专利名称：基于mmf-tfbg光纤结构的高灵敏低频振动传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于MMF-TFBG光纤结构的高 灵敏低频振动传感器。
背景技术：
振动普遍存在于人们的日常生活和生产中，随着国民经济的不断发展，当代工程 中各种机械系统，如大型发电设备，重型机械，船舶，航空航天设备等，都不断向着高速、 高准确度方向发展。为保证设备良好的性能以及可靠的寿命，振动问题已成为必须认真研 究和解决的重要课题，振动的测量与分析技术在工程应用和科学测量中占有十分重要的 地位。以压电式，电磁式以及半导体式为代表的传统振动传感器以其原理简单、测量准确 度高、成本低等优点被广泛应用。但在强电磁干扰或易燃易爆的场合下，基于电信号测量 的传统振动传感器难以进行有效测量，因此传统的振动传感器已无法满足现代科学技术发 展的需要。与传统的机械式、电磁式传感器相比光纤传感器具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗 电磁干扰、适于易燃易爆环境下使用以及便于多点多参量测量等优点。用光纤作为振动测 量媒介的机理有很多，如基于光纤端面反射的光纤振动传感器、基于布拉格光纤光栅(FBG) 的振动传感器和基于长周期光纤光栅的振动传感器等。然而，基于光纤端面反射的光纤振 动传感器由于其检测精度较低，无法应用于高灵敏度的检测领域。而基于布拉格光纤光栅 的振动传感器多采用波长调制，检测精度虽然高但是解调设备价格昂贵，不易于普遍推广 使用。长周期光纤光栅振动传感器由于其对弯曲等物理量极度敏感，在振动检测过程中极 易引入无法预见的干扰，因此对测量条件要求较苛刻。倾斜光纤光栅是一种新型的光纤光栅结构，其光栅条纹与光纤轴向存在一定角 度。这种特殊的光栅结构使它在背向产生许多在包层中传输的的包层模，具有检测灵敏度 高，同时由于采用强度调制，可解决温度效应引起交叉敏感问题等其他光纤光栅传感器无 法比拟的优点。本实用新型就是利用倾斜光纤光栅包层模的高灵敏性来实现对振动的传 感。
实用新型内容针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种结构紧凑、成本低 廉、灵敏度高的基于MMF-TFBG光纤结构的高灵敏低频振动传感器的技术方案。所述的基于MMF-TFBG光纤结构的高灵敏低频振动传感器，其特征在于包括铒放 大自发辐射宽带光源、三端口光循环器、多模光纤、刻有倾斜光纤光栅的单模光纤、滤波器 和光电检测器件，所述的多模光纤的两端分别与标准的单模光纤和刻有倾斜光纤光栅的单 模光纤无偏心熔接，构成传感装置的传感探头，所述的三端口光循环器的a端与铒放大自 发辐射宽带光源相连，b端与传感探头相连，c端连接滤波器，滤波器的另一端连接光电检 测器件。[0007]所述的基于MMF-TFBG光纤结构的高灵敏低频振动传感器，其特征在于所述的多 模光纤长度为1- 2 mm，包层直径为125 μ m，纤芯直径为105 μ m。所述的基于MMF-TFBG光纤结构的高灵敏低频振动传感器，其特征在于所述的刻 有倾斜光纤光栅的单模光纤是刻蚀在普通的标准单模光纤上制成的，栅区长度为2cm，光栅 周期为1066μπι，光栅条纹与光纤轴线夹角约为3° -7°。本实用新型与现有技术相比存在如下优点倾斜光纤光栅的反射回来的包层模通 过多模光纤重新耦合进入单模光纤纤芯，从而导致由三端口光环形器的c端口输出的光谱 中不仅存在有产生的布拉格谐振峰，还存在倾斜光纤光栅的许多包层模的谐振峰。滤波器 过滤掉倾斜光纤光栅的布拉格谐振峰，最终光电检测器件检测到倾斜光纤光栅的包层模的 谐振峰光功率，这些包层模对外界的震动很敏感，所以通过分析光电检测器的输出光功率， 就可以解调出振动信息。由于采用普通的光电检测器件进行强度直接检测，成本低廉；用于 传感部分的光纤传感探头总长仅有不到3cm，相比于其他振动传感器，其结构被大大缩小， 因此该器件结构紧凑，体积小，可广泛应用于各种振动监测领域。
图1是本实用新型结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本实用新型做进一步说明如图所示，基于MMF-TFBG光纤结构的高灵敏低频振动传感器，包括铒放大自发辐 射宽带光源1、三端口光循环器2、多模光纤3、刻有倾斜光纤光栅的单模光纤4、滤波器5和 光电检测器件6，所述的多模光纤3的两端分别与标准的单模光纤和刻有倾斜光纤光栅的 单模光纤4无偏心熔接，构成传感装置的传感探头，所述的三端口光循环器2的a端与铒放 大自发辐射宽带光源1相连，b端与传感探头相连，c端连接滤波器5，滤波器5的另一端连 接光电检测器件6。所述的传感探头由一段1-2 mm长的多模光纤(MMF)和刻有2cm长倾斜光纤光栅 (IFBG)的单模光纤熔接而成。多模光纤将倾斜光纤光栅反射的包层模重新耦合到单模光纤 的纤芯中，最终经三端口光环形器的c端口输出。滤波器过滤掉输出光谱中由倾斜光纤光 栅产生的布拉格谐振峰，使光电探测器能探测到倾斜光纤光栅包层模谐振峰的光功率。本实用新型的工作方式为铒放大自发辐射宽带光源BBS发出的光经三端口光循 环器的a端口输入到三端口光循环器，由三端口光循环器自身特性所致，光由其b端口输出 并进一步输入到多模光纤中，最终传输到倾斜光纤光栅，倾斜光纤光栅反射光由布拉格谐 振峰和许多包层模谐振峰组成，如果不加入任何装置，这些包层模经过短距离的传输后泄 漏到光纤外部。通过多模光纤将这些包层模重新耦合到单模光纤纤芯中，使得由三端口光 循环器的c端输出的光谱中既有由倾斜光纤光栅形成的布拉格谐振峰又有许多包层模的 谐振峰。由于倾斜光纤光栅的布拉格谐振峰对振动并不敏感，利用滤波器将其过滤掉，使得 光电检测器件只能检测到包层模谐振峰的光功率变化。当外界发生振动时或振动频率发生 变化时，传感探头的振动情况也会随之变化，包层模在进入多模光纤前是在光纤包层中传 输，所以极易受外界振动影响，这样通过光电检测器件检测输出光的功率状况，就可以解调出振动信息。本实用新型能够实现高灵敏度测振动的关键为所使用的多模光纤可以将倾斜光 纤光栅包层模重新耦合到单模光纤纤芯中，同时由于包层模在包层中传输，对外界振动很 敏感，使得通过多模光纤耦合到纤芯的光谐振峰拥有较大光功率变化，从而提高测振动时 的灵敏度；输出光信号由普通光电检测器件检测，大大降低了装置的制造成本。本实施例中，选用的多模光纤长度为约l_2mm，包层直径为125 μ m，纤芯直径为 105 μ m ；刻有倾斜光纤光栅的单模光纤是刻蚀在普通的标准单模光纤上制成的，倾斜光纤 光栅的栅区长度约2cm，光栅条纹与光纤轴线夹角为3° -7°，光栅周期为1066 μ m;传感器 振动频率测量范围为O-lOOHz，测量偏差在1%以下。
权利要求1.基于MMF-TFBG光纤结构的高灵敏低频振动传感器，其特征在于包括铒放大自发辐 射宽带光源(1)、三端口光循环器(2)、多模光纤(3)、刻有倾斜光纤光栅的单模光纤(4)、滤 波器(5)和光电检测器件(6)，所述的多模光纤(3)的两端分别与标准的单模光纤和刻有倾 斜光纤光栅的单模光纤(4)无偏心熔接，构成传感装置的传感探头，所述的三端口光循环器 (2)的a端与铒放大自发辐射宽带光源(1)相连，b端与传感探头相连，c端连接滤波器(5)， 滤波器(5)的另一端连接光电检测器件(6)。
2.根据权利要求1所述的基于MMF-TFBG光纤结构的高灵敏低频振动传感器，其特征在 于所述的多模光纤(3)长度为1- 2 mm，包层直径为125 μ m，纤芯直径为105 μ m。
3.根据权利要求1所述的基于MMF-TFBG光纤结构的高灵敏低频振动传感器，其特征在 于所述的刻有倾斜光纤光栅的单模光纤(4)是刻蚀在普通的标准单模光纤上制成的，栅区 长度为2cm，光栅周期为1066 μ m，光栅条纹与光纤轴线夹角约为3° -7°。
专利摘要本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于MMF-TFBG光纤结构的高灵敏低频振动传感器。本实用新型三端口光循环器的a端与铒放大自发辐射宽带光源相连接，b端与振动传感探头连接，c端与滤波器连接，滤波器另一输出端口连接光电检测器件。振动传感探头由一段1-3mm长的多模光纤和一段刻有约2cm长倾斜光纤光栅的单模光纤熔接而成。当外界发生振动时或振动频率发生变化时，倾斜光纤光栅包层模受振动影响，导致耦合到单模光纤纤芯中的包层模光功率发生变化，通过光电检测器件检测输出光的功率情况，就可以解调出振动信息。本实用新型的体积小，成本低，结构简单，直接强度检测，可广泛应用于高灵敏度振动监测领域。
文档编号G02B6/02GK201892569SQ201020618008
公开日2011年7月6日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者梁厚慧, 王剑峰, 赵宇, 金永兴, 龚华平 申请人:中国计量学院