一种分布式光纤振动传感系统及方法与流程

本申请属于振动测量，具体涉及一种分布式光纤振动传感系统及方法。

背景技术：

1、振动是工程技术和日常生活中常见且重要的物理现象，生产过程、重要设施、工作环境的监测、诊断都离不开振动的测量。现阶段，振动测量多采用机械法和电测法，灵敏度较低、抗干扰能力弱；光纤既是传输光信号的媒介，同时本身也是感知外界振动的传感器，具有较好的电绝缘特性和较强的抗电磁干扰能力，在振动测量中具有重要意义。

技术实现思路

1、为了克服传统振动测量存在的难以实现长距离、分布式、抗干扰能力弱等问题，本申请提供一种分布式光纤振动传感系统及方法。

2、在一些实施例中，一种分布式光纤振动传感系统，包括：第一耦合器，设有第一耦合器a、b、c、d、e端口，用于将光信号进行分束和合束。

3、宽带光源，与所述第一耦合器b端口连接，用于输出振动传感系统所需光源。

4、第一可调光纤延迟线，设有第一端口和第二端口，所述第一端口与所述第一耦合器a端口连接，所述第二端口与所述第一耦合器d端口连接，用于控制光纤延迟时间。

5、第二可调光纤延迟线，设有第三端口和第四端口，所述第三端口与所述第一耦合器e端口连接，所述第四端口通过传感光纤与反射镜连接；所述第二可调光纤延迟线作用有二，作用一为：用于所述系统执行测量作业前控制所述第二可调光纤延迟线的相位在范围内；作用二为：用于所述系统执行测量作业时控制所述第二可调光纤延迟线相位与所述系统的初始相位和为，其中为正整数。

6、第二耦合器，设有第二耦合器a、b、c、d端口，用于将光信号进行分束和合束，光信号经两次所述第二耦合器后由所述第二耦合器a端口和第二耦合器b端口输出，分别得到第一光信号和第二光信号，其两路光信号相位差为。

7、环形器，设有环形器a、b、c端口，所述环形器a端口与所述第一耦合器c端口连接，所述环形器b端口和第二耦合器a端口连接，所述环形器c端口和第一光电探测器连接。

8、第一法拉第反射镜，用于光路的反射和消除系统中线双折射引起的波动，所述第一法拉第反射镜与所述第二耦合器d端口连接。

9、第二法拉第反射镜，用于光路的反射和消除系统中线双折射引起的波动，所述第二法拉第反射镜与所述第二耦合器c端口连接。

10、第一光电探测器，用于将所述第一光信号转换为第一电压信号，所述第一光电探测器一端耦合连接于所述环形器c端口，另一端连接数据采集卡。

11、第二光电探测器，用于将所述第二光信号转换为第二电压信号，所述第二光电探测器一端耦合连接与所述第二耦合器b端口，另一端连接数据采集卡。

12、计算机，与所述数据采集卡连接，用于控制所述第一可调光纤延迟线的光纤延迟时间和所述第二可调光纤延迟线的相位并解调采集所述第一电压信号和第二电压信号中的相位信息，以确定振动源的频率和位置。

13、在一些实施例中，所述传感光纤为单模光纤。

14、在一些实施例中，所述第二耦合器为2*2耦合器，其分光比为50：50。

15、在一些实施例中，一种分布式光纤振动传感方法包括如下步骤：

16、s1、将所述宽带光源与所述第一耦合器b端口耦合连接，发出的光经第一路径和第二路径后得到两路光信号，所述两路光信号在所述第一耦合器内发生干涉并由所述第一耦合器c端口输出干涉光信号，所述干涉光信号经所述环形器a端口输入，所述环形器b端口输出进入所述第二耦合器将光信号分成两束后由所述第一法拉第反射镜、第二法拉第反射镜反射后再次进入所述第二耦合器，一路光信号由所述第二耦合器a端口输出第一光信号，另外一路光信号由所述第二耦合器b端口输出第二光信号，所述第一光信号经所述环形器b端口输入，所述环形器c端口输出进入所述第一光电探测器后转化为第一电压信号；所述第二光信号经所述第二光电探测器后转化为第二电压信号；

17、s2、所述系统执行测量作业前，计算机控制所述第二可调光纤延迟线的相位在范围内，并利用方差定义求和对第一电压信号、第二电压信号进行动态调平衡，确定平衡系数；

18、s3、对动态调平衡后的第一电压信号和第二电压信号进行求和、做差、归一化处理，得出只包含系统的初始相位和第二可调光纤延迟线相位的信息；

19、s4、所述系统执行测量作业时，控制所述第二可调光纤延迟线，使所述第二可调光纤延迟线的相位与所述系统的初始相位和为，为正整数，得出只包含外加振动源引起的相位信息；

20、s5、控制第一可调光纤延迟线的调节光纤延迟时间，计算振动源特征频率和位置，所述振动源特征频率表达式为：；

21、所述振动位置表达式为：；其中，为传感光纤总长，为振动源到反射镜的长度，为光从振动源到反射镜再返回到振动源所需的时间，为光纤的折射率，为光速。

22、在一些实施例中，所述第一路径具体为：第一耦合器→第二可调光纤延迟线→传感光纤→反射镜→传感光纤→第二可调光纤延迟线→第一可调光纤延迟线→第一耦合器；所述第二路径具体为：第一耦合器→第一可调光纤延迟线→第二可调光纤延迟线→光纤传感→反射镜→光纤传感→第二可调光纤延迟线→第一耦合器。

23、本申请设计了一种分布式光纤振动传感系统，通过该系统可得出两束路径不同、光程相同的光信号，干涉后再经环形器、第二耦合器、光电探测器后得到第一电压信号和第二电压信号，振动测量前通过控制第二可调光纤延迟线对第一电压信号和第二电压信号进行动态调平衡，确定平衡系数，然后进行求和、作差、归一化处理，消除光电探测器参数、无光偏置电压等对振动测量的影响，使之只保留相位信息；振动测量过程中控制第二可调光纤延迟线，消除其与系统初始相位的影响，只保留外加振动源引起的相位信息，并根据相位信息解调出振动源的频率和位置，实现了长距离、高精度的振动监测。

技术特征：

1.一种分布式光纤振动传感系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，所述传感光纤为单模光纤。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，所述第二耦合器为2*2耦合器，其分光比为50：50。

4.一种分布式光纤振动传感方法，适用于权利要求1-3任一项所述的分布式光纤振动传感系统，其特征在于，所述方法包括：

5.根据权利要求4所述的分布式光纤振动传感方法，其特征在于，所述第一路径具体为：第一耦合器→第二可调光纤延迟线→传感光纤→反射镜→传感光纤→第二可调光纤延迟线→第一可调光纤延迟线→第一耦合器；所述第二路径具体为：第一耦合器→第一可调光纤延迟线→第二可调光纤延迟线→光纤传感→反射镜→光纤传感→第二可调光纤延迟线→第一耦合器。

技术总结
本发明公开了一种分布式光纤振动传感系统及方法，解决了现有技术中灵敏度低、抗干扰能力弱、测量准确度低的问题。所述系统包括宽带光源、第一耦合器、第一可调光纤延迟线、第二可调光纤延迟线、传感光纤、反射镜、环形器、第二耦合器、第一法拉第反射镜、第二法拉第反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集卡、计算机；宽带光源发出的光经第一耦合器进入传感光纤后反射，两路路径不同、光程相同的光干涉后经第二耦合器、光电探测器后得到两路电压信号；测量前对两路电压信号动态调平衡；测量时控制第二可调光纤延迟线的相位与系统的初始相位和为，控制第一可调光纤延迟线的光纤延迟时间，解调相位信息得到振动源的频率和位置。

技术研发人员：姚鹏辉,周俊楠,张雷,张金辉,贾英新,庞增拴,王勇,靳晔
受保护的技术使用者：河北省机电一体化中试基地有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8