專利名稱：一種用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器及其使用方法
技術領域：
本發明為一種用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器及其使用方法，涉及光纖振動傳感器領域。
背景技術：
應用動力學參數來評價設備的故障發生情況是在監測領域中經常使用的一種手段，對于實時監測設備的工作狀態有積極重要的意義。像電網中的電力變壓器，對于其線圈振動參量的測量就是一種有效的監測手段。目前常用的振動測量方式主要采用加速度傳感器、位移傳感器和壓電傳感器等。這些傳感器雖在技術上已成熟，但傳感器內部和周圍都需要直接或間接的輔之以相關電路，輔助電路的存在會受到設備電磁環境的干擾，影響傳感器的測量準確性甚至使之不能正常工作，而且傳統的依靠電信號傳輸的傳感器不可以用于液體介質內部。近些年，利用光纖光學技術進行振動信號檢測方法被廣泛關注。報道中主要關注的是Mach-Zehnder型干涉儀振動傳感器、Sagnac型干涉儀振動傳感器和非本征光纖法拍振動傳感器。Mach-Zehnder型干涉儀振動傳感器和Sagnac型干涉儀振動傳感器都需要有一參考臂引入，增加了傳感器安裝的難度，容易受到周圍環境的影響。非本征光纖法珀振動傳感器是依靠一個方向上的膜片耦合進行傳感的，對檢測信號有方向性的要求，在多方向同時檢測的應用環境受到限制。
發明內容
本發明目的是為了解決在電磁干擾嚴重的環境中，克服Mach-Zehnder干涉儀、 Sagnac干涉儀結構復雜性和非本征光纖法珀振動傳感器依靠一個方向上的膜片耦合進行傳感，對檢測信號有方向性的要求，在多方向同時檢測的應用環境受到限制的問題而設計一種用于液體介質的本征型光纖法拍振動傳感器及其使用方法，本發明的技術方案為用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器包括本征型光纖法珀腔、硬聚氯乙烯制成的圓筒振子，本征型光纖法珀腔為一段單模光纖熔接于兩段長度相等的光纖布拉格光柵中間，本征型光纖法珀腔沿圓筒振子長度方向整體粘貼于圓筒振子外側。用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器的使用方法，包括以下步驟步驟一利用DFB (分布式反饋)激光器做為光源，通過調節DFB激光器控制系統使DFB激光器輸出波長連續變化的窄帶光，該組窄帶光經過光路耦合器入射到用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器的本征型光纖法珀腔，本征型光纖法珀腔的反射光經光路耦合器入射到光電放大器獲得該組窄帶光的反射光譜，將反射光譜上峰值與相鄰的最低值之間的譜帶上曲率半徑最大點確定為靜態工作點，靜態工作點對應的控制電壓為靜態工作點控制電壓；步驟二 調節控制電壓到靜態工作點控制電壓，使本征型光纖法珀振動傳感器工作在靜態工作點，將本征型光纖法珀振動傳感器置于待測液體環境中，當外界動態振動發生時，圓筒振子耦合各個方向的外界動態振動信號，本征型光纖法珀腔腔長即單模光纖長度將發生周期性變化，導致本征型光纖法珀腔的反射光光強形成周期性變化，反射光經光路率禹合器入射到光電放大器輸出隨外界動態振動信號同步變化的輸出信號，輸出信號由數據采集卡采集成數字量后傳輸給計算機，計算機同時對本征型光纖法珀振動傳感器實際工作點偏離靜態工作點進行校正。本發明的有益效果是通過將用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器直接放置于待測液體介質中，安裝簡便，同時利用圓筒振子可以耦合來自不同方向的振動信號， 產生隨振動信號同步變化的輸出信號，實現了在液體介質中對外加激勵振動信號的傳感測量，可以檢測來自傳感器不同方向的振動信號，并且整個過程中靜態工作點是通過控制實現自動調節的。
圖I是用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器的結構圖；圖2是本征型光纖法珀腔沿軸線方向的剖視圖；圖3是用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器的使用原理圖；圖4是具體實施方式
三中從等距離不同方向施加相同頻率激振獲得的輸出信號示意圖；圖5是DFB激光器控制系統結構示意圖；圖6是計算機糾正靜態工作點的流程圖；圖7 是具體實施方式
六中的反射光譜圖；圖8是具體實施方式
七中法珀腔腔長與反射輸出光強對應關系曲線示意圖。
具體實施例方式下面結合圖I至圖8說明本發明的
具體實施例方式具體實施方式
一如圖I和圖2所示，用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器I包括本征型光纖法珀腔2、硬聚氯乙烯制成的圓筒振子3，本征型光纖法珀腔2為一段單模光纖4熔接于兩段長度相等的光纖布拉格光柵5中間，本征型光纖法珀腔2沿圓筒振子3長度方向粘貼于圓筒振子3的外圓周表面上。從圖2中可以看出單模光纖4與光纖布拉格光柵5的纖芯部分和包層部分熔合到一起。如圖3所示，用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器的使用方法，包括以下步驟步驟一利用DFB激光器做為光源，通過調節DFB激光器控制系統使DFB激光器輸出波長連續變化的窄帶光，該組窄帶光經過光路耦合器入射到用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器的本征型光纖法珀腔，本征型光纖法珀腔的反射光經光路耦合器入射到光電放大器獲得該組窄帶光的反射光譜，將反射光譜上峰值與相鄰的最低值之間的譜帶上曲率半徑最大點確定為靜態工作點，靜態工作點對應的控制電壓為靜態工作點控制電壓；步驟二 調節控制電壓到靜態工作點控制電壓，使本征型光纖法珀振動傳感器工作在靜態工作點，將本征型光纖法珀振動傳感器置于待測液體環境中，當外界動態振動發生時，圓筒振子耦合各個方向的外界動態振動信號，此時本征型光纖法珀腔腔長即單模光纖長度將發生周期性變化，導致本征型光纖法珀腔的反射光光強形成周期性變化，反射光經光路I禹合器入射到光電放大器輸出隨外界動態振動信號同步變化的輸出信號，輸出信號由數據采集卡采集成數字量后傳輸給計算機，計算機利用VC++編寫的數據分析程序對輸出信號的強度和頻率進行分析，計算機同時對本征型光纖法珀振動傳感器實際工作點偏離靜態工作點進行校正。
具體實施方式
二用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器原始腔長即單模光纖4長度為20_， 圓筒振子3是被測振動信號與光的耦合器件，它的固有頻率直接影響到傳感器本身的頻響特性，即傳感器所能測試的振動信號的頻率范圍。圓筒振子材料選擇為硬聚氯乙烯，目標測試的頻率范圍OHz到5KHz，利用有限元分析軟件ANSYS進行圓筒振子的結構設計，確定圓筒振子的尺寸大小為長55. 3mm,內徑5. 3mm,外徑5. 6mm,將本征型光纖法拍腔2用丙烯酸酯粘貼于圓筒振子3外側。
具體實施方式
三使用具體實施方式
二所記載的用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器，采用 DFB激光器作為光源，將用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器置于承裝液體的鐵箱中，在承裝液體鐵箱外壁利用激振器施加激勵，實現在液體介質中對外加激勵振動信號的傳感測量。在外界環境不變的情況下，改變激振器輸出頻率范圍0Hz-5KHz可得到傳感器響應輸出。用于液體介質的本征型光纖法拍振動傳感器可以檢測來自傳感器不同方向的振動信號，不改變傳感器位置和激振器振動頻率情況下，移動激振器到鐵箱外壁的前后左右四個位置，保證每次傳感器和激振器的相對距離一致，施加激振力，從光電放大輸出端測得了相同的輸出信號，如圖4所不。
具體實施方式
四一種本發明使用的DFB激光器控制系統，其框圖如圖5所示，溫度或注入電流發生變化會導致DFB激光器輸出中心波長改變。本系統以LTC1923為核心輔之以外圍電路，利用DFB激光器內部的半導體制冷器和熱敏電阻，組成溫度負反饋閉環控制系統用以穩定激光器溫度。可以通過控制溫控電路參考電壓實現對DFB激光器中心波長的線性調節，溫控系統利用LTC1658作為數模轉換器接收調節電壓，使系統可以接收數字電壓量的輸入。通過80C51單片機給出數字電壓量送入溫控電路，可以實現最小可識別調節電壓為O. 0002V 精確的調節，對應DFB激光器輸出中心波長調節精度為1pm。
具體實施方式
五利用計算機對本征型光纖法珀振動傳感器實際工作點偏離靜態工作點進行校正， 其流程如圖6所示步驟A :計算機控制DFB激光器控制系統尋找本征型光纖法珀振動傳感器靜態工作點，獲得即靜態工作點控制電壓\;步驟B :采集數據并對數據進行分析處理，通過二階數字濾波算法獲得去除與被測振動信號同周期振動的解調信號后的實際工作電壓V ；步驟C :將V與Vq進行比較，當IV-VtJ >0.01時，返回到步驟A，當|V-Vq|彡O. 01 時，返回到步驟B。
具體實施方式
六DFB激光器是單色性非常好的光源，并且通過調節DFB激光器內部的溫度實現激光器輸出波長的改變。以溫度控制芯片LTC1923為核心建立溫度控制系統，利用C8051單片機編寫循環掃描程序驅動溫度控制系統循環掃描DFB激光器，使激光器輸出波長連續變化的窄帶光。將該組連續變化的光入射到具體實施方式
二所記載的用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器的本征型法珀腔，通過光電放大即可獲得該結構反射光譜。本征型法珀腔反射光譜如圖7所示。循環掃描獲得反射光譜后，繼續調節DFB的輸出波長，當DFB輸出激光波長經法珀腔反射光強處于曲率半徑最大的Q點處時，Q點附近線性度和調制深度最佳，Q點即為靜態工作點，Q點對應的控制電壓為靜態工作點控制電壓。
具體實施方式
七在入射光波長穩定不變的情況下，本征型法珀腔的反射光光強會隨著腔長的變化而成周期性變化，圖8是在Matlab軟件中以中心波長1548. 5nm的光纖光柵在原始腔長為 20mm時，左右變化IOum時的仿真圖。當外界動態振動信號引起法珀腔腔長周期性變化時， 當振動信號沒有超出調制范圍時，可認為在該范圍內是線性輸出的，通過光電放大的輸出便可得到隨振動信號同步變化的輸出信號。
權利要求
1.一種用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器，其特征在于所述用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器(I)包括本征型光纖法珀腔(2)、硬聚氯乙烯制成的圓筒振子(3)，本征型光纖法珀腔(2)為一段單模光纖(4)熔接于兩段長度相等的光纖布拉格光柵(5)中間，本征型光纖法珀腔(2)沿圓筒振子(3)長度方向整體粘貼于圓筒振子(3)的外圓周表面上。
2.如權利要求I所述的用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器，其特征在于所述單模光纖⑷長度為20mm,所述圓筒振子(3)尺寸為長55. 3mm、內徑5. 3mm、外徑5. 6mm。
3.如權利要求I所述的用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器，其特征在于所述本征型光纖法珀腔(2)用丙烯酸酯整體粘貼于圓筒振子(3)的外圓周表面上。
4.如權利要求I至3任一項所述的用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器的使用方法，其特征在于包括以下步驟步驟一利用DFB激光器做為光源，通過調節DFB激光器控制系統使DFB激光器輸出波長連續變化的窄帶光，該組窄帶光經過光路耦合器入射到用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器的本征型光纖法珀腔，本征型光纖法珀腔的反射光經光路耦合器入射到光電放大器獲得該組窄帶光的反射光譜，將反射光譜上峰值與相鄰的最低值之間的譜帶上曲率半徑最大點確定為靜態工作點，靜態工作點對應的控制電壓為靜態工作點控制電壓；步驟二 調節控制電壓到靜態工作點控制電壓，使本征型光纖法珀振動傳感器工作在靜態工作點，將本征型光纖法珀振動傳感器置于待測液體環境中，圓筒振子耦合各個方向的外界動態振動信號，本征型光纖法珀腔腔長即單模光纖長度發生周期性變化，本征型光纖法珀腔的反射光光強形成周期性變化，反射光經光路耦合器入射到光電放大器輸出隨外界動態振動信號同步變化的輸出信號，輸出信號由數據采集卡采集成數字量后傳輸給計算機，計算機同時對本征型光纖法珀振動傳感器實際工作點偏離靜態工作點進行校正。
5.如權利要求4所述的使用方法，其特征在于步驟一中調節DFB激光器控制系統使 DFB激光器輸出波長連續變化的窄帶光的方法為計算機控制單片機循環輸出控制電壓信號給溫控芯片LTC1923，溫控芯片LTC1923做為數模轉換器接收單片機的控制電壓信號，溫控芯片LTC1923控制DFB激光器內部的半導體制冷器和熱敏電阻，改變DFB激光器輸出的窄帶光的波長，使DFB激光器輸出波長連續變化的窄帶光。
6.如權利要求4所述的使用方法，其特征在于步驟二中計算機同時對本征型光纖法珀振動傳感器實際工作點偏離靜態工作點進行校正的步驟為步驟A :計算機控制DFB激光器控制系統尋找本征型光纖法珀振動傳感器靜態工作點， 獲得即靜態工作點控制電壓\;步驟B :采集數據并對數據進行分析處理，通過二階數字濾波算法獲得去除與被測振動信號同周期振動的解調信號后的實際工作電壓V ；步驟C :將V與Vq進行比較，當IV-VtJ >0.01時，返回到步驟A，當IV-VtJ彡O. 01時， 返回到步驟B。
全文摘要
本發明為一種用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器及其使用方法，涉及光纖振動傳感器領域。為了解決非本征光纖法珀振動傳感器對檢測信號有方向性的要求在多方向同時檢測的應用環境受到限制的問題而設計，用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器包括本征型光纖法珀腔、硬聚氯乙烯制成的圓筒振子，本征型光纖法珀腔整體粘沿長度方向貼于圓筒振子的外圓周表面上；其使用方法為第一步尋找靜態工作點，第二步保持傳感器工作在靜態工作點，利用圓筒振子能夠耦合來自各個方向的振動信號的性質，獲得與外界動態振動信號同步變化的輸出信號。用于液體介質的本征型光纖法珀振動傳感器用于對液體介質中多方向的振動信號進行監測。
文檔編號G01H9/00GK102607691SQ20121007854
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者劉杰, 宋方超, 張偉超, 王鵬, 趙洪 申請人:哈爾濱理工大學