑物震動(dòng)檢測(cè)時(shí)，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)光纖環(huán)形器傳輸至纖芯光柵和包層光柵，待測(cè)振動(dòng)體振動(dòng)引起包層光柵反射的包層模能量分布變化，改變耦合進(jìn)入單模光纖的能量，獲得振動(dòng)方向信息。實(shí)時(shí)檢測(cè)橋梁、隧道、大壩等土木工程的結(jié)構(gòu)形變，通過(guò)記錄震源、研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地震波傳播特性，實(shí)現(xiàn)臨震預(yù)報(bào)，可在地震災(zāi)害預(yù)報(bào)、石油天然氣勘探、土木工程等領(lǐng)域應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是圖1中傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
[0017]實(shí)施例1
[0018]在圖1中，本實(shí)施例的包層光纖光柵振動(dòng)傳感儀由半導(dǎo)體激光器1、光纖環(huán)形器2、光纖光柵傳感器3、不波器4、纖芯光柵光電探測(cè)器5、包層光柵光電探測(cè)器6、光纖波分復(fù)用器7連接構(gòu)成。
[0019]半導(dǎo)體激光器I通過(guò)單模光纖與光纖環(huán)形器2相連，半導(dǎo)體激光器I產(chǎn)生波長(zhǎng)為1520?1620nm的激光通過(guò)單模光纖輸出到光纖環(huán)形器2,光纖環(huán)形器2通過(guò)單模光纖與光纖光柵傳感器3和光纖波分復(fù)用器7相連，半導(dǎo)體激光器I為光纖光柵傳感器3和光纖波分復(fù)用器7提供激光，光纖波分復(fù)用器7通過(guò)單模光纖與纖芯光柵光電探測(cè)器5和包層光柵光電探測(cè)器6相連，纖芯光柵光電探測(cè)器5和包層光柵光電探測(cè)器6通過(guò)同軸電纜與示波器4相連。示波器4顯示出被測(cè)物體的振動(dòng)曲線。
[0020]在圖2中，本實(shí)施例的光纖光柵傳感器3由光纖套3-1、細(xì)芯光纖3-2、包層光柵3-3、纖芯光柵3-4構(gòu)成。單模光纖的端部插入到光纖套3-1內(nèi)，單模光纖的端部與細(xì)芯光纖3-2熔接，細(xì)芯光纖3-2纖芯直徑為4.4 μ m，細(xì)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(zhǎng)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(zhǎng)為1555nm,包層光柵3_3的長(zhǎng)度與纖芯光柵3_4的長(zhǎng)度相等,包層光柵3_3與纖芯光柵3_4位于同一軸向長(zhǎng)度位置平行排列，細(xì)芯光纖3-2的包層光柵3-3反射的波長(zhǎng)與纖芯光柵3-4反射的波長(zhǎng)明顯分立，便于濾波解調(diào)。這種結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器3，實(shí)現(xiàn)單一光纖光柵的二維振動(dòng)方向識(shí)別，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、易于組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0021]實(shí)施例2
[0022]在本實(shí)施例中，單模光纖的端部熔接有細(xì)芯光纖3-2，細(xì)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(zhǎng)為1520nm,包層光柵3-3的波長(zhǎng)為1512nm,包層光柵3_3的長(zhǎng)度與纖芯光柵3_4的長(zhǎng)度相等,包層光柵3_3與纖芯光柵3-4位于同一軸向長(zhǎng)度位置平行排列。其它零部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與實(shí)施例1相同。
[0023]實(shí)施例3
[0024]在本實(shí)施例中，單模光纖的端部熔接有細(xì)芯光纖3-2，細(xì)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(zhǎng)為1620nm,包層光柵3_3的波長(zhǎng)為1612nm,包層光柵3_3的長(zhǎng)度與纖芯光柵3-4的長(zhǎng)度相等，包層光柵3-3與纖芯光柵3-4位于同一軸向長(zhǎng)度位置平行排列。其它零部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與實(shí)施例1相同。
[0025]本發(fā)明的工作原理如下:
[0026]測(cè)試時(shí)，將光纖光柵傳感器3粘貼在待測(cè)振動(dòng)體上，半導(dǎo)體激光器I發(fā)出的激光經(jīng)光纖環(huán)形器2傳輸至纖芯光柵3-4和包層光柵3-3,待測(cè)振動(dòng)體振動(dòng)引起光纖光柵傳感器3微形變，導(dǎo)致包層光柵3-3反射的包層模能量分布變化，改變耦合進(jìn)入單模光纖的能量，包層光柵3-3對(duì)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(dòng)激勵(lì)的動(dòng)態(tài)變化信息，可獲得振動(dòng)方向信息。同時(shí)纖芯光柵3-4耦合的纖芯模能量一直被限制在纖芯內(nèi)部，纖芯模能量不隨環(huán)境振動(dòng)發(fā)生變化，纖芯模能量會(huì)受到光源、光纖環(huán)形器2和光纖波分復(fù)用器7等對(duì)光傳輸?shù)挠绊懚l(fā)生波動(dòng)，纖芯光柵3-4和包層光柵3-3分別反射兩個(gè)不同波長(zhǎng)的激光，反射的激光經(jīng)光纖環(huán)形器2傳輸至光纖波分復(fù)用器7，光纖波分復(fù)用器7將激光分成兩束與入射激光波長(zhǎng)相同獨(dú)立的激光，通過(guò)光纖波分復(fù)用器7分束的方式提取纖芯模的能量用于校準(zhǔn)系統(tǒng)的不穩(wěn)定對(duì)傳感信號(hào)的干擾，包層光柵3-3反射的光傳輸至包層光柵光電探測(cè)器6，纖芯光柵3-4反射的激光傳輸至纖芯光柵光電探測(cè)器5,纖芯光柵光電探測(cè)器5和包層光柵光電探測(cè)器6將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)導(dǎo)線傳輸?shù)绞静ㄆ?，示波器4顯示出兩束激光的能量變化，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)體高靈敏度實(shí)時(shí)檢測(cè)。
[0027]根據(jù)上述原理，還可設(shè)計(jì)出另外一種具體結(jié)構(gòu)的包層光纖光柵振動(dòng)傳感儀，但均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種包層光纖光柵振動(dòng)傳感儀，其特征在于:半導(dǎo)體激光器(I)通過(guò)單模光纖與光纖環(huán)形器(2)相連，光纖環(huán)形器(2)通過(guò)單模光纖與光纖光柵傳感器(3)和光纖波分復(fù)用器(7)相連，光纖波分復(fù)用器(7)通過(guò)單模光纖與包層光柵光電探測(cè)器(6)和纖芯光柵光電探測(cè)器(5)相連，包層光柵光電探測(cè)器(6)和纖芯光柵光電探測(cè)器(5)通過(guò)同軸電纜與示波器⑷相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的包層光纖光柵振動(dòng)傳感儀，其特征在于所述的傳感器為:與光纖環(huán)形器(2)連接的單模光纖端部與細(xì)芯光纖(3-2)相連，細(xì)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(jù)權(quán)利要求2所述的包層光纖光柵振動(dòng)傳感儀，其特征在于:所述的纖芯光柵(3-4)的波長(zhǎng)為1520?1620nm，纖芯光柵(3-4)的波長(zhǎng)與包層光柵(3-3)的波長(zhǎng)差為8nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的包層光纖光柵振動(dòng)傳感儀,其特征在于:所述的纖芯光柵(3-4)的波長(zhǎng)為1563nm,纖芯光柵(3_4)的波長(zhǎng)與包層光柵(3_3)的波長(zhǎng)差為8nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的包層光纖光柵振動(dòng)傳感儀，其特征在于:所述的纖芯光柵(3-4)的長(zhǎng)度與包層光柵(3-3)的長(zhǎng)度相等,包層光柵(3-3)與纖芯光柵(3-4)位于同一軸向長(zhǎng)度位置平行排列。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的包層光纖光柵振動(dòng)傳感儀，其特征在于:所述細(xì)芯光纖(3-2)纖芯直徑為4.4 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的包層光纖光柵振動(dòng)傳感儀，其特征在于:所述的半導(dǎo)體激光器(I)產(chǎn)生波長(zhǎng)為1520?1620nm的激光。
【文檔編號(hào)】G01H9/00GK104390694SQ201410627882
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月10日
【發(fā)明者】喬學(xué)光, 榮強(qiáng)周, 包維佳 申請(qǐng)人:西北大學(xué)