专利名称：光纤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。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。由于其具有以上优点，因而得到越来越广泛的研究和应用。经过近30年的发展，光纤振动传感技术取得了较快的发展，各种新颖的传感原理与新型结构设计被报道并应用于实际测试环境，其中尤以强度调制型、干涉型、光纤光栅型、光纤激光型为代表。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)，振动方向的准确识别起到至关重要的作用，即实现振动矢量传感。已报道的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 structural health monitoringusing a novel fiber-optic accelerometer system[J]. IEEE 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. I IOHz范围内频率响应一致(A. Laudati,F. Mennella,M. Giordano et al. ,A fiber-optic Bragggrating seismic sensor[J]. IEEE Photon.Technol. Lett. ,2007,19(24) :1991 1993)。G. Gagliardi等采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0. lmg/Hz (G Gagliardi,M Salza,P Ferraro etal. , Design and test of a laser-based optical-fiber Bragg-grating accelerometerfor seismic applications [J]. Meas. Sci. 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，解调设备昂贵。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. Ivanov, C. Chen, and J. Albert.Temperature-independent 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。因此，一种可鉴别振动方向且具有多点复用能力的高灵敏度光纤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。近几年，我国的清华大学、天津大学、中科院半导体所、国防科大、南开大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、武汉理工大学、电子科技大学、北京航空航天大学、大连理工大学、重庆大学、山东大学、西北大学、中国计量学院等单位也开展了相关研究，并取得了可喜的进展。但基于单一光纤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。
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，提供一种光纤矢量振动传感仪，该传感仪基于单一光纤传感单元的微型化、方向可识别、可组网，该装置利用新型多模倾斜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倾斜光纤光栅正交偏振奇阶包层模式，并结合矢量合成分析方法实现基于单一光纤传感单元(倾斜光纤光栅)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光纤矢量振动传感仪，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环形器或耦合器连接；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撑构件、外壳、聚合物弹性管、光纤探头和光纤导线，所述光纤探头包括多模倾斜光纤光栅和包层-纤芯能量再耦合结构，所述聚合物弹性管外侧由外壳保护，聚合物弹性管一端固定于支承构件上，另一端悬空感测振动，光纤探头封装在聚合物弹性管内，并通过光纤导线与光纤环形器或耦合器相连；所述正交偏振解调单元包括用于将探测光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滤波器和第一光电探测器、第二滤波器和第二光电探测器，第一滤波器和第一光电探测器依次连接，第二滤波器和第二光电探测器依次连接，第一滤波器和第二滤波器分别与偏振分束器输出端连接。具体的，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多模光纤段和用于向前传导的单模光纤段，二者采用多模-单模光纤纤芯轴向对准方式熔接，在多模光纤段和单模光纤段熔接处形成熔接点，多模光纤段上写制有多模倾斜光纤光栅。采用这种结构是用于克服传统单模光纤内倾 斜光纤光栅低阶包层模(又称Ghost模)混合于同一波段，难于区分；而基于多模光纤的倾斜光纤光栅的低阶包层模在光谱上相互分立，奇偶模式清晰，便于滤波解调。 更进一步的，所述多模倾斜光纤光栅采用倾斜角度为1-3度的倾角光栅。这一倾角范围即保证充足的低级包层模激发用于提供振动信息，同时保持较强的纤芯反射模用于提供环境温度信息和光强校准，并且有效抑制高阶包层模激发，使整个光栅占用较窄的带宽资源，以利于传感器的波分复用。优选的，所述包层-纤芯能量再耦合结构中的多模光纤段纤芯直径为50um，单模光纤段纤芯直径在8 IOum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。多模光纤内的倾斜光纤光栅反向激发前向传输的纤芯模至光纤包层，反向传输的包层模通过多模光纤-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，导致多模倾斜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，多模光纤段和单模光纤段熔接的熔接点与多模倾斜光纤光栅之间的间距为小于5_。因为包层模在进入光纤纤芯前传输损耗较大，因此熔接点应尽量接近多模倾斜光纤光栅。间距小于5mm效果较好。优选的，所述聚合物弹性管采用高弹性聚乙烯材料。因为含有多模倾斜光纤光栅和熔接点的光纤探头封装于聚合物弹性管中，所以弹性管要求具有较高的弹力回复性和机械强度，而高弹性聚乙烯材料能够很好达到要求。优选的，所述聚合物弹性管与包层-纤芯能量再耦合结构之间的空隙通过固化胶固化。例如环氧丙烯酸酯胶等，用以增强弹性管应变快速有效的传递至内部光纤光栅，提高应变一致性。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，传感探头中包括多模倾斜光纤光栅，多模倾斜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倾斜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，利用多模光纤(上面写制有倾斜光纤光栅)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，将多模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)作用于多模倾斜光纤光栅探头，调制熔接界面的包层模与纤芯模间的稱合效率；通过正交偏振方法探测反向稱合光谱的正交偏振奇模式能量，实现对振动信息(方向、幅度及频率)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I、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，实现光纤振动矢量测量。本发明传感探头由单一多模倾斜光纤光栅构成，避免多个一维传感单元组合测量的复杂结构。目前基于多模倾斜光纤光栅的振动矢量感测方式尚无报道。与此同时，区别于已报道的错位熔接法、光纤拉锥法，此发明基于多模-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，该传感技术采用小倾角多模倾斜光纤光栅，克服了传统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等优点。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、本发明与干涉型光纤振动器相比，具有易于复用和组网的优点。
图I是本发明装置的结构示意图；图2是本发明装置中传感探头的结构示意图。图1-2中1-宽带光源；2_起偏器；3_偏振控制器；4_光纤环形器；5_聚合物弹性管；6_单模光纤-多模光纤熔接点；7_固化胶；8_多模倾斜光纤光栅；9_单模光纤段；10-多模光纤段；11-偏振分束器；12-第一滤波器；13-第一光电探测器；14-第二滤波器；15-第二光电探测器；16-光纤导线。
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I如图I和2所示，光纤矢量振动传感仪，包括宽带光源I、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；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I、起偏器2和偏振控制器3依次连接；所述传感探头包括支撑构件、外壳、聚合物弹性管5、光纤探头和光纤导 线16，所述光纤探头包括多模倾斜光纤光栅8和包层-纤芯能量再耦合结构，所述聚合物弹性管5外侧由外壳保护，聚合物弹性管5 —端固定于支承构件上，另一端悬空感测振动，光纤探头封装在聚合物弹性管5内，并通过光纤导线16与光纤环形器4相连；所述正交偏振解调单元包括用于将探测光分解为两正交偏振态分量的偏振分束器11、用于正交偏振双参量检测的第一滤波器12和第一光电探测器13、第二滤波器14和第二光电探测器15,第一滤波器12和第一光电探测器13依次连接，第二滤波器14和第二光电探测器15依次连接，第一滤波器12和第二滤波器14分别与偏振分束器11输出端连接。
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多模光纤段10和用于向前传导的单模光纤段9，二者采用多模-单模光纤纤芯轴向对准方式熔接，在多模光纤段10和单模光纤段9熔接处形成熔接点6，多模光纤段10上写制有多模倾斜光纤光栅8。采用这种结构可克服传统单模光纤内倾斜光纤光栅低阶包层模混合于同一波段、难于区分的问题，充分利用多模光纤的倾斜光纤光栅低阶包层模相互分立，奇偶模式清晰，便于滤波解调的特点。所述多模倾斜光纤光栅8采用倾斜角度为2度的倾角光栅。所述包层-纤芯能量再稱合结构中的多模光纤段10纤芯直径50um,单模光纤段9纤芯直径在8 IOum之间。本实施例中采用直径为9um。多模光纤段10和单模光纤段9熔接的熔接点6与多模倾斜光纤光栅8之间的间距为2臟。所述聚合物弹性管5采用高弹性聚乙烯材料。所述聚合物弹性管5与包层-纤芯能量再耦合结构之间的空隙通过固化胶7固化。本实施例中采用环氧丙烯酸酯胶，用以增强弹性管应变快速有效的传递至内部光纤光栅，提高应变一致性。实施例2本实施例除下述特征外其他结构同实施例I :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耦合器连接。所述多模倾斜光纤光栅8采用倾斜角度为3度的倾角光栅。所述多模光纤段10和单模光纤段9熔接的熔接点6与多模倾斜光纤光栅8之间的间距为3mm。实施例3本实施例除下述特征外其他结构同实施例I :所述多模倾斜光纤光栅8采用倾斜角度为I度的倾角光栅。所述多模光纤段10和单模光纤段9熔接的熔接点6与多模倾斜光纤光栅8之间的间距为4mm。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.光纤矢量振动传感仪，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环形器或耦合器连接；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撑构件、外壳、聚合物弹性管、光纤探头和光纤导线，所述光纤探头包括多模倾斜光纤光栅和包层-纤芯能量再耦合结构，所述聚合物弹性管外侧由外壳保护，聚合物弹性管一端固定于支承构件上，另一端悬空感测振动，光纤探头封装在聚合物弹性管内，并通过光纤导线与光纤环形器或耦合器相连；所述正交偏振解调单元包括用于将探测光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滤波器和第一光电探测器、第二滤波器和第二光电探测器，第一滤波器和第一光电探测器依次连接，第二滤波器和第二光电探测器依次连接，第一滤波器和第二滤波器分别与偏振分束器输出端连接。
2.根据权利要求I所述的光纤矢量振动传感仪，其特征在于，所述包层-纤芯能量再耦合结构包括用于感测环境振动信息的多模光纤段和用于向前传导的单模光纤段，二者采用多模-单模光纤纤芯轴向对准方式熔接，在多模光纤段和单模光纤段熔接处形成熔接点，多模光纤段上写制有多模倾斜光纤光栅。
3.根据权利要求2所述的光纤矢量振动传感仪，其特征在于，所述多模倾斜光纤光栅米用倾斜角度为1_3度的倾角光棚。
4.根据权利要求2所述的光纤矢量振动传感仪，其特征在于，所述包层-纤芯能量再耦合结构中的多模光纤段纤芯直径50um，单模光纤段纤芯直径在8 IOum之间。
5.根据权利要求2所述的光纤矢量振动传感仪,其特征在于，所述多模光纤段和单模光纤段熔接的熔接点与多模倾斜光纤光栅之间的间距为小于5mm。
6.根据权利要求I所述的光纤矢量振动传感仪，其特征在于，所述聚合物弹性管采用高弹性聚乙烯材料。
7.根据权利要求I所述的光纤矢量振动传感仪，其特征在于，所述聚合物弹性管与包层-纤芯能量再耦合结构之间的空隙通过固化胶固化。
8.根据权利要求7所述的光纤矢量振动传感仪，其特征在于，所述固化胶为环氧丙烯酸酯胶。
全文摘要
本发明公开了一种光纤矢量振动传感仪，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；传感探头包括多模倾斜光纤光栅、包层-纤芯能量再耦合结构和聚合物弹性管，多模倾斜光纤光栅和包层-纤芯能量再耦合结构封装在聚合物弹性管内用于感测环境振动信息，多模倾斜光纤光栅写制于多模光纤，包层-纤芯能量再耦合结构采用多模-单模光纤纤芯轴向对准方式熔接；正交偏振解调单元包括偏振分束器、滤波器和光电探测器；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G01H9/00GK102636250SQ20121008863
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者关柏鸥, 郭团 申请人:暨南大学