CN114777900B - 一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器 - Google Patents
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Abstract
一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器，包括第一单偏振光纤，第一单偏振光纤输出端通过第一熔接点和第一高双折射光子晶体光纤输入端连接，第一高双折射光子晶体光纤输出端通过第二熔接点和第二高双折射光子晶体光纤输入端连接，第二高双折射光子晶体光纤输出端通过第三熔接点和第二单偏振光纤输入端连接，第二高双折射光子晶体光纤中部制备具有微型悬重的光纤在线微型悬臂梁，光纤在线微型悬臂梁外部设有刚性毛细管；单偏振光纤的光轴和高双折射光子晶体光纤的光轴为45°，两高双折射光子晶体光纤的光轴正交；本发明对频率在5Hz～5kHz频带范围内的振动信号具有平坦的频响特性，具有结构简单、制作成本低廉、易于产业化的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤振动传感器技术领域，尤其涉及一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器。
背景技术
振动传感器是一种捕获环境振动信息检测装置，广泛用于生产生活、设备状态监测、智能制造等各个领域。现有的电学振动传感器，抗电磁干扰能力差、测量频带窄、灵敏度低、需要供电、无法满足恶劣电磁环境变电站、富有瓦斯气体煤矿井下、石油开采油井等恶劣环境中对振动的测量需求。光纤振动传感器与传统电学传感器相比，具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、本质无源等优势，可以在强电磁干扰环境下、煤矿油井等防爆要求较高的场合中应用，且光纤可以直接将信号与通信系统连接，便于将测得的振动信息实时远程传输。
然而，现有的光纤振动传感器需要附加额外的机械悬臂梁结构，其机理为利用机械悬臂梁在被测振动的作用下产生弯曲，通过光学方法测得悬臂梁的弯曲，进而反演出振动信息。由于受到悬臂梁自身共振频率和机械稳定性的影响，使得该类传感器测量频带有限、存在温度交叉敏感问题；此外，现有光纤振动传感器通常都需要较为复杂的相位、波长、光强等解调装置来完成对传感信号的提取，导致整个振动测量系统较为复杂、成本高。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器，对频率在5Hz～5kHz频带范围内的振动信号具有平坦的频响特性，具有结构简单、制作成本低廉、易于产业化的优点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器，包括第一单偏振光纤1，第一单偏振光纤1输出端通过第一熔接点2和第一高双折射光子晶体光纤3输入端连接，第一高双折射光子晶体光纤3输出端通过第二熔接点4和第二高双折射光子晶体光纤5输入端连接，第二高双折射光子晶体光纤5输出端通过第三熔接点6和第二单偏振光纤7输入端连接，第二高双折射光子晶体光纤5中部制备具有微型悬重8的光纤在线微型悬臂梁10，光纤在线微型悬臂梁10外部设有刚性毛细管9；单偏振光纤的光轴和高双折射光子晶体光纤的光轴为45°，两高双折射光子晶体光纤的光轴正交。
第一熔接点2实现第一单偏振光纤1与第一高双折射光子晶体光纤3之间光轴夹角为45°的熔接，第一单偏振光纤1中沿着光轴方向振动的线偏振光将被均匀地平分到第一高双折射光子晶体光纤3的快轴和慢轴上；
第二熔接点4实现第一高双折射光子晶体光纤3与第二高双折射光子晶体光纤5之间光轴夹角为90°的熔接，沿着第一高双折射光子晶体光纤3慢轴方向振动的线偏振光将转化为沿着第二高双折射光子晶体光纤5快轴方向振动的线偏振光，沿着第一高双折射光子晶体光纤3快轴方向振动的线偏振光将转化为沿着第二高双折射光子晶体光纤5慢轴方向振动的线偏振光；
第三熔接点6实现第二高双折射光子晶体光纤5与第二单偏振光纤7之间光轴夹角为45°的熔接，第二高双折射光子晶体光纤5中沿着快慢光轴方向振动的线偏振光将投影到第二单偏振光纤7光轴振动方向上，并产生干涉，第二单偏振光纤7输出光强取决于干涉强度，即第二高双折射光子晶体光纤5输入第二单偏振光纤7的偏振态；
通过测量第二单偏振光纤7的输出光强感知第二高双折射光子晶体光纤5输出光的偏振信息，进而获得被测环境的振动信号。
所述的光线在线微型悬臂梁10是在第二高双折射光子晶体光纤5上通过化学腐蚀方法制备得到具有微型悬重8的微型悬臂梁，被测振动信号将带动微型悬臂梁振动，进而导致光的偏振态随着被测振动信号的变化而变化，最终使得传感器输出光强随着被测振动变化而变化。
所述第一单偏振光纤1和第二单偏振光纤7对于任意偏振态输入的光，其输出光都将是沿着单偏振光纤光轴方向振动的线偏振光。
所述第一高双折射光子晶体光纤3和第二高双折射光子晶体光纤5的光纤具有很高的双折射系数，双折射系数高于1.0×104，当其长度变化时，光纤输出端的偏振态发生剧烈变化。
所述微型悬重8为通过化学腐蚀方法在第二高双折射光子晶体光纤5本体上制备出的悬重物。
所述刚性毛细管9稳定支撑光纤在线微型悬臂梁10，在被测振动作用下不产生破裂和形变。
所述的第二高双折射光子晶体光纤5中光纤在线微型悬臂梁10的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，准备外部有涂覆层11的第二高双折射光子晶体光纤5；
步骤二，将第二高双折射光子晶体光纤5的部分涂覆层11剥离，使得光纤包层12暴露在空气中；
步骤三，将剥离后的第二高双折射光子晶体光纤5置于盛有质量浓度为5％的氢氟酸溶液13的器皿中；
步骤四，在氢氟酸溶液13的腐蚀作用下，光纤包层12被逐渐腐蚀而越来越细，进而形成具有更细直径的第一包层14和第二包层16，光纤其他区域由于受涂覆层11的保护将不会被腐蚀；
步骤五，当具有更细直径的第一包层14以及第二包层16直径到达80微米左右时，停止腐蚀，第一包层14和第二包层16中间形成微型悬重8；
步骤六，将腐蚀之后的第二高双折射光子晶体光纤5固定于刚性毛细管9中，两端用环氧光学胶15固定。
所述的一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器的测试系统，包括振动台18，振动台18上固定具有温度自补偿功能的光纤振动传感器的刚性毛细管9，具有温度自补偿功能的光纤振动传感器的第一单偏振光纤1输入端和窄带激光器17输出端连接，具有温度自补偿功能的光纤振动传感器的第二单偏振光纤7输出端和光电探测器19输入端连接，光电探测器19输出端通过第一同轴电缆20和电流/电压转换放大器21输入端连接，电流/电压转换放大器21输出端通过第二同轴电缆22和数据采集器23输入端连接。
本发明的有益效果为：
由于本发明传感器不含有空间光路耦合环节和外界机械悬臂梁结构，不受外加悬臂梁共振效应的影响，在5Hz～5kHz频段内具有平坦的频响特性；此外，由于采用了两段高双折射光子晶体光纤正交级联结构，可有效抑制环境温度对传感器的影响，克服了传统振动传感器受温度交叉敏感而导致性能不稳定的局限性。
本发明提出的具有温度自补偿功能的光纤振动传感器制作简单、测量频带宽、频响特性好、成本低廉、体积超小、易于产业化，在结构监测、故障诊断、噪声监测、军事监听、智能制造等各个领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的原理图。
图3为本发明实施例的制备流程图。
图4为本发明实施例传感性能测试系统的结构示意图。
图5为本发明实施例对不同频率振动响应测试结果图。
图6为本发明实施例传感性能测试结果图(灵敏度/频率)。
图7为本发明实施例传感性能测试结果图(输出电压/环境温度)。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进一步说。
如图1所示，一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器，包括第一单偏振光纤1，第一单偏振光纤1输出端通过第一熔接点2和第一高双折射光子晶体光纤3输入端连接，第一高双折射光子晶体光纤3输出端通过第二熔接点4和第二高双折射光子晶体光纤5输入端连接，第二高双折射光子晶体光纤5输出端通过第三熔接点6和第二单偏振光纤7输入端连接，第二高双折射光子晶体光纤5中部制备具有微型悬重8的光纤在线微型悬臂梁10，光纤在线微型悬臂梁10外部设有刚性毛细管9；
第一熔接点2实现第一单偏振光纤1与第一高双折射光子晶体光纤3之间光轴夹角为45°的熔接，第一单偏振光纤1中沿着光轴方向振动的线偏振光将被均匀地平分到第一高双折射光子晶体光纤3的快轴和慢轴上；
第二熔接点4实现第一高双折射光子晶体光纤3与第二高双折射光子晶体光纤5之间光轴夹角为90°的熔接，沿着第一高双折射光子晶体光纤3慢轴方向振动的线偏振光将转化为沿着第二高双折射光子晶体光纤5快轴方向振动的线偏振光，沿着第一高双折射光子晶体光纤3快轴方向振动的线偏振光将转化为沿着第二高双折射光子晶体光纤5慢轴方向振动的线偏振光；
第三熔接点6实现第二高双折射光子晶体光纤5与第二单偏振光纤7之间光轴夹角为45°的熔接，第二高双折射光子晶体光纤5中沿着快慢光轴方向振动的线偏振光将投影到第二单偏振光纤7光轴振动方向上，并产生干涉，第二单偏振光纤7输出光强取决于干涉强度，即第二高双折射光子晶体光纤5输入第二单偏振光纤7的偏振态；
通过测量第二单偏振光纤7的输出光强感知第二高双折射光子晶体光纤5输出光的偏振信息，进而获得被测振动信号。
所述的光线在线微型悬臂梁10是在第二高双折射光子晶体光纤5上通过化学腐蚀方法制备得到具有微型悬重8的微型悬臂梁，被测振动信号将带动微型悬臂梁振动，进而导致光的偏振态随着被测振动信号的变化而变化，最终使得传感器输出光强随着被测振动变化而变化。
所述第一单偏振光纤1和第二单偏振光纤7对于任意偏振态输入的光，其输出光都将是沿着单偏振光纤光轴方向振动的线偏振光，起到光纤在线起偏器和在线检偏器的作用。
所述第一高双折射光子晶体光纤3和第二高双折射光子晶体光纤5的光纤具有很高的双折射系数，双折射系数高于1.0×104，当其长度变化时，光纤输出端的偏振态发生剧烈变化。
所述微型悬重8为通过化学腐蚀方法在第二高双折射光子晶体光纤5本体上制备出的悬重物，无需任何外加辅助材料。
所述刚性毛细管9稳定支撑光纤在线微型悬臂梁10，在被测振动作用下不产生破裂和形变。
由于第二高双折射光子晶体光纤5输出光偏振态由光在第一高双折射光子晶体光纤3和第二高双折射光子晶体光纤5中的慢轴、快轴所经历的光程差共同决定，而由于第一高双折射光子晶体光纤3和第二高双折射光子晶体光纤5中的快轴和慢轴结构互易，在环境温度变化下，第一高双折射光子晶体光纤3和第二高双折射光子晶体光纤5对第二高双折射光子晶体光纤5输出光偏振态的影响相反，因此极大抑制了环境温度的交叉敏感，无需附加的算法或软件处理。
传感光纤并不局限于高双折射光子晶体光纤和单偏振光纤，其它具有类似规格型号的光纤也可依照本发明的方法制作出功能和性能类似传感器，对应刚性毛细管9的规格和尺寸也可根据实际需要适当调整。
如图2所示，当输入光注入第一单偏振光纤1，在第一单偏振光纤1的作用下，形成沿着第一单偏振光纤1慢轴传输的线偏振光；经过第一熔接点2后，线偏振光均匀地分解为沿着第一高双折射光子晶体光纤3快轴和慢轴传输的两束线偏振光；当经过第二熔接点4后，原先沿着第一高双折射光子晶体光纤3慢轴传输的线偏振光转化为沿着第二高双折射光子晶体光纤5快轴传输的线偏振光，原先沿着原先沿着第一高双折射光子晶体光纤3快轴传输的线偏振光转化为沿着第二高双折射光子晶体光纤5慢轴传输的线偏振光；因此，在第二高双折射光子晶体光纤5输出端，快轴和慢轴光所经历的相位变化分别为：
式中，和为在第二高双折射光子晶体光纤5输出端，快轴和慢轴光多经历的相位变化；n慢、n快分别为高双折射光子晶体光纤慢轴和快轴折射率；L1、L2分别为第一高双折射光子晶体光纤3和第二高双折射光子晶体光纤5的长度；λ为所传输光的波长。
如图1、图2所示，当被测振动作用在传感器上时，由于光纤在线微型悬臂梁10的作用，第二高双折射光子晶体光纤5的长度L2将随着振动变化，即：
ΔL2∝k·v
式中，k为由第二高双折射光子晶体光纤5上的光纤在线微型悬臂梁10的弹性系数，为一个常数；v为施加在传感器上的振动信号；
从上式可以看出，施加在传感器上的振动将导致L2的变化，进而引起第二高双折射光子晶体光纤5输出端快轴和慢轴光所经历的相位变化，最终导致第二单偏振光纤7输出光的光强随着被测振动的变化而变化，因此，通过检测传感器输出光强的变化便可获得被测振动的信息。
如图3所示，所述的第二高双折射光子晶体光纤5中光纤在线微型悬臂梁10的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，准备外部有涂覆层11的第二高双折射光子晶体光纤5；
步骤二，将第二高双折射光子晶体光纤5的部分涂覆层11剥离，使得光纤包层12暴露在空气中；
步骤三，将剥离后的第二高双折射光子晶体光纤5置于盛有质量浓度为5％的氢氟酸溶液13的器皿中；
步骤四，在氢氟酸溶液13的腐蚀作用下，光纤包层12被逐渐腐蚀而越来越细，进而形成具有更细直径的第一包层14和第二包层16，光纤其他区域由于受涂覆层11的保护将不会被腐蚀；
步骤五，当具有更细直径的第一包层14以及第二包层16直径到达80微米左右时，停止腐蚀，第一包层14和第二包层16中间形成微型悬重8；
步骤六，将腐蚀之后的第二高双折射光子晶体光纤5固定于刚性毛细管9中，两端用环氧光学胶15固定，具备很好的机械稳定性。
如图4所示，所述的一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器的测试系统，包括振动台18，振动台18上固定具有温度自补偿功能的光纤振动传感器的刚性毛细管9，具有温度自补偿功能的光纤振动传感器的第一单偏振光纤1输入端和窄带激光器17输出端连接，具有温度自补偿功能的光纤振动传感器的第二单偏振光纤7输出端和光电探测器19输入端连接，光电探测器19输出端通过第一同轴电缆20和电流/电压转换放大器21输入端连接，电流/电压转换放大器21输出端通过第二同轴电缆22和数据采集器23输入端连接；由窄带激光器17发出的激光输入第一单偏振光纤1传输至由刚性毛细管9封装好的微型悬臂梁，然后通过第二单偏振光纤7传输至光电探测器19，光电探测器19将光信号转化为电流信号，然后经第一同轴电缆20传输至电流/电压转换放大器21转成电压信号，再由第二同轴电缆22传输到数据采集器23进行采集；在此过程中，传感器接收到由振动平台18产生的振动信号，并最终转化成数据采集器23采集到的数据，对数据采集器23采集到的数据进行分析处理，便可获得被测振动的时域、频率信息，通过分析获得的时域、频率信息便可分析出传感器性能。
如图5所示，图5给出了传感器对不同频率、不同振幅声波信号的测试结果，从中可以看出，传感器对冲击振动、500Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz等不同频率下振动信号均具有很好的响应，传感器信噪比均为55dB左右。
如图6所示，图6给出了传感器频响图，从图中可以看出，传感器对频率为5Hz～5kHz范围内的声波均具有很好的响应，没有出现传统振动传感器所存在的共振问题。
为了进一步验证传感器对温度交叉敏感的抑制能力，在不同温度下测试传感器对同一振动信号的响应，测试结果如图7所示，从图中可以看出，在不同环境温度下，传感器输出电压基本一致，表明传感器输出对环境温度不敏感，这表明本发明的传感器温度自补偿功能是有效的，突破了传统振动传感器普遍存在的温度交叉敏感问题。
Claims (4)
1.一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器，其特征在于：包括第一单偏振光纤(1)，第一单偏振光纤(1)输出端通过第一熔接点(2)和第一高双折射光子晶体光纤(3)输入端连接，第一高双折射光子晶体光纤(3)输出端通过第二熔接点(4)和第二高双折射光子晶体光纤(5)输入端连接，第二高双折射光子晶体光纤(5)输出端通过第三熔接点(6)和第二单偏振光纤(7)输入端连接，第二高双折射光子晶体光纤(5)中部制备具有微型悬重(8)的光纤在线微型悬臂梁(10)，光纤在线微型悬臂梁(10)外部设有刚性毛细管(9)；单偏振光纤的光轴和高双折射光子晶体光纤的光轴为45°，两高双折射光子晶体光纤的光轴正交；
第一熔接点(2)实现第一单偏振光纤(1)与第一高双折射光子晶体光纤(3)之间光轴夹角为45°的熔接，第一单偏振光纤(1)中沿着光轴方向振动的线偏振光将被均匀地平分到第一高双折射光子晶体光纤(3)的快轴和慢轴上；
第二熔接点(4)实现第一高双折射光子晶体光纤(3)与第二高双折射光子晶体光纤(5)之间光轴夹角为90°的熔接，沿着第一高双折射光子晶体光纤(3)慢轴方向振动的线偏振光将转化为沿着第二高双折射光子晶体光纤(5)快轴方向振动的线偏振光，沿着第一高双折射光子晶体光纤(3)快轴方向振动的线偏振光将转化为沿着第二高双折射光子晶体光纤(5)慢轴方向振动的线偏振光；
第三熔接点(6)实现第二高双折射光子晶体光纤(5)与第二单偏振光纤(7)之间光轴夹角为45°的熔接，第二高双折射光子晶体光纤(5)中沿着快慢光轴方向振动的线偏振光将投影到第二单偏振光纤(7)光轴振动方向上，并产生干涉，第二单偏振光纤(7)输出光强取决于干涉强度，即第二高双折射光子晶体光纤(5)输入第二单偏振光纤(7)的偏振态；
通过测量第二单偏振光纤(7)的输出光强感知第二高双折射光子晶体光纤(5)输出光的偏振信息，进而获得被测振动信号；
所述的光纤在线微型悬臂梁(10)是在第二高双折射光子晶体光纤(5)上通过化学腐蚀方法制备得到具有微型悬重(8)的微型悬臂梁，被测振动信号将带动微型悬臂梁振动，进而导致光的偏振态随着被测振动信号的变化而变化，最终使得传感器输出光强随着被测振动变化而变化；
所述第一单偏振光纤(1)和第二单偏振光纤(7)对于任意偏振态输入的光，其输出光都将是沿着单偏振光纤光轴方向振动的线偏振光；
所述第一高双折射光子晶体光纤(3)和第二高双折射光子晶体光纤(5)的光纤具有很高的双折射系数，双折射系数高于1.0×104，当其长度变化时，光纤输出端的偏振态发生剧烈变化；
所述微型悬重(8)为通过化学腐蚀方法在第二高双折射光子晶体光纤(5)本体上制备出的悬重物。
2.根据权利要求1所述的光纤振动传感器，其特征在于：所述刚性毛细管(9)稳定支撑光纤在线微型悬臂梁(10)，在被测振动作用下不产生破裂和形变。
3.权利要求1所述的光纤振动传感器中第二高双折射光子晶体光纤(5)中光纤在线微型悬臂梁(10)的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，准备外部有涂覆层(11)的第二高双折射光子晶体光纤(5)；
步骤二，将第二高双折射光子晶体光纤(5)的部分涂覆层(11)剥离，使得光纤包层(12)暴露在空气中；
步骤三，将剥离后的第二高双折射光子晶体光纤(5)置于盛有质量浓度为5％的氢氟酸溶液(13)的器皿中；
步骤四，在氢氟酸溶液(13)的腐蚀作用下，光纤包层(12)被逐渐腐蚀而越来越细，进而形成具有更细直径的第一包层(14)和第二包层(16)，光纤其他区域由于受涂覆层(11)的保护将不会被腐蚀；
步骤五，当具有更细直径的第一包层(14)以及第二包层(16)直径到达80微米左右时，停止腐蚀，第一包层(14)和第二包层(16)中间形成微型悬重(8)；
步骤六，将腐蚀之后的第二高双折射光子晶体光纤(5)固定于刚性毛细管(9)中，两端用环氧光学胶(15)固定。
4.权利要求1所述的一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器的测试系统，其特征在于：包括振动台(18)，振动台(18)上固定具有温度自补偿功能的光纤振动传感器的刚性毛细管(9)，具有温度自补偿功能的光纤振动传感器的第一单偏振光纤(1)输入端和窄带激光器(17)输出端连接，具有温度自补偿功能的光纤振动传感器的第二单偏振光纤(7)输出端和光电探测器(19)输入端连接，光电探测器(19)输出端通过第一同轴电缆(20)和电流/电压转换放大器(21)输入端连接，电流/电压转换放大器(21)输出端通过第二同轴电缆(22)和数据采集器(23)输入端连接。
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