[發(fā)明專利]包層光纖光柵振動(dòng)傳感儀

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410627882.4
• 申請(qǐng)日: 2014-11-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104390694B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 喬學(xué)光;榮強(qiáng)周;包維佳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北大學(xué)
• 主分類號(hào): G01H9/00
• 分類號(hào): G01H9/00
• 代理公司: 西安永生專利代理有限責(zé)任公司61201
• 代理人: 申忠才

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到光纖光柵振動(dòng)傳感器。

背景技術(shù)

作為一種新型的光無(wú)源器件，光纖光柵加速度傳感器具有許多電磁類加速度傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn),如靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、不受電磁干擾、抗腐蝕、傳輸損耗小、可靠性高、體積小、重量輕等特點(diǎn)，而且具有傳感信號(hào)不受光源起伏、光路損耗等因素的影響，抗干擾能力強(qiáng)、傳感探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于使用波分復(fù)用技術(shù)而形成分布式測(cè)量等特點(diǎn)。因此光纖光柵加速度傳感器也成為了一個(gè)新的研究和發(fā)展的方向。光纖檢波器已從地層幾千米深的油氣資源地質(zhì)勘探研究，拓展到地層萬(wàn)米深的天然地震波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，探索天然地震災(zāi)害、次生災(zāi)害、地質(zhì)滑坡以及橋梁、大壩、公路破損等預(yù)警預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)，具有十分重要的科學(xué)技術(shù)研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。

光纖類加速度傳感器采用光纖傳感技術(shù)來(lái)測(cè)量慣性質(zhì)量塊與傳感器基座的相對(duì)位移，如光彈效應(yīng)法、光強(qiáng)波動(dòng)法、干涉法、布拉格光柵法、多普勒效應(yīng)法等。一般當(dāng)光纖的長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，光纖中傳輸?shù)墓獾南辔换蛘穹鶎l(fā)生相應(yīng)的變化。光纖類加速度傳感器就是利用光纖的這種特性，外界的振動(dòng)加速度會(huì)引起光纖長(zhǎng)度的變化，進(jìn)而引起傳輸光的相位或振幅的變化，通過(guò)光學(xué)方法檢測(cè)出傳輸光的相位或振幅的變化即能檢測(cè)出外界的振動(dòng)加速度。但對(duì)于未知振源、振源變化或多源振動(dòng)等復(fù)雜監(jiān)測(cè)對(duì)象來(lái)說(shuō)(例如地震波監(jiān)測(cè))，振動(dòng)方向的準(zhǔn)確識(shí)別起到至關(guān)重要的作用，即實(shí)現(xiàn)振動(dòng)矢量傳感。已報(bào)道的三分量振動(dòng)傳感器通常需要三個(gè)獨(dú)立的傳感單元(例如光纖干涉儀、光纖光柵)，分別感測(cè)三維正交振動(dòng)分量信息，取得了可喜的研究進(jìn)展。但此類傳感器通常采用組合式的應(yīng)變傳遞結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)傳感器的微型化和嵌入式感測(cè)；此外，三個(gè)獨(dú)立傳感單元間的噪聲串?dāng)_、功率分配不均衡、相位不一致等問(wèn)題為振動(dòng)方向的準(zhǔn)確識(shí)別帶來(lái)難度。

隨著光纖光柵傳感技術(shù)的發(fā)展和材料學(xué)以及加工技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外科研人員設(shè)計(jì)了多種性能優(yōu)異的光纖布拉格光柵加速度傳感器。1996年美國(guó)的Berkoff和Kersey提出了一種FBG嵌入式加速度傳感器的設(shè)計(jì)，即將FBG嵌入安裝在橡膠材料層中，橡膠材料層介于質(zhì)量塊和剛性基座之間。該傳感器主要是基于FBG的壓力效應(yīng)，當(dāng)質(zhì)量塊感受到外界的慣性力時(shí)會(huì)引起橡膠材料層的橫向變形，最終導(dǎo)致FBG應(yīng)變的產(chǎn)生而使中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移。然而正是由于FBG嵌入式的安裝使得此種方法設(shè)計(jì)的加速度傳感器很容易受橫向振動(dòng)的干擾，此外振動(dòng)過(guò)程中容易引起光纖的雙折射效應(yīng)致使反射譜的譜峰分裂從而大大降低了測(cè)量精度。1998年美國(guó)海軍研究所(Naval Research Laboratory,NRL)的Todd等人設(shè)計(jì)了一種基于雙撓性梁作為轉(zhuǎn)換器的FBG加速度傳感器，將FBG粘貼在第二個(gè)矩形梁的下表面，質(zhì)量塊通過(guò)點(diǎn)接觸焊接在兩矩形梁中間。當(dāng)質(zhì)量塊感受到外界的慣性力時(shí)會(huì)使兩個(gè)矩形梁產(chǎn)生撓度，最終導(dǎo)致FBG應(yīng)變的產(chǎn)生而使中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移。上述檢波器主要通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將外界振動(dòng)信號(hào)傳遞給光纖，這類檢波感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，不具有方向識(shí)別性，而且解調(diào)已波長(zhǎng)漂移解調(diào)為主，解調(diào)費(fèi)用高。最近，加拿大卡爾頓大學(xué)J.Albert課題組于2008年報(bào)道了一種基于傾斜光纖光柵錯(cuò)位熔接技術(shù)實(shí)現(xiàn)高靈敏度振動(dòng)傳感的方法此方法可利用一根光纖探頭實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的能量輸出，分別用于振動(dòng)信息提取和光源抖動(dòng)等補(bǔ)償。此方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信息的快速實(shí)時(shí)解調(diào)，解調(diào)成本低，但此方法尚未實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)方向的準(zhǔn)確鑒別。因此，一種具有方向識(shí)別性的高靈敏且具有潛在復(fù)用能力的光纖檢波器成為現(xiàn)代傳感技術(shù)發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用的迫切需要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服上述光纖光柵傳感器3的缺點(diǎn)，提供一種方向識(shí)別性好、不受電磁干擾、結(jié)構(gòu)緊湊、產(chǎn)品成本低、易于組網(wǎng)的基于強(qiáng)度解調(diào)的包層光纖光柵振動(dòng)傳感儀。

解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：半導(dǎo)體激光器通過(guò)單模光纖與光纖環(huán)形器相連，光纖環(huán)形器通過(guò)單模光纖與光纖光柵傳感器和光纖波分復(fù)用器相連，光纖波分復(fù)用器通過(guò)單模光纖與包層光柵光電探測(cè)器和纖芯光柵光電探測(cè)器相連,包層光柵光電探測(cè)器和纖芯光柵光電探測(cè)器通過(guò)同軸電纜與示波器相連。

本發(fā)明的傳感器為：與光纖環(huán)形器連接的單模光纖端部與細(xì)芯光纖相連，細(xì)芯光纖上刻寫有纖芯光柵，光纖包層上刻寫有包層光柵。

本發(fā)明的纖芯光柵的波長(zhǎng)為1520～1620nm，纖芯光柵的波長(zhǎng)與包層光柵的波長(zhǎng)差為8nm。

本發(fā)明的纖芯光柵的波長(zhǎng)最佳為1563nm，纖芯光柵的波長(zhǎng)與包層光柵的波長(zhǎng)差為8nm。

本發(fā)明的纖芯光柵的長(zhǎng)度與包層光柵的長(zhǎng)度相等，包層光柵與纖芯光柵位于同一軸向長(zhǎng)度位置平行排列。