基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测结构及方法技术

基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测结构包括激光器（１），第一耦合器（２）、第二耦合器（７）、第三耦合器（８）、第四耦合器（１１）、第五耦合器（１３），声光调制器（３），起偏器（４），环形器（５），传感光纤（６），第一检偏器（９）和第二检偏器（１０），第一探测器（１２）和第二探测器（１４），第一低通滤波器（１５）和第二低通滤波器（１６），第一模数转换器（１７）和第二模数转换器（１８），ＦＰＧＡ（１９），微处理器ＭＣＵ（２０）；通过多次测量得到光纤各个区段偏振态随时间的变化情况，再结合傅里叶变换技术得到频谱信息，通过对频谱信息的分析得到振动的信息。该方法相较于此前的ＰＯＴＤＲ系统采用的对偏振态进行迭代运算的方法，具有算法简单、数据运算量小的优点，大大减少了系统所需的检测时间和成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种用于振动频率和强度监测的传感设备及方法，尤其是一种基于光 纤偏振光时域反射传感的具有分布式测量的振动监测专用设备及振动监测方法。
技术介绍
在桥梁、管道的健康监测中，许多潜在的危险往往体现为某种机械振动形式。 比如桥梁的摇晃，管道周围施工机械的运动等。若能够对振动情况进行在线监测， 就可以实现对潜在危险的预警。传统的振动传感器主要利用磁电效应和压电效应将振动信号转换为电信号进行 测量。这种测量方式主要存在以下几点不足首先，该测量方式只能支持单点或多个点进行串联的准分布式测量，不能进行 真正的分布式测量，在长距离、大空间范围的测量应用场合，其空间分辨率和对微 小振动的检测灵敏度均会受到限制。其次，该测量方式易受电磁干扰的影响，且传感器本身易受腐蚀、在恶劣应用 环境下寿命较短，使得该传感方式的应用场合受到较大的限制。基于光纤的光时域反射计(OTDR)检测方式因为具有支持全分布式测量、抗电 磁千扰、耐腐蚀、耐久性好等优点，在当前的健康检测中，获得了广泛的应用。但是普通的0TDR系统，在测量中关注的仅仅是光纤中背向散射光强度的变化， 对于机械振动不敏感，难以应用到需要对机械振动进行检测的场合中。但是光纤中 背向散射光的偏振态对光纤外部的机械振动十分敏感。通过偏振光时域反射传感 (P0TDR)检测光纤中背向散射光的偏振态变化，就有可能实现对沿光纤分布的机械 振动的分布式检测。当前使用的P0TDR系统，在对偏振态的检测中采用单路检偏器检测偏振光在单 一方向上的投影值，当信号光偏振方向与投影方向的夹角接近90度时，其投影功率 将会变得很小，从而使得检测精度降低， 一般称这种情况为进入死区状态。同时当 前的POTDR系统对于散射光偏振态的检测主要依靠递推运算，其算法复杂，测量周 期长，响应速度慢
技术实现思路
技术问题本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种灵敏度高，能够快速提 供检测结果的。技术方案本专利技术提供一种基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测结构，在 结构上包括激光器，第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦 合器，声光调制器，起偏器，环形器，传感光纤，第一检偏器和第二检偏器，第一 探测器和第二探测器，第一低通滤波器和第二低通滤波器，第一模数转换器和第二 模数转换器，FPGA，微处理器MCU;当激光器为内调制激光器时，激光器的输出端接环形器的输入端，环形器的输出端接第三耦合器的输入端， 第三耦合器的输出端分两路，其中一路通过第一检偏器接第一平衡探测器的第二输 入端，另一路通过第二检偏器接第二探测器的第二输入端，传感光纤的一端接环形 器；第一探测器、第二探测器为非平衡式探测器，第一探测器的输出端通过顺序串 联连接的第一低通滤波器、第一模数转换器接FPGA的第一输入端；第二探测器的输 出端通过顺序串联连接的第二低通滤波器、第二模数转换器接FPGA的第二输入端， FPGA的输出端接微处理器MCU。当激光器为普通激光器时，第一探测器、第二探测器为平衡式探测器，激光器的输出端接第一耦合器，第一耦合器的输出分两路，其中第一路通过第 二耦合器再分为两支路，第一支路通过第四耦合器接第一探测器的第一输入端，第 二支路通过第五耦合器接第二探测器的第一输入端；第一耦合器输出的另一路通过顺序串联连接的声光调制器、起偏器、环形器接 第三耦合器的输入端，第三耦合器的输出端分两路，其中一路通过第一检偏器接第 一探测器的第二输入端，另一路通过第二检偏器接第二探测器的第二输入端，传感 光纤的一端接环形器；第一探测器的输出端通过顺序串联连接的第一低通滤波器、第一模数转换器接 FPGA的第一输入端；第二探测器的输出端通过顺序串联连接的第二低通滤波器、第 二模数转换器接FPGA的第二输入端，FPGA的输出端接微处理器MCU。在声光调制器与环形器之间连接有起偏器。基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测方法包括步骤步骤1:激光器发出功率恒定的连续光，通过耦合器分为两路，其中一路通过耦合器分作两路本振光，另一路通过声光调制器的调制形成脉冲光，通过起偏器的 起偏送入环行器，探测光通过环行器注入传感光纤，步骤2:传感光纤中产生的背向散射光信号通过环行器 入耦合器，耦合器的输出分为两路，分别经过第一检偏器和第二检偏器进行检偏，其中第一检偏器和第二检偏器互为正交的检偏器，其输出与本振光在第一探测器和第二探测器上做相干探测，步骤3:探测结果通过第一低通滤波器和第二低通滤波器的滤波送入第一模数转换器和第二模数转换器做模数转换，步骤4: FPGA对采集得到的数据进行预处理，提高信噪比，步骤5:微处理器MCU对预处理的结果进行傅立叶变换，得到信号在不同偏振方向上强度的变化频率，步骤6:对得到的频谱的主频频率和分布模式进行分析，得到振动源的变化特征。所述步骤2采用互为正交关系的第一检偏器和第二检偏器共同作用，避免死区现象的发生。所述步骤5，具体包括提取出光纤中各个区段在多次测量中的结果，得到在光纤上各个区段的背向散射光在不同偏振方向上强度随时间的变化规律，对检偏器输出端起伏的强度数据进行频谱分析，得到振动的频谱。所述步骤6,其中对频谱的主频频率进行分析具体包括对光纤进行实时的在线监测，得到光纤上每一区段振动频率的变化；将每一次测量得到的结果与历史记录进行对比，若测量结果与历史记录相比发生了变化则说明沿光纤分布的振动源频率发生了变化。所述步骤6，其中对频谱的分布模式进行分析具体包括对光纤进行实时的在线监测，得到光纤上每一区段振动频率分布模式，主要是能量在基频和各次谐波上分布的变化，将每一次测量得到的结果与历史记录进行对比，若测量结果与历史记录相比发生变化则说明沿光纤分布的振动强度产生变化。有益效果由于本专利技术采用光纤作为传感器，相较于传统的磁电/压电式振动传感器，具有支持分布式测量的特点，并且具有抗电磁干扰、耐腐蚀、耐久性好等优点。本专利技术通过多次测量得到光纤各个区段偏振态随时间的变化情况，再结合傅里叶变换技术得到频谱信息，通过对频谱信息的分析得到振动的信息。该方法相较于此前的POTDR系统采用的对偏振态进行迭代运算的方法，具有算法简单、数据运算量小的优点，大大减少了系统所需的检测时间和成本，使得利用光纤中背向散射光光偏振态检测沿光纤分布振动的方案具有了实际应用的可能。通过同时检测两个正交方向的偏振态光信号强度消除偏振态检测中的检测死区出现附图说明图l是本专利技术的系统框图。其中有激光器l，第一耦合器2、第二耦合器7、第三耦合器8、第四耦合器11、第五耦合器13，声光调制器3，起偏器4，环形器5，传感光纤6，第一检偏器9和第二检偏器10，第一探测器12和第二探测器14，第一低通滤波器15和第二低通滤波器16，第一模数转换器17和第二模数转换器18，FPGA 19，微处理器MCU20。图2是正交检偏效果的示意图。具体实施例方式一种基于POTDR的振动频率和强度的检测结构，包括了光发送模块，光接受模块，检测光纤，控制单元，信号处理单元；所述光发送模块包括了用于发射恒定功率激光的激光器、用于对激光进行脉冲调制的声光调制器、用于对激光进行起偏的偏振控制器；所述光接受模块包括了用于检测激光偏振状态的检偏器、用于将光信号转换为电信号进行相干检测的平衡探测器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤偏振光时域反射传感的振动监测结构，其特征在于，在结构上包括激光器（１），第一耦合器（２）、第二耦合器（７）、第三耦合器（８）、第四耦合器（１１）、第五耦合器（１３），声光调制器（３），起偏器（４），环形器（５），传感光纤（６），第一检偏器（９）和第二检偏器（１０），第一探测器（１２）和第二探测器（１４），第一低通滤波器（１５）和第二低通滤波器（１６），第一模数转换器（１７）和第二模数转换器（１８），ＦＰＧＡ（１９），微处理器ＭＣＵ（２０）；　当激光器（１）为内调 制激光器时，　激光器（１）的输出端接环形器（５）的输入端，环形器（５）的输出端接第三耦合器（８）的输入端，第三耦合器（８）的输出端分两路，其中一路通过第一检偏器（９）接第一平衡探测器（１２）的第二输入端，另一路通过第二检偏器（１０）接第二 探测器（１４）的第二输入端，传感光纤（６）的一端接环形器（５）；　第一探测器（１２）、第二探测器（１４）为非平衡式探测器，第一探测器（１２）的输出端通过顺序串联连接的第一低通滤波器（１５）、第一模数转换器（１７）接ＦＰＧＡ（１９）的第一输 入端；第二探测器（１４）的输出端通过顺序串联连接的第二低通滤波器（１６）、第二模数转换器（１８）接ＦＰＧＡ（１９）的第二输入端，ＦＰＧＡ（１９）的输出端接微处理器ＭＣＵ（２０）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王顺，张旭苹，张益昕，谢飞，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]