专利名称：基于单模-多模-单模光纤模间干涉振动、应力传感装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于单模-多模-单模光纤模间干涉振动、应力传感装置。
背景技术：
目前在市场上广泛使用的振动传感器主要是基于电测法，有压电效应型、压阻效应型、电磁感应型等。基于电测法的振动传感器，具有体积小、重量轻、频率范围宽、动态量程大的优点，但同时具有灵敏度低、长期稳定性能差、抗干扰能力差、传感器的频率范围狭窄、不能实现智能化等缺点。市场上广泛使用的应力传感器为传统电阻应变片应力传感器，其具有精度较高，价格适中的优点，但存在着零漂现象严重、易受电磁干扰，耐久性、耐潮湿、耐污染性能差，使用寿命短，不稳定，动态性能差等诸多缺点。与普通机械和电子类传感器相比较，光纤传感具有集成度高、体积小、重量轻、抗干扰能力强、成本低廉、灵敏度和精度高、频带宽、绝缘性好、可实现分布测量等优点，因此光纤传感已经成为一个热门的研究领域。使用光纤传感可以很好的解决在振动、应力测量中遇到的问题。目前基于光纤传感的振动、应力传感器有迈克尔逊(Michelson)干涉型光纤传感器、马赫_曾德(Mach-Zehnder)干涉型光纤传感器、法布里-拍罗(Fabry-Perot)干涉型光纤传感器、布拉格光栅型(FBG)光纤传感器。这些传感器系统结构较为复杂，对光纤和探测器的要求较高，不利于成本的降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、价格低廉的振动、应力传感装置。为了解决现有技术问题，本发明实施例公开了一种基于单模-多模-单模光纤模间干涉振动、应力传感装置，包括激光器、SMS光纤、PIN管、数据采集卡以及信号处理器，所述SMS光纤由第一单模光纤、多模光纤和第二单模光纤级联而成，所述激光器输出连接SMS光纤的一端的第一单模光纤，第二单模光纤与PIN管输入连接，PIN管输出与数据采集卡输入连接，数据采集卡输出连接信号处理器，所述信号处理器利用SMS光纤输出光功率携带模间相对相位变化信息，获得振动、应力测量值。进一步，作为优选，所述SMS光纤由G. 652标准单模光纤和50/125阶跃型多模光纤构成。进一步，作为优选，所述信号处理器利用对光信号做快速傅里叶变换得到信号频谱信息，最终得到振动的频率信息。进一步，作为优选，所述信号处理器利用对光信号进行数据处理得到光信号的幅值变化信息，最终得到应力的变化信息。本发明的有益效果使用光纤传感，使振动、应力传感器具备了一般光纤传感的特点，如抗干扰能力强、成本低廉、绝缘性好等，具有了很高的可靠性及稳定性；仅使用SMS光纤中的多模光纤作为传感部分，使传感器具有了结构简单、成本低、安装方便，能够进行远距离检测的特点；由于使用了 SMS光纤结构，而多模光纤具有可传导多种模式光的属性，在多模光纤中多种模式的光发生干涉，从而大大提高了检测精度；由于该传感器基于光功率测量，系统探测器采用普通PIN管，大大降低了成本；将激光器和信号采集部分在系统集成箱中，使整个系统结构更为紧凑，体积小；该系统的信号处理部分使用LabVIEW软件，大大降低了系统的成本。
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中图1为SMS光纤结构示意图。图2为该光纤振动、应力传感装置示意图。图3为该振动、应力传感装置测量激振器振动的系统示意图。图4为使用图3所示系统外部施加的激励频率与实测频率的关系曲线图。图5为该振动、应力传感装置测量音响振动的系统示意图。图6为使用图5所示系统音响播放音频频率与实测频率的关系曲线图。图7为该振动、应力及温度传感装置测量悬臂梁振动的系统示意图。图8为使用图7所示系统，悬臂梁长度为36cm，砝码重量为50g时测得的光功率信号的电压值随时间的变化曲线。图9为图8所对应的光功率信号的电压值经快速傅里叶变换(FFT)后得到的频谱图。图10为使用图7所示系统，砝码质量为50g时，测得悬臂梁固有频率与悬臂梁臂长的关系曲线。图11为使用图7所不系统,悬臂梁长度为36cm时,测得的施加重量与光功率信号的电压幅度的关系曲线。图12为该振动、应力传感装置测量应力系统示意图。图13为使用图12所示系统测得的施加应力时光功率信号的电压值随时间的变化曲线。
具体实施例方式参照图1-13对本发明的实施例进行说明。为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。本发明是通过下述技术方案加以实现的，该光纤振动、应力传感器包括，1550nmDFB激光器光源，输出功率约为lOmw，激光器尾纤连接一段SMS光纤，SMS光纤结构由G. 652标准单模光纤和50/125阶跃型多模光纤构成,光纤置于测试环境中，数字信号处理部分由PIN管、数据采集卡和信号处理器(LabVIEW软件)组成，激光器和信号采集部分在系统集成箱中。本发明实现振动、应力测量的原理如下SMS光纤结构由两段单模光纤和熔接在它们中间的一段多模光纤构成。激光器输出光经单模光纤耦合进入多模光纤，激励多模光纤中大量模式传输，这些模式相互干涉，在光纤横截面上形成不同的干涉图样，即散斑，输出端的单模光纤耦合某局部区域的光强输出。散斑的空间分布形式由激励条件(单模光纤到多模光纤的耦合)和众多模式之间的相位差决定，因此，在耦合条件不变的情况下，检测光功率的变化即可获得模式之间的相位差的变化，进而解调得到引起相位差变化的外部因素，如振动、应力，从而实现振动、应力的检测。如图2所示，一种基于单模-多模-单模光纤模间干涉振动、应力测量装置，包括激光器202、SMS光纤、PIN管206、数据采集卡207以及信号处理器208，所述SMS光纤由第一单模光纤103、多模光纤104和第二单模光纤级105联而成,所述激光器202输出连接SMS光纤的一端的第一单模光纤103，第二单模光纤105与PIN管206输入连接，PIN管206输出与数据采集卡207输入连接，数据采集卡207输出连接信号处理器208，所述信号处理器208利用SMS光纤输出光功率携带模间相对相位变化信息，获得振动、应力测量值。如附图1所示，激光器输出光101经第一单模光纤纤芯106耦合进入多模光纤纤芯107,激励多模光纤中大量模式传输,这些模式相互干涉,在光纤横截面109上形成不同的干涉图样110，即散斑，输出端的第二单模光纤105耦合光纤横截面109某局部区域的光强输出。由以上分析知，输出光强102与多模光纤所处的环境振动、应力有关。SMS光纤的制得步骤首先使用光纤剥线钳剥除单模光纤和多模光纤的包层及涂覆层，得到一段长度的纤芯，使用光纤熔接机将单模与多模光纤纤芯进行无偏心熔接，其中将多模光纤纤芯一端与入射第一单模光纤连接，另一端与出射第二单模光纤连接，入射第一单模光纤与光源连接，出射第二单模光纤与PIN管连接。图3为该振动、应力传感装置测量激振器振动的系统示意图。基本工作过程是激光输出光经第一单模光纤103耦合到多模光纤104，再耦合进第二单模光纤105 ;通过施加外部激励，使得激振器306以一定的频率振动，从而使粘贴于激振器上的多模光纤104受激振器振动的影响，导致输入光功率发生变化。PIN管将第二单模光纤105的输出光信号转换为电信号，数据采集卡将模拟电信号转换为数字电信号，传输到信号处理器208 (计算机)，由LabVIEW软件对数字信号进行数字滤波处理及快速傅里叶变换(FFT)，最终得到激振器的振动频率。图4为使用图3所示系统外部施加的激励频率与实测频率的关系曲线图。实验结果表明，该传感器在30Hz到200Hz区间内，对频率的响应准确，误差在±0. 4Hz之内。图5为该振动、应力传感装置测量音响振动的系统示意图。基本工作过程是激光输出光经第一单模光纤103耦合到多模光纤104，再耦合进第二单模光纤105 ;将音响连接至计算机，由计算机播放一定频率音频，使得音响506以一定的频率振动,从而使粘贴于音响振动膜上的多模光纤104受音响振动膜振动的影响，导致输入光功率发生变化。PIN管将第二单模光纤105的输出光信号转换为电信号，数据采集卡将模拟电信号转换为数字电信号，传输到信号处理器208 (计算机)，由LabVIEW软件对数字信号进行数字滤波处理及快速傅里叶变换(FFT)，最终得到音响的振动频率。图6为使用图5所不系统首响播放首频频率与实测频率的关系曲线图。实验结果表明，该传感器在30Hz到1000Hz区间内，对频率的响应很准确，误差在±0. 7Hz之内。图7为该振动、应力及温度传感装置测量悬臂梁振动的系统示意图。基本工作过程是激光输出光经第一单模光纤103耦合到多模光纤104，再耦合进第二单模光纤105 ；将悬臂梁706固定于工作平台707上，通过在悬臂梁边缘悬挂砝码，将连接砝码的线剪断的方式，使得悬臂梁以一定的振幅开始振动，从而使粘贴于悬臂梁上的多模光纤104受悬臂梁振动的影响，导致输入光功率发生变化。PIN管将第二单模光纤105的输出光信号转换为电信号，数据采集卡将模拟电信号转换为数字电信号，传输到信号处理器208 (计算机)，由LabVIEW软件对数字信号进行数字滤波处理及快速傅里叶变换(FFT)，最终得到悬臂梁的振动频率。图8为使用图7所示系统，悬臂梁706的长度为36cm，砝码重量为50g时光功率信号的电压值随时间的变化曲线。图9为图8所对应的光功率信号的电压值经快速傅里叶变换(FFT)后得到的频谱图。此处测得当悬臂梁的长度为36cm时，其固有频率为5. SHz0图10为使用图7所示系统测得悬臂梁固有频率与悬臂梁臂长的关系曲线。由实验测得的数据可得此曲线的拟合方程为+ ，满足悬臂梁固有频率与悬臂梁臂长
的理论关系式W = .。图11为使用图7所示系统测得施加重量与光功率信号的电压幅度的关系曲线。实验结果表明，光功率信号的电压幅度与所悬挂砝码的质量成线性关系。图12为该振动、应力传感装置测量应力系统示意图。基本工作过程是激光输出光经第一单模光纤103耦合到多模光纤104，再耦合进第二单模光纤105 ;将多模光纤104固定于工作平台707上，通过应力施加装置1206对多模光纤104施加应力，从而导致第二单模光纤105的输入光功率发生变化。PIN管将第二单模光纤105的输出光信号转换为电信号，数据采集卡将模拟电信号转换为数字电信号，传输到信号处理器208 (计算机)，由LabVIEff软件对光功率信号的电压幅度变化进行分析，最终的得到应力施加信息。图13为使用图12所示系统测得的施加应力时光功率信号电压值随时间的变化曲线。此实验结果为，在1. 5s到2. 7s时间内，应力施加装置对多模光纤104施加了应力。虽然以上描述了本发明的具体实施方式
，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式
仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
权利要求
1.一种基于单模-多模-单模光纤模间干涉振动、应力传感装置，其特征在于，包括激光器、SMS光纤、PIN管、数据米集卡以及信号处理器,所述SMS光纤由第一单模光纤、多模光纤和第二单模光纤级联而成，所述激光器输出连接SMS光纤的一端的第一单模光纤，第二单模光纤与PIN管输入连接，PIN管输出与数据采集卡输入连接，数据采集卡输出连接信号处理器，所述信号处理器利用SMS光纤输出光功率携带模间相对相位变化信息，获得振动、应力测量值。
2.根据权利要求1所述基于单模-多模-单模光纤模间干涉振动、应力传感装置，其特征在于，所述SMS光纤由G.652标准单模光纤和50/125阶跃型多模光纤构成。
3.根据权利要求1所述基于单模-多模-单模光纤模间干涉振动、应力传感，其特征在于，所述信号处理器利用对光信号做快速傅里叶变换得到信号频谱信息，最终得到振动的频率信息。
4.根据权利要求1所述基于单模-多模-单模光纤模间干涉振动、应力传感，其特征在于，所述信号处理器利用对光信号进行数据处理得到光信号的幅值变化信息，最终得到应力的变 化信息。
全文摘要
本发明公开了一种基于单模-多模-单模光纤模间干涉振动、应力传感装置，包括激光器、SMS光纤、PIN管、数据采集卡以及信号处理器，所述SMS光纤由第一单模光纤、多模光纤和第二单模光纤级联而成，所述激光器输出连接SMS光纤的一端的第一单模光纤，第二单模光纤与PIN管输入连接，PIN管输出与数据采集卡输入连接，数据采集卡输出连接信号处理器，所述信号处理器利用SMS光纤输出光功率携带模间相对相位变化信息，获得振动、应力测量值。
文档编号G01L1/24GK103076082SQ20131000200
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月4日 优先权日2013年1月4日
发明者李强, 王智, 黄泽铗, 徐雅芹, 张凌云, 史骥 申请人:北京交通大学