专利名称：保偏光纤光栅二维矢量振动传感仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及振动传感仪设计领域，特别涉及一种可识别振动方向的正交偏振光纤光栅二维矢量振动传感仪。
背景技术：
振动传感器在建筑物结构健康检测、地震灾害预防、石油天然气勘探和国防安全监测等领域有着广泛的应用，例如通过实时检测大型土木工程(桥梁、隧道、大坝等)的结构形变，从而实现对其健康状况的及时诊断；通过记录震源、研究地球内部结构和地震波传播特性，实现临震预报；通过探测人工震动经岩层分界面反射或折射引起的弹性波，可以认识地下地质构造以寻找油气圈闭，实现油气储存勘探；通过探测入侵目标引起的地面波，实现目标识别及预警安全监测。因此，振动传感器市场空间非常巨大。现有的地震检波器主要是基于电学原理设计制作而成的，如利用先进的微机系统(MEMS)加工而成的微型传感芯片，将微小机械振动信息转换为电压信号，通过电子学手段测得电压变化，由此实现地震波信号测量。此类电子振动传感器从工作原理上可分为动圈式、涡流式、压电式、压阻式等，但普遍存在下列问题易受电磁干扰，特别是电子学器件易产生电火花，在油气勘探领域中应用时存在安全隐患。光纤传感技术以光纤为物理媒质、以光波为信息载体，具有结构小巧、灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、本质安全以及便于多点组网和远距离遥测等优点，非常适合于应用在一些传统传感器受到限制的领域，得到越来越广泛的研究和应用。光纤传感器按照其传感机理可以分为强度调制型、干涉型、光纤光栅型、光纤激光型等。然而已报道的传感器在限定振动感测方向的情况下能够很好地工作，可满足一般场合下对指定待测物结构或运转状态监测的需要。但对于未知振源、振源变化或多源振动等复杂监测对象来说(例如地震波监测)则效果不佳。为实现振动方向的准确识别，即实现振动矢量传感，现有三分量振动传感器通常需要三个独立的传感单元(例如光纤干涉仪、光纤光栅)，分别感测三维正交振动分量信息，取得了可喜的研究进展。但此类传感器通常采用组合式的应变传递结构，难以实现传感器的微型化和嵌入式感测；此外，三个独立传感单元间的噪声串扰、功率分配不均衡、相位不一致等问题为振动方向的准确识别带来难度。例如，2007年，美国加州大学尔湾分校D. H. Kim等报道了一种基于双光栅透射光强调制的光纤加速度计(D. H. Kim, M. Q. Feng. Real-time structuralhealthmonitoring using a novel fiber-optic accelerometer system[J].1EEE Sens.J.，2007,7(4) :536 543)。其方法是两光栅一个固定在加速度计壳壁上，另一个固定在质量块上。在振动作用下，两光栅作相对移动，通过光栅的光强随之变化，从而可探测振动的加速度。这种方法解调探测成本，但复用能力差，传感器结构复杂，体积大，不易集成，并且光源输出抖动直接影响探测结果。又如，意大利A. Laudati等和G. Gagliardi等分别于2007年和2008年报道了光纤光栅型地震检波器。A. Laudati等将三只波分复用的FBG分别间隔120度排列在圆管内壁，构成一支有方向性的地震检波器。同传统检波器的对比冲击测试结果表明在O. Γ ΟΗζ范围内频率响应一致(A. Laudati，F. Mennella，Μ· Giordano et al.，A fiber-optic Bragggrating seismic sensor[J] · IEEE Photon.Technol. Lett.，2007，19(24):1991 1993)。G. Gagliardi等釆用相似的传感器结构，在竖立的圆柱杆上固定了质量块和FBG，该系统本底噪声较高，最小可探测的加速度仅能达到O. lmg/Hz(G Gagliardij M Salzaj P Ferraro etal·，Design and test of alaser—based optical—fiber Bragg-grating accelerometerfor seismic applications [J] · Meas. Sc1. Technol.，2008，19(8) : 085306)。这两类传感器易于复用，但是传感器结构复杂，体积大，响应灵敏度较低，而且需要波长解调，解调设备昂
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贝O最近，加拿大卡尔顿大学J. Albert课题组于2008年报道了一种基于倾斜光纤光栅错位熔接技术实现高灵敏度振动传感的方法(T. Guo, A.1vanov, C. Chen, and J.Albert, Temperature-1ndependent tilted fiber grating vibration sensor based oncladding-core recoupling, Opt. Lett. 33(9)，2008.)此方法可利用一根光纤探头实现两个独立的能量输出，分别用于振动信息提取和光源抖动等补偿。此方法可实现对振动信息的快速实时解调，解调成本低，但此方法尚未实现对振动方向的准确鉴别。公开号为CN102636250. A的中国发明专利公开了一种光纤矢量振动传感仪，该传感仪使用写制于多模光纤的倾斜光纤光栅(tilted FBG)作为传感探头，通过分析多模倾斜光纤光栅反射谱中的高阶纤芯奇模实现矢量振动传感。该方法首次实现了正交双偏振分量的二维振动传感，但其传感机理是通过提取高阶纤芯模实现，存在的不足在于高阶纤芯模波长间距窄(仅f2nm)，需要两个高边模抑制比(优于30dB)的窄线宽滤波器提取对应模式能量，需高精密解调完成振动信息提取、增加了系统成本。于此同时，高质量倾斜光纤光栅写制具有一定难度，降低了此项技术的普及性。因此，基于保偏光纤光栅传感单元实现多维振动方向可识别的微型化、可组网传感技术尚未报道，而这种可鉴别振动方向且具有多点复用能力的高灵敏度光纤二维矢量振动传感器成为现代传感技术发展和工业应用的迫切需要。

发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种保偏光纤光栅二维矢量振动传感仪，该传感仪基于单一保偏光纤光栅传感单元的微型化、方向可识别、可组网，该装置利用保偏光纤光栅作为传感单元、采用正交偏振解调方法探测可独立感知振动正交分量信息的保偏光纤光栅正交偏振包层模式，并结合矢量合成分析方法实现基于单一光纤传感单元(保偏光纤光栅)的二维振动矢量测量。此传感仪具有不受电磁干扰、结构紧凑、成本低廉、易于组网的优点。本发明的目的通过以下的技术方案实现保偏光纤光栅二维矢量振动传感仪，包括宽带光源、偏振控制单元、传感探头和正交偏振解调单元，所述偏振控制单元、传感探头和正交偏振解调单元三者通过光纤耦合器或环形器连接；所述偏振控制单元包括起偏器和偏振控制器，宽带光源、起偏器和偏振控制器依次连接；所述传感探头包括支承构件、光纤探头和光纤导线，所述光纤探头包括保偏光纤光栅和包层-纤芯能量再耦合结构，所述光纤探头一端固定于支承构件上，另一端悬空感测振动，并通过光纤导线与光纤环形器或耦合器相连；所述包层-纤芯能量再耦合结构包括用于感测环境振动信息的保偏光纤和用于向前传导的单模光纤，二者采用保偏-单模光纤纤芯轴向对准方式熔接，在保偏光纤和单模光纤熔接处形成熔接点，保偏光纤上写制有光纤光栅；所述正交偏振解调单元包括用于提取携带振动信息的包层模能量的滤波器、用于将滤波得到的包层模分解为两正交偏振态分量的偏振分束器、用于正交偏振双参量检测的第一光电探测器和第二光电探测器、用于将光电转换得到的双通道正交偏振信息进行二维振动矢量分析的正交双偏振矢量合成器。本发明相较于现有技术，通过写制于保偏光纤内的普通光纤光栅(FBG)取代现有的倾斜光纤光栅，降低了光纤探头的写制难度。更为重要的是，本发明基于保偏光纤光栅激发的具有极高正交偏振特性的包层模获取振动信息，利用单模光纤与保偏光纤纤芯不一致特性，通过简单的纤芯对准熔接方式有效地将保偏光纤光栅反向激发的包层模耦合回单模光纤纤芯，在探头反射谱中远离纤芯模的波段(6 7nm)得到用于振动感测的双偏振包层模。该再耦合得到的包层模能量仅需要单一线宽较宽的常规滤波器即可完成正交双偏振矢量信息的提取，这样的解调系统可免受数百度温度变化的干扰，极大提高了解调系统的稳定性，并降低了系统成本。优选的，所述包层-纤芯能量再耦合结构中的保偏光纤为高双折射领结光纤，其内部光纤光栅米用相位掩模法写制，长度在5-10mm之间。更进一步的，所述包层-纤芯能量再耦合结构中的保偏光纤纤芯直径小于单模光纤。更进一步的，所述包层-纤芯能量再耦合结构中的保偏光纤纤芯直径为4飞 ，单模光纤纤芯直径在ClOum之间。采用这种结构，无需引入错位或光纤拉锥等额外操作，避免引入过大的熔接损耗和不可预知的偏振干扰，保证熔接处的机械强度和偏振稳定性。保偏光纤内的光纤光栅反向激发入射的纤芯模至光纤包层，反向传输的包层模通过保偏光纤-单模光纤熔接面再次耦合进入前端单模光纤纤芯内，进而传输至探测系统。由于待测环境振动引起光纤探头微形变，导致保偏光纤光栅内激发的偏振包层模能量分布变化，进而改变耦合进入单模光纤的能量，从而实现振动高灵敏度实时检测。采用正交偏振解调方法，可有效提取相互垂直的两个正交偏振态下包层模耦合能量随外界振动激励的动态变化信息，通过矢量合成，即可获得振动方向信息。优选的，保偏光纤和单模光纤熔接的熔接点应尽量接近保偏光纤光栅，因为包层模在进入光纤纤芯前传输损耗较大。本发明的工作过程宽带光源输出光经偏振控制单元进入传感探头，传感探头中包括保偏光纤光栅，保偏光纤光栅可实现前向传导纤芯模反向传导包层模式的有效激发，其激发包层模相对于保偏光纤光栅的写入矢量面具有极强的偏振依赖性；在此基础上，利用保偏光纤(上面写制有光纤光栅)与单模光纤(上游引导探测光纤)的纤芯采用轴向对准方式熔接方法，将保偏传感光纤内包层模式有效耦合进入上游单模光纤纤芯；环境振动信息(幅度、频率和方向等)作用于保偏光纤光栅探头，调制熔接界面的包层模与纤芯模间的耦合效率；然后正交偏振解调单元首先使用单一滤波器获取携带振动信息的再耦合包层模，再通过偏振分束器将滤波得到的包层模分束为两正交偏振态，随后通过两个光电探测器转化为电信号后进入正交双偏振矢量合成器获取振动方向、幅度和频率等信息，实现对振动信息的准确检测。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果1、本发明与已有的基于多个光纤光栅或光纤干涉仪组合方式实现振动方向感测的方法相比，首次提出采用正交偏振解调方法探测两正交偏振奇阶包层模分量，实现光纤二维矢量振动测量。本发明传感探头由单一保偏光纤光栅构成，避免多个一维传感单元组合测量的复杂结构。目前基于保偏光纤光栅的振动矢量感测方式尚无报道。区别于已报道的错位熔接法、光纤拉锥法，此发明基于保偏-单模光纤纤芯直接对准熔接方式实现包层至纤芯的无偏振依赖模式耦合，操作简单，重复性好。此外，该传感技术采用保偏光纤光栅，克服了新近报道的单模光纤内倾斜光纤光栅低阶包层模(Ghost模)混合于同一波段、难于区分的确定，并有效抑制了高阶包层模的激发，使单一传感单元占用较窄的带宽资源(几个纳米)，可实现传感器的波分复用。2、本发明与传统的单参量振动传感器相比，对环境温度变化不敏感，可克服传感器在野外恶劣环境下以及不同季节使用过程中温度变化带来的稳定性下降问题。3、本发明与直接强度调制型光纤振动传感器相比，一个传感器独立输出两组光强能量信息，其中纤芯模反射能量不敏感于振动信息，因此可以作为独立于包层模能量之外的参考信息对系统光强抖动误差进行校准，有效克服误差来源，并能够提供温度变化信息。4、本发明采用悬臂梁式固定方式，与传统两点或线面/固定方法，具有振动共振频率可调节的优点(通过改变悬梁长度)，可实现大范围频率的振动测量。5、本发明解调系统采用单一滤波器、偏振分束器、两个光电探测器、和正交双偏振矢量合成器获取振动方向、幅度和频率等信息。因为本发明装置检测到的携带振动信息的包层模与纤芯模波长间距6 7nm，因此无需采用窄带高边模抑制比滤波器，可以采用滤波带宽较宽的滤波器，极大降低了解调系统成本，并使其免受数百度温度变化的干扰，极大提高了解调系统的稳定性。解调系统集成，稳定性强。6、本发明与传统的电类传感器相比，由于其采用光纤技术，所以具有不受电磁干扰、耐腐蚀性强等优点，无电火花等安全隐患。


图1是本发明装置的结构示意图。图2 Ca)是本发明装置中传感探头的结构示意图。图2 (b)是本发明装置中传感探头的实体外观示意图。图3是正交双偏振矢量合成器的信号处理过程。图4是保偏光纤光栅振动探头反射谱和经过偏振分束得到的X轴和Y轴正交偏振分量的反射谱图。图5是经过正交偏振分束得到的保偏光纤光栅振动探头，分别对X轴和Y轴振动激励的双正交分量光强的实时输出数据图。图6是本发明的二维振动灵敏度输出曲线图。图1-3中I一宽带光源；2—起偏器；3—偏振控制器；4一光纤耦合器或环形器；5一光纤导线；6—单模光纤-保偏光纤熔接点；7—保偏光纤光栅；8滤波器；9一偏振分束器；10—第一光电探测器；11一第二光电探测器；12—正交双偏振矢量合成器。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例1如图1和2所示，本实施例所述保偏光纤光栅二维矢量振动传感仪，包括宽带光源1、偏振控制单元、传感探头和正交偏振解调单元，所述偏振控制单元、传感探头和正交偏振解调单元三者通过光纤环形器4连接。在实际应用中也可采用耦合器。所述偏振控制单元包括起偏器2和偏振控制器3，宽带光源1、起偏器2和偏振控制器3依次连接。所述传感探头包括光纤导线5和光纤探头，所述光纤探头包括保偏光纤光栅7和包层-纤芯能量再率禹合结构6,光纤探头通过光纤导线5与光纤环形器4相连；光纤环形器4输出端与正交偏振解调单元连接，所述正交偏振解调单元包括用于提取携带振动信息的包层模能量的滤波器8、用于将探测光分解为两正交偏振态分量的偏振分束器9、用于正交偏振双参量检测的第一光电探测器10和第二光电探测器11、用于将光电转换得到的双通道正交偏振信息进行二维振动矢量分析的正交双偏振矢量合成器。如图2所示，所述包层-纤芯能量再耦合结构包括用于感测环境振动信息的保偏光纤光栅7和用于向前传导的单模光纤5，二者采用保偏-单模光纤纤芯轴向对准方式熔接，在保偏光纤和单模光纤5熔接处形成熔接点6。所述保偏光纤为高双折射领结光纤，其内部光纤光栅7采用相位掩模法写制，长度约 5~1 Ommn所述包层-纤芯能量再稱合结构中的保偏光纤直径小于单模光纤。本实施例中米用保偏光纤7纤芯直径为4um,单模光纤5纤芯直径为9um。保偏光纤与单模光纤熔接点6与保偏光纤光栅7之间的间距应尽量小,本实施例为 2mm。本实施例中结合装置的结构，给出了正交双偏振矢量合成器的信号处理过程，如图3所不,第一光电探测器10输出X-轴的P-偏振模，第二光电探测器11输出Y-轴的S-偏振模，二者在正交双偏振矢量合成器进行矢量分析后得到如图3 (a)所示的结果示意图，从而获取振动方向、幅度和频率等信息。图4给出了本实施例中保偏光纤光栅振动探头反射谱和经过偏振分束得到的X轴和Y轴正交偏振分量的反射谱。图5给出了经过正交偏振分束得到的保偏光纤光栅振动探头，分别对X轴和Y轴振动激励的双正交分量光强的实时输出数据。实验结果证明，本实施例所采用的保偏光纤光栅二维矢量振动传感仪可同时输出两组正交分量(即X轴和Y轴分量)，其能量峰-峰值取决于振动激励的角度，当振动角度平行与其中一个分量时，此分量峰-峰值输出最大,与之对应的另一正交分量峰-峰值输出最小。图6给出了本实施例所述的保偏光纤光栅二维矢量振动传感仪的二维振动灵敏度输出曲线，传感仪同时输出的两个分量相互正交，并对与其平行的振动敏感、对与之垂直的振动不敏感，传感器具有极高的方向指向性和锐化的响应灵敏度。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.保偏光纤光栅二维矢量振动传感仪，其特征在于，包括宽带光源、偏振控制单元、传感探头和正交偏振解调单元，所述偏振控制单元、传感探头和正交偏振解调单元三者通过光纤耦合器或环形器连接；所述偏振控制单元包括起偏器和偏振控制器，宽带光源、起偏器和偏振控制器依次连接；所述传感探头包括支承构件、光纤探头和光纤导线，所述光纤探头包括保偏光纤光栅和包层-纤芯能量再耦合结构，所述光纤探头一端固定于支承构件上，另一端悬空感测振动，并通过光纤导线与光纤环形器或耦合器相连；所述包层-纤芯能量再耦合结构包括用于感测环境振动信息的保偏光纤和用于向前传导的单模光纤，二者采用保偏-单模光纤纤芯轴向对准方式熔接，在保偏光纤和单模光纤熔接处形成熔接点，保偏光纤上写制有光纤光栅；所述正交偏振解调单元包括用于提取携带振动信息的包层模能量的滤波器、用于将滤波得到的包层模分解为两正交偏振态分量的偏振分束器、用于正交偏振双参量检测的第一光电探测器和第二光电探测器、用于将光电转换得到的双通道正交偏振信息进行二维振动矢量分析的正交双偏振矢量合成器。
2.根据权利要求1所述的保偏光纤光栅二维矢量振动传感仪，其特征在于，所述包层-纤芯能量再耦合结构中的保偏光纤为高双折射领结光纤，其内部光纤光栅采用相位掩模法写制，长度在5-10mm之间。
3.根据权利要求2所述的保偏光纤光栅二维矢量振动传感仪，其特征在于，所述包层-纤芯能量再耦合结构中的保偏光纤纤芯直径小于单模光纤纤芯直径。
4.根据权利要求3所述的保偏光纤光栅二维矢量振动传感仪，其特征在于，所述包层-纤芯能量再耦合结构中的保偏光纤纤芯直径为r6um，单模光纤纤芯直径在flOum之间。
5.根据权利要求4所述的保偏光纤光栅二维矢量振动传感仪，其特征在于，保偏光纤和单模光纤熔接的熔接点与保偏光纤光栅之间的间距小于5mm。
全文摘要
本发明公开了一种保偏光纤光栅二维矢量振动传感仪，包括宽带光源、偏振控制单元、传感探头和正交偏振解调单元，偏振控制单元包括起偏器和偏振控制器；传感探头包括光纤探头，光纤探头包括保偏光纤光栅和包层-纤芯能量再耦合结构，用于感测环境振动信息，保偏光纤光栅写制于保偏光纤，包层-纤芯能量再耦合结构采用保偏-单模光纤纤芯轴向对准方式熔接；正交偏振解调单元包括滤波器、偏振分束器、两个光电探测器和正交双偏振矢量合成器；偏振控制单元、传感探头和正交偏振解调单元三者通过光纤环形器或耦合器连接。本发明可实现基于单一光纤光栅的二维振动方向识别，具有灵敏度高、结构紧凑、成本低廉、易于组网的优点。
文档编号G01H9/00GK103017886SQ201210510350
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月3日 优先权日2012年12月3日
发明者郭团, 关柏鸥, J.艾伯特, 谭华耀, 尚立斌, 刘甫 申请人:暨南大学