一种高保真高带宽光纤振动传感系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种高保真高带宽光纤振动传感系统，包括：红外光源、传输光纤、振动传感探头和信号采集处理器；其中，振动传感探头包括光纤分路器、第一光纤环、第二光纤环和外壳，光纤分路器、第一光纤环、第二光纤环均安装在外壳内。本实用新型专利技术提供的一种高保真高带宽光纤振动传感系统采用光纤塞格纳克干涉仪结构，通过光波相位对外界振动的高敏感度，监测光信号来还原环境振动信号。本实用新型专利技术中的传感系统成本较低，信号恢复极少失真，可以实现振动实时监测，在长距离监测时能耗低，抗干扰能力强。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及光纤振动传感
，尤其涉及一种高保真高带宽光纤振动传感系统。
技术介绍
在振动传感
内，基于相位调制的光纤振动传感技术近年引起广泛关注，尤其是基于光纤塞格纳克干涉仪结构的振动传感技术方案。光纤塞格纳克干涉仪由一个2×2的光纤分路器和一段光纤构成，在此技术方案中，激光信号经过光纤分路器分为等强度的两束光信号，分别顺时针和逆时针传输，由于外界振动会对干涉环内光纤的长度和纤芯折射率产生极微小的改变，从而来改变光程，当两束光再次到达光纤分束器时发生干涉，干涉信号携带了完整的待测振动信息，干涉信号经光电探测器转换为电信号，再经过处理就可以得到待测的振动或声音信号。相对于传统的电子式传感技术来说，有如下优点：光的干涉光强对于光程差改变十分敏感，可以探测环境内微小振动；利用光纤对光信号进行长距离低损耗传输，可以实现长距离振动传感；光学振动传感器无需供电，易于实现全绝缘化、耐腐蚀，可以在高电压和复杂电磁环境下实现振动传感；光学振动传感器几乎无频率限制，可以响应较宽频率范围内的振动信号，从而实现高低频振动信号的传感。在众多干涉传感中，塞格纳克干涉方式的振动传感器一直被大量采用，塞格纳克型光纤振动传感器是利用声音对光波相位的调制，并通过干涉仪的光路结构转换为对光强度的调制，理论上探测灵敏度高，非常适合探测微弱的振动信号。然而在实际应用中，萨格纳克式光纤振动传感器存在着两个主要问题：1.偏振消光问题。由于光的偏振状态对干涉有直接影响，偏振方向平行的两束光干涉程度最大，而正交偏振的两束光波则不发生干涉。由于普通单模光纤不能保持光波偏振状态恒定，敷设传感光纤时的光纤弯曲、挤压等，都会改变光波的偏振方向，导致在光纤分路器处相干的两束光波的偏振态存在不确定性和不可控性，往往在光纤敷设完毕后，返回的两路光信号之间不发生干涉或干涉程度很低；导致在探测器端完全测不到光功率或振动信号。如果采用保偏光纤，可以在一定程度上解决这个问题，但采用保偏光纤方案要求整个系统所有的光纤器件和光纤，包括激光器尾纤、传输光纤、光纤分路器、传感光纤必须全部使用保偏光纤，这意味着整个系统的成本是普通单模光纤方案的数十倍甚至数百倍(注:保偏光纤器件是普通单模光纤器件价格是数十倍，保偏光纤成本是普通单模光纤价格的数百倍)。例如对比文献1(CN 101308042)的权利要求5指出的系统内的光纤必须为偏振波面保持光纤，即保偏光纤。2.互易性导致灵敏度降低的问题。由于塞格纳克光纤环本身存在的对称性，使得顺时针和逆时针方向传输的光信号接收的振动调制几乎相同，振动引起的相位差被抵消，从而导致整个系统的灵敏性大幅降低。通常的做法是在塞格纳克光纤环内增加一个光纤延迟环，延迟环不感受外界振动信息，只用于消除光路结构的互易性，例如对比文献1(CN 101308042)中的延时光纤8。在一定程度上解决了灵敏性降低的问题，但这种设计带来新的缺陷：为了屏蔽振动影响，光纤延迟环必须远离振动传感光纤安装摆放(例如对比文献1的权利要求1指出，延迟用光纤设置在传感器主框体内，振动检测用光纤敷设于传感器主框体外)，而远距离的光纤布线又导致的问题1(偏振消光)难以消除和不可控，而且使塞格纳克光纤环整体体积很大，无法实现小型化。
技术实现思路
基于
技术介绍
存在的技术问题，本技术提出了一种高保真高带宽光纤振动传感系统。本技术提出的一种高保真高带宽光纤振动传感系统，包括：红外光源、传输光纤、振动传感探头和信号采集处理器；其中，振动传感探头包括光纤分路器、第一光纤环、第二光纤环和外壳，光纤分路器、第一光纤环、第二光纤环均安装在外壳内；第一光纤环和第二光纤环分别由一根光纤环绕形成，第一光纤环和第二光纤环均采用单模光纤，且两者长度相同类型不同；第一光纤环两端分别连接光纤分路器和第二光纤环，第二光纤环另一端连接光纤分路器，光纤分路器、第一光纤环和第二光纤环组成非对称结构的赛格纳克干涉环部分；传输光纤一端连接光纤分路器，另一端通过光纤跳线头分别连接红外光源和信号采集处理器。优选地，第一光纤环和第二光纤环分别采用单模光纤G.652和G.653。优选地，第一光纤环和第二光纤环热熔连接或通过光纤连接器连接。优选地，第一光纤环和第二光纤环层叠绕线。优选地，传输光纤采用双工光纤或双芯光纤。优选地，传输光纤采用塑料光纤。优选地，传输光纤包括第一光纤和第二光纤，第一光纤和第二光纤均为单工光纤，第一光纤的两端分别连接光纤分路器和红外光源，第二光纤的两端分别连接光纤分路器和信号采集处理器。优选地，红外光源为窄带单频光源或宽带ASE光源或连续光输出红外光源。优选地，光纤分路器采用3dB光纤分路器。优选地，信号采集处理器包括PIN光电探头和信号还原电路，PIN光电探头
与传输光纤连接，信号还原电路与PIN光电探头连接。本技术中，将光纤分路器、第一光纤环和第二光纤环组成的赛格纳克干涉环部分置于外壳内部。敷设的传输光纤仅传输光强度信息，而不会因光纤振动引起的偏振态及相位变化影响，使得红外光源及信号采集处理器对自身振动不敏感。另外，本系统中光源能量和干涉透射光能量无损失，最大限度的保证了系统的信噪比。因此本系统更适合于实用化、小型化和户外敷设，并且低成本和推广实用。本技术解决了偏振消光问题。本技术中振动传感探头内的第一光纤环和第二光纤环是相同长度但不同类型的两种光纤。此结构使塞格纳克光纤环实现非对称结构，用以消除光纤探头对称性带来的敏感性下降，解决了互易性导致灵敏度降低的问题。本技术中通过光纤塞格纳克干涉环对环境振动的响应特性，监测得到干涉环透射光信号并通过电路还原成振动信号并采集。探测部分可以不与振动源直接接触，探测部分可以实现全绝缘化从而可以在高电压和复杂电磁环境里正常工作，光信号可以通过传输光纤进行长距离低损耗传输，频率响应范围极宽对几赫兹到几十兆赫兹振动信号均有较好响应。本技术提供的一种高保真高带宽光纤振动传感系统采用光纤塞格纳克干涉仪结构，通过光波相位对外界振动的高敏感度，监测光信号来还原环境振动信号。本技术中的传感系统成本较低，信号恢复极少失真，可以实现振动实时监测，在长距离监测时能耗低，抗干扰能力强。附图说明图1为本技术提出的本技术提出的一种高保真高带宽光纤振动传感系统结构示意图。具体实施方式参照图1，本技术提出的一种高保真高带宽光纤振动传感系统，包括：红外光源101、传输光纤102、振动传感探头107和信号采集处理器108。其中，振动传感探头107包括光纤分路器103、第一光纤环104、第二光纤环105和外壳106，光纤分路器103、第一光纤环104、第二光纤环105均安装在外壳106内。第一光纤环104和第二光纤环105分别由一根光纤环绕形成，第一光纤环104和第二光纤环105均采用单模光纤，且两者长度相同类型不同。具体地，第一光纤环104和第二光纤环105分别采用单模光纤G.652和G.653。且，第一光纤环104和第二光纤环105热熔连接或通过光纤连接器连接。第一光纤环104两端分别连接光纤分路器103和第二光纤环105，第二光纤环105另一端连接光纤分路器103。光纤分路器103、第一光纤环104和第二光纤环105组成赛格纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高保真高带宽光纤振动传感系统，其特征在于，包括：红外光源(101)、传输光纤(102)、振动传感探头(107)和信号采集处理器(108)；其中，振动传感探头(107)包括光纤分路器(103)、第一光纤环(104)、第二光纤环(105)和外壳(106)，光纤分路器(103)、第一光纤环(104)、第二光纤环(105)均安装在外壳(106)内；第一光纤环(104)和第二光纤环(105)分别由一根光纤环绕形成，第一光纤环(104)和第二光纤环(105)均采用单模光纤，且两者长度相同类型不同；第一光纤环(104)两端分别连接光纤分路器(103)和第二光纤环(105)，第二光纤环(105)另一端连接光纤分路器(103)，光纤分路器(103)、第一光纤环(104)和第二光纤环(105)组成非对称结构的赛格纳克干涉环部分；传输光纤(102)一端连接光纤分路器(103)，另一端通过光纤跳线头分别连接红外光源(101)和信号采集处理器(108)。

【技术特征摘要】
1.一种高保真高带宽光纤振动传感系统，其特征在于，包括：红外光源(101)、传输光纤(102)、振动传感探头(107)和信号采集处理器(108)；其中，振动传感探头(107)包括光纤分路器(103)、第一光纤环(104)、第二光纤环(105)和外壳(106)，光纤分路器(103)、第一光纤环(104)、第二光纤环(105)均安装在外壳(106)内；第一光纤环(104)和第二光纤环(105)分别由一根光纤环绕形成，第一光纤环(104)和第二光纤环(105)均采用单模光纤，且两者长度相同类型不同；第一光纤环(104)两端分别连接光纤分路器(103)和第二光纤环(105)，第二光纤环(105)另一端连接光纤分路器(103)，光纤分路器(103)、第一光纤环(104)和第二光纤环(105)组成非对称结构的赛格纳克干涉环部分；传输光纤(102)一端连接光纤分路器(103)，另一端通过光纤跳线头分别连接红外光源(101)和信号采集处理器(108)。2.如权利要求1所述的高保真高带宽光纤振动传感系统，其特征在于，第一光纤环(104)和第二光纤环(105)分别采用单模光纤G.652和G.653。3.如权利要求1所述的高保真高带宽光纤振动传感系统，其特征在于，第一光纤环(104)和...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈国梁，顾春，
申请(专利权)人：合肥脉锐光电技术有限公司，
类型：新型
国别省市：安徽;34