一种基于干涉滤波原理的光纤拾振器及传感系统的制作方法

本发明属于工程振动测量及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于干涉滤波原理的光纤拾振器及传感系统。

背景技术：

在工程振动测量中，拾取振动信号的传感器主要是压电式和电磁式拾振器。然而在一些特定的测量场合，如高电压、强磁场，易燃、易爆的场合，上述传感器的应用受到限制，为此光纤拾振器应允而生，现有的光纤拾振器从调谐参量来分，有光强型、波长型、偏振型、相位型等多种传感器，其中波长型光纤拾振器除了具有抗电磁干扰，本征安全的特点之外，还具有长期稳定性好、测量精度高等优点，在工程振动长期监测中得到普遍关注。

在低频振动测量中，常用的波长型光纤拾振器是基于悬臂梁结构。但这种结构光纤光栅拾振器在性能上存在的一个问题：即灵敏度和工作频带通常是矛盾的。当频带较宽时，灵敏度较低；若要提高灵敏度，频带宽度又受到影响，这个矛盾使得光纤光栅低频拾振器的应用受到限制。如专利号为ZL200520098628.6的中国专利公开了“双悬臂梁光纤光栅振动传感器”，该专利采用双悬臂梁和双光纤光栅较好地解决温度影响和波长信号解调的问题。但仅靠改变悬臂梁的结构参数来调节传感器的灵敏度与频响带宽，调节范围非常有限。在满足测量精度要求的前提下，传感器频响带宽太窄，难以满足工程振动测量的应用需求；另外，专利号为ZL201310749018.7的中国专利公开了“一种用于液体介质的光纤光栅振动传感器”，该专利采用改进型悬臂梁(L梁)结构，并采用双光栅设计，较好地解决了温度补偿问题，显著地提高了传感器的检测灵敏度。但为了提高光纤光栅的长期耐久性，必然以牺牲频响来降低振动幅值。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于干涉滤波原理的光纤拾振器及传感系统，保证精度的前提下能够提供较宽的低频测量范围。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于干涉滤波原理的光纤拾振器，其特征在于：包括基座、悬臂梁、质量块、滤光片和准直器；其中，

位于水平方向的悬臂梁一端固定在基座上，悬臂梁另一端与质量块连接，构成一个只能在竖直平面内振动的质-振系统；

所述的悬臂梁上设有中心孔，中心孔上设有滤光片，滤光片的上、下两侧分别设有光的输入端和输出端，滤光片与输入端之间、滤光片与输出端之间均设有准直器，滤光片与准直器同轴，准直器通过安装支架固定在基座上；所述的光的输入端和输出端均为光纤。

按上述方案，所述的基座为4个面构成的一体化结构，所述的4个面分别为A面、B面、C面和D面，其中D面作为光纤拾振器的安装底面，A面、B面和C面为3个侧面，A面用于与所述的悬臂梁一端固定，所述的准直器通过安装支架与B面和C面连接。

按上述方案，所述的安装支架包括口字型框架；口字型框架上设有在同一直线上的2个连接臂，所述的准直器嵌入在连接臂中；口字型框架上还设有2个安装臂，分别与所述的B面和C面连接；所述的悬臂梁和质量块穿在口字型框架中。

按上述方案，令无振动时所述的2个连接臂与所述的竖直平面的夹角为初始角，所述的安装臂与所述的B面和C面连接可调从而调节初始角。

一种光纤振动传感系统，其特征在于：包括1个宽带光源、2个1×n分路器、n个所述的基于干涉滤波原理的光纤拾振器和1个波长解调仪；其中，宽带光源发出的光经过其中一个1×n分路器分为n路，分别经过n个所述的光纤拾振器后，由另一个1×n分路器合成为一路光信号传输给波长解调仪；n个所述的光纤拾振器的滤光片透射光波长λ₁,λ₂...λ_n的间距满足|λ_i-λ_i-1|＞1nm(2≤i≤n)，且均在宽带光源波长的带宽范围内。

本发明的有益效果为：与光纤光栅拾振器相比，本发明的灵敏度更高，因为本发明主要通过调节入射光的初始角度来调节传感器的灵敏度，而不是仅靠调节悬臂梁的结构参数，较好地解决了灵敏度与频响范围之间的矛盾，大大提高了低频拾振器的传感性能；滤波片与光纤光栅相比，尺寸小、便于安装，大大缩小了传感器的体积，简化了传感器结构。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为本发明一实施例基座的结构示意图。

图3为本发明一实施例的安装支架结构示意图。

图4为本发明一实施例的应用原理框图。

图中：1-质量块、2-悬臂梁、3-准直器、4-滤光片、5-输入端、6-输出端、7-基座、8-安装支架、9-连接臂、10-安装臂。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于干涉滤波原理的光纤拾振器，如图1至图3所示，包括基座7、悬臂梁2、质量块1、滤光片4和准直器3；其中，位于水平方向的悬臂梁2一端固定在基座7上，悬臂梁2另一端与质量块1连接，构成一个只能在竖直平面内振动的质-振系统；所述的悬臂梁2上设有中心孔，中心孔上设有滤光片4，滤光片4的上、下两侧分别设有光的输入端5和输出端6，滤光片4与输入端5之间、滤光片4与输出端6之间均设有准直器3，滤光片4与准直器3同轴，准直器3通过安装支架8固定在基座7上；所述的光的输入端5和输出端6均为光纤。

进一步的，所述的基座7为4个面构成的一体化结构，所述的4个面分别为A面、B面、C面和D面，其中D面作为光纤拾振器的安装底面，A面、B面和C面为3个侧面，A面用于与所述的悬臂梁2一端固定，所述的准直器3通过安装支架8与B面和C面连接。

再进一步的，所述的安装支架8包括口字型框架；口字型框架上设有在同一直线上的2个连接臂9，所述的准直器3嵌入在连接臂9中；口字型框架上还设有2个安装臂10，分别与所述的B面和C面连接；所述的悬臂梁2和质量块1穿在口字型框架中。

令无振动时所述的2个连接臂9与所述的竖直平面的夹角为初始角，所述的安装臂10与所述的B面和C面连接可调引起安装支架8的转动从而调节初始角。当宽带光源发出的光通过准直器3射入滤光片4上，其透射光的波长取决于质-振系统的振动状态和初始角。初始角定义为入射光线与竖直平面的夹角，它决定了光纤拾振器的灵敏度系数，可通过转动安装支架加以调整。

光纤拾振器的工作原理：将光纤拾振器的安装底面安装在被测结构上，当被测结构产生振动时，安装在结构上的光纤拾振器也同步产生振动，质量块1的周期性振动也引起悬臂梁2竖向挠度的周期性变化，此时准直器3入射光线与滤光片4表面夹角发生了变化，夹角变化量决定于结构振动幅值和频率，实际使得入射光通过滤光片4的光程发生变化，因干涉而透过滤光片4的光波波长也相应地发生变化，且透射光波长的变化与结构振动幅值和频率存在确定关系，因而通过采集透射光的波长变化数据，就可以获取结构的振动信息。

本发明还提供一种光纤振动传感系统，如图4所示，包括1个宽带光源、2个1×n分路器、n个所述的基于干涉滤波原理的光纤拾振器和1个波长解调仪；其中，宽带光源发出的光经过其中一个1×n分路器分为n路，分别经过n个所述的光纤拾振器后，由另一个1×n分路器合成为一路光信号传输给波长解调仪；为了能够更好的解调波长，n个所述的光纤拾振器的滤光片4透射光波长λ₁,λ₂...λ_n的间距满足|λ_i-λ_i-1|＞1nm(2≤i≤n)，且均在宽带光源波长的带宽范围内，从而保证滤光片4与宽带光源的匹配。本传感系统采用一对分路器将多个光纤拾振器复用到一根光纤上，实现波分复用。这充分利用了光源和解调仪的波长带宽，提升了传感网络的容量，降低了系统的制造成本。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。