专利名称：一种用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器及其使用方法
技术领域：
本发明为一种用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器及其使用方法，涉及光纤振动传感器领域。
背景技术：
应用动力学参数来评价设备的故障发生情况是在监测领域中经常使用的一种手段，对于实时监测设备的工作状态有积极重要的意义。像电网中的电力变压器，对于其线圈振动参量的测量就是一种有效的监测手段。目前常用的振动测量方式主要采用加速度传感器、位移传感器和压电传感器等。这些传感器虽在技术上已成熟，但传感器内部和周围都需要直接或间接的辅之以相关电路，辅助电路的存在会受到设备电磁环境的干扰，影响传感器的测量准确性甚至使之不能正常工作，而且传统的依靠电信号传输的传感器不可以用于液体介质内部。近些年，利用光纤光学技术进行振动信号检测方法被广泛关注。报道中主要关注的是Mach-Zehnder型干涉仪振动传感器、Sagnac型干涉仪振动传感器和非本征光纤法拍振动传感器。Mach-Zehnder型干涉仪振动传感器和Sagnac型干涉仪振动传感器都需要有一参考臂引入，增加了传感器安装的难度，容易受到周围环境的影响。非本征光纤法珀振动传感器是依靠一个方向上的膜片耦合进行传感的，对检测信号有方向性的要求，在多方向同时检测的应用环境受到限制。

发明内容
本发明目的是为了解决在电磁干扰严重的环境中，克服Mach-Zehnder干涉仪、 Sagnac干涉仪结构复杂性和非本征光纤法珀振动传感器依靠一个方向上的膜片耦合进行传感，对检测信号有方向性的要求，在多方向同时检测的应用环境受到限制的问题而设计一种用于液体介质的本征型光纤法拍振动传感器及其使用方法，本发明的技术方案为用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器包括本征型光纤法珀腔、硬聚氯乙烯制成的圆筒振子，本征型光纤法珀腔为一段单模光纤熔接于两段长度相等的光纤布拉格光栅中间，本征型光纤法珀腔沿圆筒振子长度方向整体粘贴于圆筒振子外侧。用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器的使用方法，包括以下步骤步骤一利用DFB (分布式反馈)激光器做为光源，通过调节DFB激光器控制系统使DFB激光器输出波长连续变化的窄带光，该组窄带光经过光路耦合器入射到用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器的本征型光纤法珀腔，本征型光纤法珀腔的反射光经光路耦合器入射到光电放大器获得该组窄带光的反射光谱，将反射光谱上峰值与相邻的最低值之间的谱带上曲率半径最大点确定为静态工作点，静态工作点对应的控制电压为静态工作点控制电压；步骤二 调节控制电压到静态工作点控制电压，使本征型光纤法珀振动传感器工作在静态工作点，将本征型光纤法珀振动传感器置于待测液体环境中，当外界动态振动发生时，圆筒振子耦合各个方向的外界动态振动信号，本征型光纤法珀腔腔长即单模光纤长度将发生周期性变化，导致本征型光纤法珀腔的反射光光强形成周期性变化，反射光经光路率禹合器入射到光电放大器输出随外界动态振动信号同步变化的输出信号，输出信号由数据采集卡采集成数字量后传输给计算机，计算机同时对本征型光纤法珀振动传感器实际工作点偏离静态工作点进行校正。本发明的有益效果是通过将用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器直接放置于待测液体介质中，安装简便，同时利用圆筒振子可以耦合来自不同方向的振动信号， 产生随振动信号同步变化的输出信号，实现了在液体介质中对外加激励振动信号的传感测量，可以检测来自传感器不同方向的振动信号，并且整个过程中静态工作点是通过控制实现自动调节的。


图I是用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器的结构图；图2是本征型光纤法珀腔沿轴线方向的剖视图；图3是用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器的使用原理图；图4是具体实施方式
三中从等距离不同方向施加相同频率激振获得的输出信号示意图；图5是DFB激光器控制系统结构示意图；图6是计算机纠正静态工作点的流程图；图7 是具体实施方式
六中的反射光谱图；图8是具体实施方式
七中法珀腔腔长与反射输出光强对应关系曲线示意图。
具体实施例方式下面结合图I至图8说明本发明的
具体实施例方式具体实施方式
一如图I和图2所示，用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器I包括本征型光纤法珀腔2、硬聚氯乙烯制成的圆筒振子3，本征型光纤法珀腔2为一段单模光纤4熔接于两段长度相等的光纤布拉格光栅5中间，本征型光纤法珀腔2沿圆筒振子3长度方向粘贴于圆筒振子3的外圆周表面上。从图2中可以看出单模光纤4与光纤布拉格光栅5的纤芯部分和包层部分熔合到一起。如图3所示，用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器的使用方法，包括以下步骤步骤一利用DFB激光器做为光源，通过调节DFB激光器控制系统使DFB激光器输出波长连续变化的窄带光，该组窄带光经过光路耦合器入射到用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器的本征型光纤法珀腔，本征型光纤法珀腔的反射光经光路耦合器入射到光电放大器获得该组窄带光的反射光谱，将反射光谱上峰值与相邻的最低值之间的谱带上曲率半径最大点确定为静态工作点，静态工作点对应的控制电压为静态工作点控制电压；步骤二 调节控制电压到静态工作点控制电压，使本征型光纤法珀振动传感器工作在静态工作点，将本征型光纤法珀振动传感器置于待测液体环境中，当外界动态振动发生时，圆筒振子耦合各个方向的外界动态振动信号，此时本征型光纤法珀腔腔长即单模光纤长度将发生周期性变化，导致本征型光纤法珀腔的反射光光强形成周期性变化，反射光经光路I禹合器入射到光电放大器输出随外界动态振动信号同步变化的输出信号，输出信号由数据采集卡采集成数字量后传输给计算机，计算机利用VC++编写的数据分析程序对输出信号的强度和频率进行分析，计算机同时对本征型光纤法珀振动传感器实际工作点偏离静态工作点进行校正。
具体实施方式
二用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器原始腔长即单模光纤4长度为20_， 圆筒振子3是被测振动信号与光的耦合器件，它的固有频率直接影响到传感器本身的频响特性，即传感器所能测试的振动信号的频率范围。圆筒振子材料选择为硬聚氯乙烯，目标测试的频率范围OHz到5KHz，利用有限元分析软件ANSYS进行圆筒振子的结构设计，确定圆筒振子的尺寸大小为长55. 3mm,内径5. 3mm,外径5. 6mm,将本征型光纤法拍腔2用丙烯酸酯粘贴于圆筒振子3外侧。
具体实施方式
三使用具体实施方式
二所记载的用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器，采用 DFB激光器作为光源，将用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器置于承装液体的铁箱中，在承装液体铁箱外壁利用激振器施加激励，实现在液体介质中对外加激励振动信号的传感测量。在外界环境不变的情况下，改变激振器输出频率范围0Hz-5KHz可得到传感器响应输出。用于液体介质的本征型光纤法拍振动传感器可以检测来自传感器不同方向的振动信号，不改变传感器位置和激振器振动频率情况下，移动激振器到铁箱外壁的前后左右四个位置，保证每次传感器和激振器的相对距离一致，施加激振力，从光电放大输出端测得了相同的输出信号，如图4所不。
具体实施方式
四一种本发明使用的DFB激光器控制系统，其框图如图5所示，温度或注入电流发生变化会导致DFB激光器输出中心波长改变。本系统以LTC1923为核心辅之以外围电路，利用DFB激光器内部的半导体制冷器和热敏电阻，组成温度负反馈闭环控制系统用以稳定激光器温度。可以通过控制温控电路参考电压实现对DFB激光器中心波长的线性调节，温控系统利用LTC1658作为数模转换器接收调节电压，使系统可以接收数字电压量的输入。通过80C51单片机给出数字电压量送入温控电路，可以实现最小可识别调节电压为O. 0002V 精确的调节，对应DFB激光器输出中心波长调节精度为1pm。
具体实施方式
五利用计算机对本征型光纤法珀振动传感器实际工作点偏离静态工作点进行校正， 其流程如图6所示步骤A :计算机控制DFB激光器控制系统寻找本征型光纤法珀振动传感器静态工作点，获得即静态工作点控制电压\;步骤B :采集数据并对数据进行分析处理，通过二阶数字滤波算法获得去除与被测振动信号同周期振动的解调信号后的实际工作电压V ；步骤C :将V与Vq进行比较，当IV-VtJ >0.01时，返回到步骤A，当|V-Vq|彡O. 01 时，返回到步骤B。
具体实施方式
六DFB激光器是单色性非常好的光源，并且通过调节DFB激光器内部的温度实现激光器输出波长的改变。以温度控制芯片LTC1923为核心建立温度控制系统，利用C8051单片机编写循环扫描程序驱动温度控制系统循环扫描DFB激光器，使激光器输出波长连续变化的窄带光。将该组连续变化的光入射到具体实施方式
二所记载的用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器的本征型法珀腔，通过光电放大即可获得该结构反射光谱。本征型法珀腔反射光谱如图7所示。循环扫描获得反射光谱后，继续调节DFB的输出波长，当DFB输出激光波长经法珀腔反射光强处于曲率半径最大的Q点处时，Q点附近线性度和调制深度最佳，Q点即为静态工作点，Q点对应的控制电压为静态工作点控制电压。
具体实施方式
七在入射光波长稳定不变的情况下，本征型法珀腔的反射光光强会随着腔长的变化而成周期性变化，图8是在Matlab软件中以中心波长1548. 5nm的光纤光栅在原始腔长为 20mm时，左右变化IOum时的仿真图。当外界动态振动信号引起法珀腔腔长周期性变化时， 当振动信号没有超出调制范围时，可认为在该范围内是线性输出的，通过光电放大的输出便可得到随振动信号同步变化的输出信号。
权利要求
1.一种用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器，其特征在于所述用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器(I)包括本征型光纤法珀腔(2)、硬聚氯乙烯制成的圆筒振子(3)，本征型光纤法珀腔(2)为一段单模光纤(4)熔接于两段长度相等的光纤布拉格光栅(5)中间，本征型光纤法珀腔(2)沿圆筒振子(3)长度方向整体粘贴于圆筒振子(3)的外圆周表面上。
2.如权利要求I所述的用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器，其特征在于所述单模光纤⑷长度为20mm,所述圆筒振子(3)尺寸为长55. 3mm、内径5. 3mm、外径5. 6mm。
3.如权利要求I所述的用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器，其特征在于所述本征型光纤法珀腔(2)用丙烯酸酯整体粘贴于圆筒振子(3)的外圆周表面上。
4.如权利要求I至3任一项所述的用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器的使用方法，其特征在于包括以下步骤步骤一利用DFB激光器做为光源，通过调节DFB激光器控制系统使DFB激光器输出波长连续变化的窄带光，该组窄带光经过光路耦合器入射到用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器的本征型光纤法珀腔，本征型光纤法珀腔的反射光经光路耦合器入射到光电放大器获得该组窄带光的反射光谱，将反射光谱上峰值与相邻的最低值之间的谱带上曲率半径最大点确定为静态工作点，静态工作点对应的控制电压为静态工作点控制电压；步骤二 调节控制电压到静态工作点控制电压，使本征型光纤法珀振动传感器工作在静态工作点，将本征型光纤法珀振动传感器置于待测液体环境中，圆筒振子耦合各个方向的外界动态振动信号，本征型光纤法珀腔腔长即单模光纤长度发生周期性变化，本征型光纤法珀腔的反射光光强形成周期性变化，反射光经光路耦合器入射到光电放大器输出随外界动态振动信号同步变化的输出信号，输出信号由数据采集卡采集成数字量后传输给计算机，计算机同时对本征型光纤法珀振动传感器实际工作点偏离静态工作点进行校正。
5.如权利要求4所述的使用方法，其特征在于步骤一中调节DFB激光器控制系统使 DFB激光器输出波长连续变化的窄带光的方法为计算机控制单片机循环输出控制电压信号给温控芯片LTC1923，温控芯片LTC1923做为数模转换器接收单片机的控制电压信号，温控芯片LTC1923控制DFB激光器内部的半导体制冷器和热敏电阻，改变DFB激光器输出的窄带光的波长，使DFB激光器输出波长连续变化的窄带光。
6.如权利要求4所述的使用方法，其特征在于步骤二中计算机同时对本征型光纤法珀振动传感器实际工作点偏离静态工作点进行校正的步骤为步骤A :计算机控制DFB激光器控制系统寻找本征型光纤法珀振动传感器静态工作点， 获得即静态工作点控制电压\;步骤B :采集数据并对数据进行分析处理，通过二阶数字滤波算法获得去除与被测振动信号同周期振动的解调信号后的实际工作电压V ；步骤C :将V与Vq进行比较，当IV-VtJ >0.01时，返回到步骤A，当IV-VtJ彡O. 01时， 返回到步骤B。
全文摘要
本发明为一种用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器及其使用方法，涉及光纤振动传感器领域。为了解决非本征光纤法珀振动传感器对检测信号有方向性的要求在多方向同时检测的应用环境受到限制的问题而设计，用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器包括本征型光纤法珀腔、硬聚氯乙烯制成的圆筒振子，本征型光纤法珀腔整体粘沿长度方向贴于圆筒振子的外圆周表面上；其使用方法为第一步寻找静态工作点，第二步保持传感器工作在静态工作点，利用圆筒振子能够耦合来自各个方向的振动信号的性质，获得与外界动态振动信号同步变化的输出信号。用于液体介质的本征型光纤法珀振动传感器用于对液体介质中多方向的振动信号进行监测。
文档编号G01H9/00GK102607691SQ20121007854
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月23日 优先权日2012年3月23日
发明者刘杰, 宋方超, 张伟超, 王鹏, 赵洪 申请人:哈尔滨理工大学