专利名称：光纤光栅法布里-珀罗腔振动传感器及其振动测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤光栅法布里-珀罗腔振动传感器及其振动测量系统，用于测量 物体微弱振动的频率和幅度，属于光纤传感技术领域。
背景技术：
微弱振动的测量在微机电系统、土木建筑、公路桥梁、电力设备、起搏器控制、 地震波、精密隔振平台检测等领域均有广泛应用。例如，通过对设备工作时产生的微 弱振动的实时监测，判断其工作状态是否异常，及时排除故障，避免事故的发生。
传统振动传感器， 一般采用电学量进行传感，这类传感器在室外环境中工作可靠 性差，容易受到电磁干扰，且信号不能进行远距离传输。光纤振动传感器相比于传统 的振动传感器，具有良好的电磁绝缘性，结构小巧，质量轻，同时具有良好的耐久性 与抗化学侵蚀能力，因而受到普遍关注。
光纤光栅法布里-珀罗(F-P)腔是在氢载光纤中用紫外光曝光，在纤芯中相隔一 定距离的两处写入两个参数相同的空间相位光栅(又称布拉格光栅)。这样，当满足光 栅反射条件的某个特定波长(被称为布拉格波长)的光信号入射时，会被耦合成反射 与透射光波，从而使得光波在两栅之间形成振荡。利用光纤光栅F-P腔进行物理量感
知的基本原理是温度、应变等物理量的变化会引起两光栅之间所构成的F-P腔的腔
长变化，从而引起F-P腔输出光信号干涉峰的移动。当用窄带光源进行照明时，通过 检测反射光光强的变化，就可以获得相应的温度与应变的信息。
光纤振动传感器中，以光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器的形式居多，该类型 的振动传感器，因结构简单、成本低廉、制作方便等优点受到欢迎。但单FBG振动传 感器的最大缺点就是测量精度有限，对于微弱振动信号的探测能力不足。同时，多数的FBG振动传感器都是对波长进行解调，而对于大多数的波长解调仪，其最高响应频
率仅为几赫兹，无法对较高频率的振动信息进行测量，且波长解调设备的价格普遍比 较昂贵，因而限制了其发展。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种光纤光栅法布里-珀罗腔振动传感
器及其振动测量系统，可通过光纤光栅F-P腔反射回的光信号振幅和频率与被测微弱
振动信号的频率和幅度的对应关系，达到对振动信号感知与测量的目的。
技术方案
本发明的技术思想是利用粘贴在悬臂梁结构上的光纤光栅F-P腔，通过探测由 于振动引起的光纤光栅F-P腔反射光强的周期性变化信息，来感测物体的微弱振动信
息。测量时，将固定悬臂梁的传感器支架放置在被测物体上，当被测物体发生微小振 动时，悬臂梁随被测物体作受迫振动，而悬臂梁连接质量块的一端，因受惯性力的作
用，引起悬臂梁表面发生周期性的伸縮应变，使得粘贴于悬臂梁表面的光纤光栅F-P 腔的腔长发生周期性变化，从而引起F-P腔反射光信号干涉峰发生相应的移动。这样， 当采用窄带光源时，经光纤光栅F-P腔反射的光信号的强度会发生周期性变化，利用 光电探测装置与解调系统测量光信号强度变化的频率与幅度，即可确定出被测物体振 动的频率与幅度，且探测到的光信号强度幅值与待测物体振动幅度成线性关系，而光 信号频率与物体振动频率严格相等。
一种光纤光栅法布里-珀罗腔振动传感器，技术特征在于包括光纤光栅F-P腔1、 悬臂梁2、质量块3和支架4;光纤光栅F-P腔1粘贴在悬臂梁2中部位置之上；悬 臂梁2—端固定在支架4上，另一端连接质量块3;所述悬臂梁2为等强度悬臂梁。一种利用上述的振动传感器测量振动信号的测量系统，其特征在于包括强度解调 型光纤光栅法布里-珀罗腔振动传感器、单模光纤8、光纤环形器5、光纤折射率匹配
液7、窄带光源9和光电探测装置6;强度解调型光纤光栅法布里-珀罗腔振动传感器 的一侧伸入光纤折射率匹配液7中，另一侧通过单模光纤8与光纤环形器5的B端口 相连，环形器5的A端连接窄带光源9，环形器5的C端连接光电探测装置6。
所述窄带光源9采用分布反馈式(又称DFB激光器)半导体激光器，其-3dB带 宽〈10MHz。
有益效果
本发明的光纤光栅法布里-珀罗腔振动传感器及其振动测量系统，由于采用了光纤 光栅F-P腔，而光信号在F-P腔中共振而形成干涉峰，会使得探测的精度大大提高。 同时采用窄带光源照射的强度解调方式，可以使传感器探测的频率从几赫兹延拓至数 百赫兹。能够同时实现对微弱振动信号频率与振幅的测量，提高了测量精度，增加了 对振动频率的探测范围，而且通过调整光纤光栅F-P腔的参数和F-P腔的粘贴位置， 可以改变该振动传感器的灵敏度和量程。同时该传感器采用光信号强度解调，精度高， 响应快，成本低廉，且结构简单，安装方便、电磁绝缘性好等。
图1为本发明提出的光纤光栅F-P腔振动传感器结构的侧视图； 图2为本发明提出的光纤光栅F-P腔振动传感器结构的俯视图； 图3为利用本发明的光纤光栅F-P腔振动传感器测量振动信号的测量系统原理图； 其中i一光纤光栅F-p腔，2—悬臂梁，3—质量块，4—支架，5—光纤环形器(或
光纤耦合器)，6—光电探测装置，7—光纤折射率匹配液，8—单模光纤，9一窄带光源，
a、 b—F-P腔粘贴处。现结合实施例、附图对本发明作进一步描述
本发明实施例的光纤光栅F-P腔振动传感器参阅附图1和附图2。
将光纤光栅F-P腔1的两端粘贴在等强度悬臂梁2中部位置之上，悬臂梁2的一 端固定于支架4上，另一端固定一质量块3。其中光纤光栅F-P腔的反射率小于5。/。。 悬臂梁釆用长度为60mm，与支架固定的一端宽度为25mm，厚度为2mm的等腰三角 形弹性钢板。质量块采用尺寸为5x5x5mm的铝块。
本发明实施例的测量系统见附图3。
光纤光栅F-P腔振动传感器中的光纤末端伸入光纤折射率匹配液7中，另一侧通 过单模光纤8与光纤环形器5的B端相连；光纤环形器5的两个端口 A端连接窄带 光源9， B端通过单模光纤8与光电探测装置6相连。窄带光源9采用DFB激光器， 其-3dB带宽^OMHz。光电探测装置采用光电二极管与示波器或数据采集卡和计算机 相连。
当传感器置于振动环境中时，质量块3在惯性力作用下产生了相对于支架4的运 动，即在与悬臂梁2相固定的一端产生了作用力矩，悬臂梁2在上述力矩作用下产生 挠曲，进而在其表面产生相应的应变，使粘贴在其表面的光纤光栅F-P腔1产生同步 的拉伸或压縮，造成了光纤光栅F-P腔1反射光信号干涉峰的移动，当光源9发出的 窄带光信号进入光纤光栅F-P腔1后，经其反射得到的光信号强度就会受到振动信号 的调制。
若待测物体的振动幅度为為，振动频率为"，则物体的振动位移表达式为
J(O = 4 sin奴
不计悬臂梁自重的影响，同时忽略受迫振动的相位延迟，则质量块3的受迫振动位移方程为<formula>formula see original document page 7</formula>
式中，7= /納为被测物体振动频率^与悬臂梁共振频率^之比，^=為/〖为被测物体 振幅^与悬臂梁等效刚度系数《的比值，一表示强迫振动的幅值。
由力学知识，悬臂梁2表面的伸縮应变e与质量块3距平衡位置的位移;c的关系为
其中，W为悬臂梁的厚度，L为悬臂梁的长度。
当腔长A的变化限制在小于十分之一波长的较小范围时，光纤光栅F-P腔1的反 射光信号强度/^与腔长变化量^的关系可以简化为如下近似线性关系
、^ ^
其中，/o为采用窄带光源9照射时的入射光信号强度，7 g为光纤光栅的反射率，weff
为光纤的有效折射率，^47^effi g/义为光纤光栅F-P腔l的线性参量。
则测量振动时，光电探测装置6所接收到的光强表达式为<formula>formula see original document page 7</formula>
即可得到光强/zj与被测物体振幅^)，以及光强变化频率w与振动频率w的关系
<formula>formula see original document page 7</formula>其中<formula>formula see original document page 7</formula>为一线性比例系数，/R^x为光电探测装置得到的最大光强信号。
一线性比例系数y5的通过实验标定得到在实际测量前，对本发明测量系统加载一个已知的振动信号，将已知振动信号的幅度和光电探测装置6所接收到的光强最大 值相除得到线性比例系数/ 值。
由以上关系可以得到待测物体的振动幅度Ao与光电探测装置6得到的最大光强信 号4max成线性关系，振动频率W与探测到的光信号频率^一致。
综上，在实际测量过程中，将该传感器放置或固定在待测物体上，窄带光源(如
DFB激光器)发出的光信号通过光纤环形器进入光纤光栅F-P腔中，经其反射的光信
号再经光纤环形器到达光电探测装置中。当待测物体不存在振动时，传感器输出的光
信号强度稳定；当待测物体存在微弱振动时，光电探测装置得到的光信号将会受到物 体振动频率和幅度的调制，最终将探测到的光强信号转化为电信号，送入计算机或DSP 处理器中，以线性比例系数々变换后，直接显示出被测物体微弱振动的频率和幅度信息。
权利要求
1.一种光纤光栅法布里-珀罗腔振动传感器，其特征在于包括光纤光栅F-P腔(1)、悬臂梁(2)、质量块(3)和支架(4)；光纤光栅F-P腔(1)粘贴在悬臂梁(2)中部位置之上；悬臂梁(2)一端固定在支架(4)上，另一端连接质量块(3)；所述悬臂梁(2)为等强度悬臂梁。
2. —种利用权利要求1所述的振动传感器测量振动信号的测量系统，其特征在于包 括强度解调型光纤光栅法布里-珀罗腔振动传感器、单模光纤(8)、光纤环形器(5)、 光纤折射率匹配液(7)、窄带光源(9)和光电探测装置(6);强度解调型光纤光 栅法布里-珀罗腔振动传感器的一侧伸入光纤折射率匹配液(7)中，另一侧通过单 模光纤(8)与光纤环形器(5)的B端口相连，环形器(5)的A端连接窄带光源(9)，环形器(5)的C端连接光电探测装置(6)。
3. 根据权利要求2所述的测量振动信号的测量系统，其特征在于所述窄带光源(9) 采用分布反馈式半导体激光器，其-3dB带宽〈10MHz。
全文摘要
本发明涉及一种光纤光栅法布里-珀罗腔振动传感器及其振动测量系统，技术特征在于光纤光栅F-P腔粘贴在悬臂梁中部位置之上；悬臂梁一端固定在支架上，另一端连接质量块。利用传感器的测量系统，其特征在于强度解调型光纤光栅法布里-珀罗腔振动传感器的一侧伸入光纤折射率匹配液中，另一侧通过单模光纤与光纤环形器的B端口相连，环形器的A端连接窄带光源，环形器的C端连接光电探测装置。由于采用了光纤光栅F-P腔，而光信号在F-P腔中共振而形成干涉峰，会使得探测的精度大大提高。同时采用窄带光源照射的强度解调方式，可以使传感器探测的频率从几赫兹延拓至数百赫兹。能够同时实现对微弱振动信号频率与振幅的测量，提高了测量精度。
文档编号G01H9/00GK101620003SQ200910023528
公开日2010年1月6日 申请日期2009年8月7日 优先权日2009年8月7日
发明者姜碧强, 成振龙, 帆 樊, 赵建林 申请人:西北工业大学