一种实现准分布式振动传感的方法
【专利摘要】本发明公开了一种实现准分布式振动传感的方法。本发明主要适用于准分布式振动传感，在长度为的普通单模光纤上刻制作了n个振动传感点，利用了压光材料将振动信号转化为光信号，通过两个高速光电探头测量光信号强弱以及两个信号到达时间差来确定振动信号强弱和振动位置，从而实现了准分布式振动传感。本发明没有采用任何激光光源，具有结构简单、成本低廉等优点。
【专利说明】一种实现准分布式振动传感的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤传感【技术领域】，特别涉及了一种基于光纤和压光材料实现准分布 式振动传感的方法。
【背景技术】
[0002] 光纤的出现是传感【技术领域】的一个里程碑，光纤传感器已经成为物联网技术发展 不可或缺的一部分。光纤不仅可以作为光波的传输媒质，也可以作为光波感知外界环境的 介质。当光波在光纤中传输时，其特征参量振幅、相位、偏振态、波长等会因外界因素如温 度、压力、应变、磁场、电场、位移等值接或间接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件探 测物理量。光纤传感技术就是利用光纤对某些物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可 以直接测量的信号的技术。光纤传感技术是光学领域最为重要的传感技术之一，已经被广 泛应用于石化、建筑、生物、医学、航天、航空、机械、高铁、桥梁、国防工业等领域。
[0003] 利用光纤传感技术可以实现振动传感，目前实现振动传感的光纤传感器包括：1、 增敏的光纤布拉格光栅。由于光纤布拉格光栅对振动不敏感，需要特殊的增敏技术来实现 其对振动的传感，结构复杂，成本较高。2、光纤FP腔振动传感器，主要用于单点振动传感。 3、单频光纤激光器。采用双折射掺杂光纤作为双波长激光器，以拍频信号获得振动信息，灵 敏度较高，但结构复杂、成本较高。以上所有的光纤振动传感器都需要探测激光或者泵浦激 光注入到传感器然后通过探测器获得振动信号，都属于有源探测方法，存在成本较高的缺 点。因此，发明一种无源的成本低廉的准分布式振动传感的方法具有重要意义。
【发明内容】
[0004] 本发明就是针对现有技术的不足，提出了一种基于光纤和压光材料实现准分布式 振动传感的方法。
[0005] 本发明的方法包括以下步骤： 步骤（1)选择一段长度为￡的普通单模光纤1 ;利用成熟的加工技术（比如飞秒激光刻 写）在普通单模光纤上刻出一个凹陷2,凹陷底部普通单模光纤的纤芯；在凹陷内注入压光 材料3 ;在注入压光材料的地方涂上固化胶4,从而固定压光材料并增强普通单模光纤在凹 陷处的机械强度；这样在普通单模光纤的凹陷处形成一个振动传感点，在普通单模光纤的 不同位置重复上述步骤，从而形成整个普通单模光纤上总共η个振动传感点5。
[0006] 步骤（2)选择工作波长和压光材料匹配的两个高速光电探头和配有高速数据采 集卡的一个计算机。
[0007] 步骤（3)将已经制作η个振动传感点的普通单模光纤的一个端口和第一个高速光 电探头6的输入端口光纤连接；将已经制作η个振动传感点的普通单模光纤的另一个端口 和第二个高速光电探头7的输入端口光纤连接；将第一个高速光电探头的输出端口和配有 高速数据采集卡的计算机8导线连接；将第二个高速光电探头的输出端口和配有高速数据 采集卡的计算机导线连接。
[0008] 当位于普通单模光纤长度方向距离原点位置if处的振动传感点Pi (i=l，2,……， η)收到振动信号时，其对应的压光材料发出对应的光信号传向两个高速光电探头，到达第 一个高速光电探头的时间为 I1 = Xn禮 ? c (1) 到达二个高速光电探头的时间为 = C^-1 _ ·Α· )'2避 i C1 (2) 其时间差为 At= Ct1 -I3) = {2X-0 nm / c (3) 其中，Aff为普通单模光纤的有效折射率，c为真空光速。
[0009] 当计算机通过两个高速光电探头获得时域信号时，根据公式（3)通过计算时域信 号时间差来确定振动位置，通过时域信号强弱来确定振动信号强弱。因此，完成了准分布式 振动传感。
[0010] 本发明主要适用于准分布式振动传感，在长度为￡的普通单模光纤上刻制作了 η 个振动传感点，利用了压光材料将振动信号转化为光信号，通过两个高速光电探头测量光 信号强弱以及两个信号到达时间差来确定振动信号强弱和振动位置，从而实现了准分布式 振动传感。本发明没有采用任何激光光源，具有结构简单、成本低廉等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图Ia为普通单模光纤的结构示意图； 图Ib为刻凹坑后的普通单模光纤的结构示意图； 图Ic为注入压光材料后的普通单模光纤的结构示意图； 图Id为本发明的结构示意图； 图2为本发明实施例中两个高速光电探测器接收到的时域信号。
【具体实施方式】
[0012] 以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0013] 实现准分布式振动传感的装置包括一段长度为￡ (2000米)的普通单模光纤、第一 个高速光电探测器、第二个高速光电探测器和一个配有高速数据采集卡的计算机。
[0014] 具体实现准分布式振动传感的方法包括以下步骤： (1)选择一段长度为￡ (2000米）的普通单模光纤，如图la;利用成熟的飞秒激光刻写 加工技术在普通单模光纤1上刻出一个凹陷2,凹陷底部普通单模光纤的纤芯，如图Ib ;在 凹陷内注入压光材料3 (PMN-PT铌镁酸铅晶体和环氧树脂粉末复合材料）；在注入压光材 料的地方涂上固化胶4,从而固定压光材料并增强普通单模光纤在凹陷处的机械强度，如图 Ic ;这样在普通单模光纤的凹陷处形成一个振动传感点，在普通单模光纤的间隔1米的位 置重复上述步骤，从而形成整个普通单模光纤上总共2000个振动传感点5。
[0015] (2)选择工作波长和压光材料匹配的两个高速光电探头和配有高速数据采集卡的 一个计算机； (3)将已经制作2000个振动传感点的普通单模光纤的一个端口和第一个高速光电探 头6的输入端口光纤连接；将已经制作2000个振动传感点的普通单模光纤的另一个端口和 第二个高速光电探头7的输入端口光纤连接；将第一个高速光电探头的输出端口和配有高 速数据采集卡的计算机8导线连接；将第二个高速光电探头的输出端口和配有高速数据采 集卡的计算机导线连接，如图Id。
[0016] 图2给出了两个高速观点探测器接收到的时域信号，两个振动信号时间差为1. 45 微秒，考虑到普通单模光纤有效折射率为=1.45,根据公式（3)可以确定振动位置为 Z=I 150米，其相对振动强度为0. 6。
[0017] 本发明主要利用了近年来发展起来的分布式光纤传感技术，在长度为i的普通单 模光纤上刻制作了 η个振动传感点，利用了压光材料将振动信号转化为光信号，通过两个 高速光电探头测量光信号强弱以及两个信号到达时间差来确定振动信号强弱和振动位置， 从而实现了准分布式振动传感。本发明没有采用任何激光光源，具有结构简单、成本低廉等 优点。
【权利要求】
1. 一种实现准分布式振动传感的方法，其特征在于该方法包括如下步骤： 步骤（1)选择一段长度为￡的普通单模光纤；在普通单模光纤上刻出一个凹陷，凹陷 底部为普通单模光纤的纤芯；在凹陷内注入压光材料；在注入压光材料的地方涂上固化 胶，从而固定压光材料并增强普通单模光纤在凹陷处的机械强度；这样在普通单模光纤的 凹陷处形成一个振动传感点，在普通单模光纤的不同位置重复上述步骤，从而形成整个普 通单模光纤上总共η个振动传感点； 步骤（2)选择工作波长和压光材料匹配的两个高速光电探头和配有高速数据采集卡 的一个计算机； 步骤（3)将已经制作η个振动传感点的普通单模光纤的一个端口和第一个高速光电探 头的输入端口光纤连接；将已经制作η个振动传感点的普通单模光纤的另一个端口和第二 个高速光电探头的输入端口光纤连接；将第一个高速光电探头的输出端口和配有高速数据 采集卡的计算机导线连接；将第二个高速光电探头的输出端口和配有高速数据采集卡的计 算机导线连接； 当位于普通单模光纤长度方向距离原点位置X处的振动传感点Pi收到振动信号时， 其对应的压光材料发出对应的光信号传向两个高速光电探头，到达第一个高速光电探头的 时间为 tj - ^ C (I) 到达二个高速光电探头的时间为 }c (2) 其时间差为 At= Ct1-t；) = (22^) /c (3) 其中，为普通单模光纤的有效折射率，C为真空光速； 当计算机通过两个高速光电探头获得时域信号时，根据公式（3)通过计算时域信号时 间差来确定振动位置，通过时域信号强弱来确定振动信号强弱；因此，完成了准分布式振动 传感。
【文档编号】G01H9/00GK104316159SQ201410611686
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月3日 优先权日:2014年11月3日
【发明者】陈达如, 王晓亮, 彭保进 申请人:浙江师范大学