一种非接触式光纤振动传感系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种非接触式光纤振动传感系统及方 法。
【背景技术】
[0002] 振动传感在飞机工业、桥梁建筑健康监测等领域具有广泛的应用。通过对振动信 号的提取分析，可对监测设施健康状态进行评估并及时进行故障检测和维修。传统的振动 传感器大多基于磁电或压电类传感器，具有灵敏度高、实用性好且均已商用化。但这类传 感器很难适应于高温、高电磁干扰下的振动检测，制约了振动测试技术的发展。近些年来， 光纤振动传感器作为一种新型传感技术，被研究用来替代传统的振动传感器，且已成为各 领域研究热点。光纤振动传感器的原理是外界振动信号作用在光传输的媒介上，使得光的 相位发生变化。而这种相位的检测方法主要有光纤干涉仪、布拉格光栅及分布反馈光纤激 光器等。所有这些光学类传感器，与传统压电或磁电传感器相比，具有灵敏度高，耐腐蚀、高 温，抗电磁干扰等优点。
[0003] 其中，非本征法-珀干涉仪尤其受到研究学者的关注，由于其提供一种非接触的 无附加扰动的振动测试方法且已被验证在微位移及振动方面具有杰出性能。法-珀传感器 的腔长解调技术主要分为两种：强度解调和相位解调。强度解调结构简单，易于实现，但由 于其易受光源强度抖动和环境噪声影响，灵敏度低。相比之下，相位解调技术由于其受光 源强度影响小，精度高及动态范围大等优势，更加常用且得到很好的发展。相位生成载波 (Phase Generated Carrier)是一种常用的相位解调方法。通常使用相位生成载波法对非 本征法-珀干涉仪进行解调，需对激光源进行频率调制从而对干涉条纹引入相位调制。而 频率调制（调制驱动电流）不可避免的会引入强度调制，从而增大系统的强度噪声。此外， 对于非本征法-珀干涉仪，被测表面反射的光强度会随着腔长度变化而改变的即衰减效 应。因此，尤其当传感器动态范围大时，常用的相位生成载波方法就不再适用。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种非接触式光纤振动传 感系统及方法，基于腔内调制的非本征法-珀干涉技术，避免了光源的强度调制，且通过优 化的相位生成载波方法解决了腔长变化导致被测面反射光衰减问题，具有精度高、动态范 围大的特点。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] -种非接触式光纤振动传感方法，利用激光束在光纤探头端面和被测表面之间构 成非本征法-珀干涉仪，将光纤探头安装在压电陶瓷堆上，通过驱动压电陶瓷堆对干涉信 号直接引入相位调制。
[0007] 所述利用光束在光纤探头端面和被测表面之间构成非本征法-珀干涉仪的具体 手段是：
[0008] 使激光束射向光纤探头，部分光被光纤探头的端面反射回单模光纤，而另一部分 透射进入激振器，在激振器表面再次反射耦合至单模光纤，由此构成非本征法-珀干涉仪， 其中法-珀腔长为光纤探头的端面与激振器的表面之间的距离，激振器表面即被测表面。
[0009] 所述驱动压电陶瓷堆对干涉信号直接引入相位调制的具体手段是：
[0010] 利用函数发生器向压电陶瓷堆提供正弦驱动信号，从而使得从光纤探头端面和激 振器表面反射的干涉信号相位将受到调制，产生载波调制干涉信号。
[0011] 本发明采用如下方法对传感信号进行解调：
[0012] 首先将基频信号cos(W(jt)倍频产生二倍频信号cos (2wQt);
[0013] 然后将基频信号cos (W(]t)和二倍频信号cos (2W(]t)分别与采集的干涉信号相乘， 再经过低通滤波后得到两路正交信号，其中W为相位调制频率；
[0014] 基于希尔伯特变换的方法提取所述正交信号的包络，然后再用除法器分别将信号 归一化；
[0015] 最后将归一化的正交信号分别经过微分器、乘法器、减法器及积分器后，得到与腔 长成正比的相位纠 O。
[0016] 本发明还提供了一种非接触式光纤振动传感系统，包括窄线宽激光器1，窄线宽激 光器1的输出激光束通过第一单模光纤3-1进入光纤环行器2的第一端口 2-1，从光纤环行 器2的第二端口 2-2输出的激光束通过第二单模光纤3-2进入安装在压电陶瓷堆6上的光 纤探头4,光纤探头4的端面反射一部分激光束，透射过光纤探头4的激光束在激振器5表 面发生反射并耦合入第二单模光纤3-2,两部分反射的激光束从光纤环行器2的第三端口 2-3输出并通过第三单模光纤3-3进入光电探测器7,激振器5连接函数发生器8的第二输 出接口 8-2由其提供振动信号，函数发生器8的第一输出接口 8-1连接压电陶瓷堆6向其 提供干涉相位调制驱动信号，采集卡10连接函数发生器8的第一输出接口 8-1采集干涉信 号，采集卡10连接光电探测器7采集基频信号。
[0017] 所述函数发生器8的第一输出接口 8-1通过三通BNC接头同时接到压电陶瓷堆6 和采集卡10的第一模数接口 10-1。
[0018] 所述光电探测器7的输出接光电处理电路9,光电处理电路9的输出接采集卡10 的第二模数接口 10-2。
[0019] 所述光电处理电路9的处理包括滤波去噪及前置放大。
[0020] 所述光纤探头4和激振器5表面尽可能保持水平，以使激振器5表面反射光尽可 能多地耦合回第二单模光纤3-2。
[0021] 所述窄线宽激光器1工作中心波长为1550nm，输出单一频率激光，所述光纤环行 器2、第一单模光纤3-1、第二单模光纤3-2以及第三单模光纤3-3均工作在1550nm附近， 所述光纤探头4采用商用光纤阵列封装结构，工作波长为1550nm，所述压电陶瓷堆6的调制 频率为2kHz，所述激振器5的模拟振动频率小于等于1kHz，所述光电探测器7响应波长范 围为800-1800nm，所述函采集卡10的采样速度为lMS/s。
[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0023] 1)利用光束在光纤探头端面和可被测表面之间构成非本征法-珀干涉仪，从而实 现振动的非接触式测量。
[0024] 2)光纤探头安装在压电陶瓷堆上，通过驱动压电陶瓷堆对干涉信号直接引入相位 调制，避免了常见相位解调方法中对光源调频过程中引入强度调制。
[0025] 3)采用优化的相位生成载波法解决了在非本征法-珀干涉仪中腔长度变化导致 干涉信号幅度变化的问题。
[0026] 4)非本征法-珀腔由一个反射型光纤探头和被测表面构成并利用优化后的相位 生成载波法对腔长进行解调。由于使用光纤作为传感头且采用非接触测量的方式，该传感 器可适用于高温高压，强电磁干扰等恶劣环境下的振动测试。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明传感系统的结构示意图。
[0028] 图2是本发明相位生成载波解调方法原理图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0030] 如图1所示，本发明传感系统主要包括：窄线宽激光器（DFB)U光纤环行器2、第一 单模光纤3-1、第二单模光纤3-2、第三单模光纤3-3、光纤探头4、激振器5、压电陶瓷堆6、 光电探测器7、函数发生器8、光电处理电路9、采集卡10以及计算机11等。
[0031] 其中，窄线宽激光器1的输出激光束通过第一单模光纤3-1进入光纤环行器2的 第一端口 2-1，然后从光纤环行器2的第二端口 2-2输出，再通过第二单模光纤3-2进入安 装在压电陶瓷堆6上的光纤探头4,光纤探头4的端面反射一部分激光束，而另一部分则透 射过光纤探头4,接着在激振器5表面再次发生反射并耦合入第二单模光纤3-2,由此构成 非本征法-珀干涉仪，其中法-珀腔长为光纤探头4的端面与激振器5的表面之间的距离， 激振器5表面即被测表面。
[0032] 两部分反射的激光束从光纤环行器2的第三端口 2-3输出并通过第三单模光纤 3-3进入光电探测器7。激振器5连接函数发生器8的第二输出接口 8-2由其提供正弦驱 动信号，函数发生器8的第一输出接口 8-1通过三通BNC接头同时接到压电陶瓷堆6和采 集卡10的第一模数接口 10-1，光电探测器7的输出接光电处理电路9,光电处理电路9的 输出接采集卡10的第二模数接口 10-2,采集卡10的输出连接计算机11。
[0033] 本发明中，光电探头4安装在压电陶瓷堆6上，通过对压电陶瓷堆6提供正弦驱 动，对干涉信号引入相位调制。激振器5表面即被测表面用来模拟各种实际振动波形，其振 动频率应小于相位调制频率。
[0034] 其中，光纤探头4和激振器5表面应尽可能保持水平，使激振器5表面反射光尽可 能多地耦合回第二单模光纤3-2内。光纤探头4端面反射光和激振器5表面反射光会在第 二单模光纤3-2内干涉。由于被测面（激振器5表面）的振动会改变干涉仪腔长，通过解调 腔长变化就可以提取振动信号。具体地，可由函数发生器8向激振器5提供正弦驱动信号， 使得从光纤探头端面和激振器表面反射的干涉信号相位将受到调制，产生载波调制干涉信 号。函数发生器8仅提供调制基频信号，该信号通过采集过后，通过计算机11做倍频处理。
[0035] 本发明还提供了一种相应的解调方法，通过图2所示的原理图对该方法进一步描 述。
[0036] A.激振