专利名称：分布式光纤振动传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种光纤传感技术，尤其涉及ー种分布式光纤振动传感器。
背景技术：
振动量测量在工程领域具有潜在的运用价值，如结构健康监测、航空航天、石油化エ、电カ系统等安全监测。传统的振动测量方法如机械式测量法、电测量法，存在灵敏度低，体积大，測量范围受放大器件限制的问题，并且传统的振动测量方法只能进行点式測量，在实际运用中受到限制，因此研制高性能的振动测量系统势在必行。分布式光纤传感技术是指沿光纤传输路径上的外部信号以一定的方式对光纤中的光波进行不断的调制，以实现对被测量场的连续空间进行实时测量。光纤既是导光介质，同时作为传感元件，感应外界振动信号。 相比于传统的振动传感器，光纤传感具备灵敏度高的特点，光纤传感能探测到极其细微的变化；动态范围大；保密性好，不受外界电磁波的干扰；体积小、重量轻，而且监控区域大，能对大范围区域进行监测；不易受环境变化影响；更重要的。光纤传感能达到全分布的实时监控。基于光纤技术的振动传感系统研究已经非常广泛，分布式光纤传感系统主要包括光时域反射(OTDR, Optical Time Domain Reflectometer)、分布式光纤布拉格光栅(FBG7Fiber Bragg Grating)、光纤干涉式分布传感。光纤布拉格光栅实现点式或准分布式光纤传感，兼合波分复用技术，能实现振动的定位，但缺失振动频率信息。光时域反射主要是相位型光时域反射(Φ-OTDR)，能实现米量级的空间分辨率，但能检测的振动频率较低。光纤干涉式分布传感能检测较高的振动频率信息，但存在振动空间分辨率低的问题。

发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了ー种分布式光纤振动传感器，它由光源、第ー耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光滤波器、三端ロ环形器、第一光电探测器、第二耦合器、第二光电探测器、高通滤波器、混频器、函数发生器、低通滤波器、数据采集卡、计算机和长距离传感光纤组成；光源与第一稱合器的输入端光路连接，第一稱合器将输入光分为两路，一路光作为检测信号输出至声光调制器，另一路光作为參考信号输出至第二 I禹合器的第一输入端；声光调制器对输入光进行调制处理后将光输出至掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器对输入光进行放大处理后将光输出至光滤波器进行消噪处理，经消噪处理后的光由光滤波器传输至三端ロ环形器的输入端，三端ロ环形器的收发复用端与第一光电探测器连接，三端ロ环形器的输出端与长距离传感光纤的一端连接，三端ロ环形器用以提取长距离传感光纤的后向瑞利散射光；长距离传感光纤的另一端与第二耦合器的第二输入端连接，检测信号和參考信号在第二耦合器中发生拍频干渉；第二耦合器的输出端与第二光电探測器的输入端连接，第二光电探测器的输出端与高通滤波器的输入端连接，高通滤波器提取检测信号和參考信号的干渉信号中的交流项；高通滤波器的输出端与混频器的其中一个输入端连接，混频器的另ー个输入端与函数发生器连接，检测信号和參考信号的干渉信号中的交流项与函数发生器输出的余弦信号在混频器内进行混频；函数发生器还与声光调制器连接；混频器的输出端与低通滤波器连接；低通滤波器和第一光电探测器都连接至数据采集卡，数据采集卡与计算机相连；长距离传感光纤铺设于被测空间内。基于前述结构，为了提高第二耦合器输出的信号的信噪比，本发明还作了如下改进第二光电探测器采用平衡光电探测器；第二耦合器采用2X2耦合器；第二耦合器的两个输出端与第二光电探测器的两个输入端连接。更进ー步地，函数发生器产生频率为5KHz、脉宽为50ns、高电平幅值为IV、低电平幅值为O. IV的电脉冲信号；声光调制器在函数发生器输出的电脉冲信号调制下，输出光脉冲信号，高电平脉冲光用于检测发生振动的位置；低电平脉冲光用于检测振动的频率。为了降低掺铒光纤放大器的自发辐射噪声，本发明还作了如下改进掺铒光纤放大器的工作方式米用前向泵浦方式，米用980nm泵浦光在IOm掺铒光纤下实现光放大。本发明的有益技术效果是可同时对振动位置和振动频率进行检测，对信号的分 辨率较高。


图I、本发明的结构示意图；图2、第二光电探测器采用平衡光电探测器时的结构示意图。图中所示标记对应的部件分别为光源I、第一耦合器2、声光调制器3、掺铒光纤放大器4、光滤波器5、三端ロ环形器6、第一光电探测器7、第二耦合器8、第二光电探测器9、高通滤波器10、混频器11、函数发生器12、低通滤波器13、数据采集卡14、计算机15、长距离传感光纤16。
具体实施例方式—种分布式光纤振动传感器，其结构为它由光源I、第一I禹合器2、声光调制器3、掺铒光纤放大器4、光滤波器5、三端ロ环形器6、第一光电探测器7、第二稱合器8、第二光电探测器9、高通滤波器10、混频器11、函数发生器12、低通滤波器13、数据采集卡14、计算机15和长距离传感光纤16组成；光源I与第一稱合器2的输入端光路连接,第一稱合器2将输入光分为两路，一路光作为检测信号(即后文的检测光)输出至声光调制器3，另一路光作为參考信号(即后文的參考光)输出至第二稱合器8的第一输入端；声光调制器3对输入光进行调制处理后将光输出至掺铒光纤放大器4,掺铒光纤放大器4对输入光进行放大处理后将光输出至光滤波器5进行消噪处理，经消噪处理后的光由光滤波器5传输至三端ロ环形器6的输入端，三端ロ环形器6的收发复用端与第一光电探测器7连接，三端ロ环形器6的输出端与长距离传感光纤16的一端连接，三端ロ环形器6用以提取长距离传感光纤16的后向瑞利散射光；长距离传感光纤16的另一端与第二耦合器8的第二输入端连接，检测信号和參考信号在第二耦合器8中发生拍频干涉；第二耦合器8的输出端与第二光电探测器9的输入端连接，第二光电探测器9的输出端与高通滤波器10的输入端连接，高通滤波器10提取检测信号和參考信号的干渉信号中的交流项；高通滤波器10的输出端与混频器11的其中ー个输入端连接，混频器11的另ー个输入端与函数发生器12连接，检测信号和參考信号的干渉信号中的交流项与函数发生器12输出的余弦信号在混频器11内进行混频；函数发生器12还与声光调制器3连接；混频器11的输出端与低通滤波器13连接；低通滤波器13和第一光电探测器7都连接至数据采集卡14，数据采集卡14与计算机15相连；长距离传感光纤16铺设于被测空间内。前述装置的工作过程为第一耦合器2将光源I发出的光分为两路，一路作为检测光传输至声光调制器3,另一路作为參 考光传输至第二稱合器8 (第一稱合器2和第二I禹合器8之间传输參考光的光纤即形成參考光纤,其材质与长距离传感光纤16相同,均为普通光纤);函数发生器12向声光调制器3输出波形信号,声光调制器3根据波形信号将检测光调制为光脉冲，然后将光脉冲输出至掺铒光纤放大器4进行放大处理，由于掺铒光纤放大器4会产生自发辐射噪声，因此在掺铒光纤放大器4后又设置了光滤波器5来进行消噪处理，经过消噪处理后的光脉冲被传输至三端ロ环形器6，正向传输的光脉冲通过三端ロ环形器6后进入长距离传感光纤16中，外界振动作用在长距离传感光纤16上，引起长距离传感光纤16的介质内部发生一系列的物理效应，从而使长距离传感光纤16的传播參数发生变化(长距离传感光纤16纵向上的应カ变化导致长距离传感光纤16的长度发生变化，同吋，长距离传感光纤16的直径也在泊松效应的作用下发生变化，进而使光波传播常数发生变化，另外弹光效应和热光效应使长距离传感光纤16纤芯的折射率也发生改变，前述的各种影响最终导致在长距离传感光纤16中传输的光波相位产生相应的变化)，三端ロ环形器6从长距离传感光纤16上提取后向瑞利散射光，采集到的后向瑞利散射光的数据经处理后，即可得到振动的位置信息；长距离传感光纤16上正向传输的光进入第二耦合器8后，检测光和參考光在第二耦合器8内产生拍频干涉，然后由第二光电探测器9对拍频干渉后的光进行采集，第二光电探测器9采集到的信号送到高通滤波器10进行滤波处理，滤波处理后的信号与函数发生器12提供的余弦信号(余弦信号的频率与声光调制器3的移频数值相同)在混频器11内进行混频，混频后的信号通过低通滤波器13处理后传输至计算机，经计算机处理后，得到振动的频率信息。本发明的检测原理是I)通过采集后向瑞利散射光获取振动位置信息的原理和方法是现有技术，光脉冲在光纤中传输激发出后向瑞利散射光，后向瑞利散射光的光强是光脉冲宽度范围内后向散射光干涉叠加的结果，其灵敏度较高。当外界振动作用在光纤上吋，将会引起光脉冲宽度范围内后向散射光的相位发生变化，所以干涉叠加光强变化，可以检测出振动源在光纤的位置。2)通过采集參考信号和检测信号的拍频干渉信号，然后将其和余弦信号进行混频，最終处理得到振动频率，其原理和方法是现有的理论，參考光和检测光在第二耦合器8中发生拍频干涉后的干渉信号光强I可由下式示出
I = I1 + L + cos(2^4// + φ{ ) + Αφ0)接着经过第二光电探测器9和高通滤波器10的处理后可得到
Ia^ ニ IkR^JIlI-, cos{2nl^ft + φ{ ) + Αφ0)将IA。与函数发生器12提供的余弦信号cos (2π Δ ft)进行混频处理后经低通滤波器13处理，即可得到外界振动信号的余弦函数
权利要求
1.ー种分布式光纤振动传感器,其特征在于它由光源(I)、第一稱合器(2)、声光调制器(3)、掺铒光纤放大器(4)、光滤波器(5)、三端ロ环形器(6)、第一光电探测器(7)、第二耦合器(8)、第二光电探测器(9)、高通滤波器(10)、混频器(11)、函数发生器(12)、低通滤波器(13)、数据采集卡(14)、计算机(15)和长距离传感光纤(16)组成；光源(I)与第一耦合器(2)的输入端光路连接,第一稱合器(2)将输入光分为两路,一路光作为检测信号输出至声光调制器(3),另一路光作为參考信号输出至第二稱合器(8)的第一输入端；声光调制器(3)对输入光进行调制处理后将光输出至掺铒光纤放大器(4),掺铒光纤放大器(4)对输入光进行放大处理后将光输出至光滤波器(5)进行消噪处理，经消噪处理后的光由光滤波器(5)传输至三端ロ环形器(6)的输入端，三端ロ环形器(6)的收发复用端与第一光电探测器(7)连接，三端ロ环形器(6)的输出端与长距离传感光纤(16)的一端连接，三端ロ环形器(6)用以提取长距离传感光纤(16)的后向瑞利散射光；长距离传感光纤(16)的另一端与第ニ耦合器(8)的第二输入端连接，检测信号和參考信号在第二耦合器(8)中发生拍频干涉；第二耦合器(8)的输出端与第二光电探测器(9)的输入端连接，第二光电探测器(9)的输出端与高通滤波器(10)的输入端连接，高通滤波器(10)提取检测信号和參考信号的干渉信号中的交流项；高通滤波器(10)的输出端与混频器(11)的其中ー个输入端连接，混频器(11)的另ー个输入端与函数发生器(12)连接，检测信号和參考信号的干渉信号中的交流项与函数发生器(12)输出的余弦信号在混频器(11)内进行混频；函数发生器(12)还与声光调制器(3)连接；混频器(11)的输出端与低通滤波器(13)连接；低通滤波器(13)和第一光电探测器(7)都连接至数据采集卡(14)，数据采集卡(14)与计算机(15)相连；长距离传感光纤(16)铺设于被测空间内。
2.根据权利要求I所述的分布式光纤振动传感器，其特征在于第二光电探测器(9)采用平衡光电探测器；第二耦合器(8)采用2X2耦合器；第二耦合器(8)的两个输出端与第ニ光电探测器(9)的两个输入端一一连接。
3.根据权利要求I所述的分布式光纤振动传感器，其特征在于函数发生器(12)产生频率为5KHz、脉宽为50ns、高电平幅值为IV、低电平幅值为0. IV的电脉冲信号；声光调制器(3)在函数发生器(12)输出的电脉冲信号调制下,输出光脉冲信号，高电平脉冲光用于检测发生振动的位置；低电平脉冲光用于检测振动的频率。
4.根据权利要求I所述的分布式光纤振动传感器，其特征在于掺铒光纤放大器(4)的工作方式米用前向泵浦方式，米用980nm泵浦光在IOm掺铒光纤下实现光放大。
全文摘要
本发明公开了一种分布式光纤振动传感器，它由光源、第一耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光滤波器、三端口环形器、第一光电探测器、第二耦合器、第二光电探测器、高通滤波器、混频器、函数发生器、低通滤波器、数据采集卡、计算机和长距离传感光纤组成；本发明的有益技术效果是可同时对振动位置和振动频率进行检测，对信号的分辨率较高。
文档编号G01H9/00GK102865914SQ201210349310
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月19日 优先权日2012年9月19日
发明者朱涛 申请人:朱涛