CN104061996B - 一种基于模间干涉原理的新型振动测量实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于模间干涉原理的新型振动测量实验装置。本装置使用中心波长为1550nm的激光光源1发出激光，激光通过单模—多模—单模光纤5之后由光电探测电路10转换为电压信号并进行放大，之后由SR830锁相放大器2进行采集，得到输出电压信号。SR830锁相放大器2给出已知频率的正弦信号，通过振动以及驱动模块13使多模光纤12发生振动，因此SR830锁相放大器的输出电压就会随之改变。实验结果表明，该装置可以连续测量振动信号的频率，并得到了良好的线性特性，其灵敏度为4.7401mV/Hz，测量频率范围为2Hz～80Hz。该装置使用悬臂梁结构作为振动源，使实验结构更加简化，并且利用锁相放大器2检测信号输出，使实验数据更加精确。

Description

一种基于模间干涉原理的新型振动测量实验装置

技术领域

本发明是一种基于模间干涉原理的新型振动测量实验装置，属于光纤传感器技术领域。

背景技术

二十世纪初，研究者们就开始对振动测量技术进行探索研究。在他们不断的研究和实践中，振动测量技术逐渐走向成熟。振动测量主要是测量振动的重要参 数，如振幅、频率、速度、加速度及位移等动态参数。振动测量技术随着工程中对振动监测需求的与日俱增而不断发展，涌现出大量高质量的测量设备和先进的测量方法。目前，振动测量的方法主要包括机械式、电气式和光学式三类。

现在国内外普遍使用的还是基于电气式振动传感器，如电涡流式振动传感器、压电式振动传感器、应变式振动传感器和电动式传感器。这些传感器普遍具有灵敏度低、抗干扰能力差、测量频率范围窄等缺点。所以，迫切需要研究出一种低成本、适应性强、灵敏度高的振动检测设备。

为了达到这些要求，研究者们把目光转向光纤传感器领域。目前国内外对光纤传感器也有了一定研究，研究最多的是光纤光栅振动传感器，他的灵敏度虽然很高，但传感信号的解调比较困难，实际应用的解调产品不多，且价格昂贵（迈克尔逊干涉光纤传感器和法布里-玻罗干涉型传感器结构都比较复杂，不利于实际操作）。而基于模间干涉原理测量振动结构比较简单，而且不需要昂贵的解调设备，因此研究者们把目光放在了模间干涉方面。

1995年，Lucas B．Soldamo等人在Journal of Lightwave Technology上发表文章，对多模光纤内部模式干涉效应、自聚焦现象及传输光场变化等重要理论进行了论述，从2003年起，各国学者开始对单模-多模-单模光纤（SMS）构进行广泛且深入的研究，获得了众多科研成果，如测量应变、折射率、pH等（文献1：Yuan Gong，Tian Zhao，Yun-Jiang Rao， YuWu. All-Fiber Curvature Sensor Based on Multimode Interference. IEEEPHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 23, NO. 11, JUNE 1, 2011 文献2 QiangzhouRong , Xueguang Qiao, Tuan Guo

Ruohui Wang, Jing Zhang, Manli Hu , Zhongyao Feng Yinyan Weng , YueMa, Temperature-calibrated f iber-optic refractometer based on a compact FBG-SMS structure, CHINESE OPTICS LETTERS, COL 10(03), 030604(2012)）。在本文中所述的实验装置，是基于是光在单模—多模—单模光纤结构中能够产生模间干涉的原理进行设计的

在本发明中设计了一种基于模间干涉原理的新型振动测量实验装置，此装置良好的证明了单模—多模—单模光纤结构可以用于测量振动，并得出了单模—多模—单模光纤能够测量振动的频率范围及其灵敏度。此装置与传统的电气式方法测量振动相比具有结构简单，重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等一系列优点。与以往单模—多模—单模光纤测量振动相比，本实验装置使用等腰三角形的悬臂梁结构作为振动源，保证了光纤各点受力均匀。并由SR830锁相放大器2提供正弦信号，信号可调且范围广。而且信号检测装置使用的是SR380锁相放大器2，信号采集更加精确。

发明内容

(一)、要解决的技术问题

本发明解决了目前传感信号的解调困难，价格昂贵，结构复杂，抗干扰能力弱等问题主要提出了一种基于模间干涉原理的新型振动测量实验装置。

(二)、技术方案

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于模间干涉原理的新型振动测量实验装置。该装置是将光纤固定在悬臂梁7上，悬臂梁7下端固定一个永久磁铁8。通过SR830锁相放大器2给出正弦信号，再经过信号放大电路4放大后输出到电磁线圈9，因此电磁线圈9产生交变磁场，带动悬臂梁7尾端的永久磁铁8来回振动，从而使悬臂梁7上的多模光纤12发生振动。当多模光纤12发生振动时，发生模间干涉的强度就会改变，因此会引起输出光强的改变，该输出信号经过光电探测电路10之后由SR830锁相放大器2采集，得到相应的输出电压，由此可以得到输出电压与振动频率之间的关系。

上述方案中，所述振动以及驱动模块13的主要结构为悬臂梁7。该悬臂梁7由碳纤维板构成，呈等腰三角形状，长20cm，底宽4cm，厚度1.5mm。此结构可以保证光纤粘在悬臂梁中心位置时，其各点所受力均匀。

上述方案中，所述振动以及驱动模块13采用了电磁线圈9与永久磁铁8。两个电磁线圈9呈左右对称状，内径10mm，外径35mm，长度30mm，电感值22.6mH。永久磁铁8半径5mm。通过对电磁线圈9通电，使永久磁铁8发生振动，由于永久磁铁8固定在悬臂梁7上，因此悬臂梁7发生振动，进一步带动悬臂梁7上的多模光纤12振动。

上述方案中，所述光源采用的是中心波长为1550nm的激光光源1。

上述方案中，所述实验装置的信号检测设备使用的是SR830锁相放大器2，SR830锁相放大器2可以有效消除噪声，有利于实验结果的准确性。

上述方案中，所述的光电探测电路10具有1M放大倍数，检测波长范围为1100nm～1700nm，响应度为0.96A/W，暗电流小于1.0nA。对于输出很小的电压信号能够很好地进行放大。

(三)、有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1) 本发明采用等腰三角形悬臂梁结构，材料由碳纤维板构成，不仅结构简单，而且可以保证光纤粘在悬臂梁7中心位置时，其各点所受力均匀。

2)本发明使用SR830锁相放大器2提供正弦信号，由电磁线圈9带动悬臂梁7发生振动，振动信号的频率可调且范围广。

3)实验装置使用SR830锁相放大器2可以有效消除噪声，提高测量准确性。

4)实验装置良好的证明了多模光纤12发生振动时，光在单模—多模—单模光纤5中会发生干涉，而且当多模光纤12振动频率改变时，干涉强度也会发生改变，因此输出光强就会发生改变。

5)通过最终结果，可以得出单模—多模—单模光纤5结构可以很好地测量振动频率的变化。而且测量的振动频率与显示的电压成良好的线性关系，灵敏度为4.7401mV/Hz，测量频率范围为2Hz～80Hz。

(四)、附图说明

图1是一种基于模间干涉原理的新型振动测量实验装置的***结构图。

图2是单模—多模—单模光纤5结构示意图。

图3是SR830锁相放大器2检测到的电压信号与悬臂梁7振动频率之间的关系曲线图。

（五）、具体实施方式

为使上述目的、优点更加易懂，下面结合附图以及具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明是通过以下技术方案实现的。这种基于模间干涉原理的新型振动测量实验装置主要包括中心波长为1550nm的激光光源1，单模—多模—单模光纤5、振动以及驱动模块13、信号检测与处理模块14。各模块之间的连接方式如图1所示：中心波长为1550nm激光光源1与单模—多模—单模光纤5连接，其中多模光纤12固定在振动以及驱动模块13的悬臂梁7上面，光纤另一端与信号检测与处理模块14连接。振动以及驱动模块13包括锁相放大器2，信号放大器4，电源3，支架6，悬臂梁7，永久磁铁8，电磁线圈9。信号检测与处理模块14包括光电探测电路10、SR830锁相放大器2。其中单模—多模—单模光纤5的输出端与光电探测电路10相连，最后由SR830锁相放大器2检测。

本发明的振动信号用如下方法产生：

永久磁铁8固定在悬臂梁7上面，悬臂梁7与电磁线圈9固定在支架6上面，如图1所示，SR830锁相放大器2产生的正弦信号经过信号放大电路4提供给电磁线圈9，使电磁线圈9产生电磁力，与永久磁铁8相互作用，使永久磁铁8发生振动，并带动悬臂梁7发生正弦振动。

本发明的传感原理如下说明：

光在相交区域内，形成一组稳定的明暗相间的斑纹，称为光的干涉现象。光的干涉相干条件：(1)频率相同；(2)存在相互平行的振荡分量；（3)相位差稳定。对于多模光纤中的各个模式，因为来源于同一光源所以其频率相同，振动分量都可以分为纵向和横向，每个模式相位唯一，因此只要光源是相干光源，多模光纤中的各模式之间就满足光的干涉条件。在本装置中使用的是中心波长为1550nm的激光光源1，激光由单模光纤11进入多模光纤12时会激励出多个模式的光，各个模式之间的光满足干涉条件，因此当这几个模式的光再进入另一段单模光纤11时就会发生干涉。当多模光纤12发生振动时，会使干涉强度发生变化，通过采集这种变化就可以测量振动，因此单模—多模—单模光纤5结构可以用于测量振动。

本发明具体实施过程如下：

单模—多模—单模光纤5中多模光纤12粘贴在悬臂梁7上面。其中单模—多模—单模光纤5主要是由一段单模光纤11、一段多模光纤12、以及一段单模光纤11熔接而成，如图2所示。悬臂梁7振动会带动单模—多模—单模光纤5中的多模光纤12发生振动。光信号在多模光纤12内发生干涉后通过信号检测与处理模块14转化为电压信号并检测。因为悬臂梁7发生的是已知频率的振动，我们对SR830锁相放大器2检测到的电压进行标定，之后通过标定既可以得到在此装置下悬臂梁7的振动频率与SR830锁相放大器2检测到的电压信号的一一对应关系如图3所示。由此得出悬臂梁7振动频率与SR830锁相放大器2检测到的电压的关系如下：

其中是悬臂梁7的振动频率，是SR830锁相放大器2的输出电压

该实验装置利用振动以及驱动模块13给多模光纤12提供振动。对已知频率的振动信号进行测量，并使用SR830锁相放大器2进行信号采集，能够最大限度的排除干扰，最后标定出振动频率以及电压的关系。该装置充分的证明了单模—多模—单模光纤5结构可以用于测量振动信号。实验测得灵敏度为4.7401mV/Hz，测量范围为2Hz～80Hz。

Claims (7)

1.一种基于模间干涉原理的新型振动测量实验装置，主要包括中心波长为1550nm的激光光源(1)，单模—多模—单模光纤(5)、振动以及驱动模块(13)、信号检测与处理模块(14)，其特征在于：中心波长为1550nm的激光光源(1)与单模—多模—单模光纤(5)的一端连接，其中单模—多模—单模光纤(5)中多模光纤(12)固定在振动以及驱动模块(13)的悬臂梁(7)上面，单模—多模—单模光纤(5)的另一端与信号检测与处理模块(14)连接，其中在振动以及驱动模块(13)中，悬臂梁(7)下端固定一个永久磁铁(8)，通过第一SR830锁相放大器给出正弦信号，经信号放大电路(4)接入电磁线圈(9)，电磁线圈(9)产生交变磁场，从而带动悬臂梁(7)尾端的永久磁铁(8)来回振动，悬臂梁(7)上的多模光纤(12)随之发生振动，则输出光强就会发生变化,光信号通过单模—多模—单模光纤(5)后进入光电探测电路(10)，最后由第二SR830锁相放大器采集，就可以获得第二SR830锁相放大器的输出电压与多模光纤(12)振动频率之间的关系。

2.如权利要求1所述的一种基于模间干涉原理的新型振动测量实验装置，其特征在于：振动以及驱动模块(13)包括第一SR830锁相放大器(2)，信号放大电路(4)，支架(6)，悬臂梁(7)，永久磁铁(8)，电磁线圈(9)，第一SR830锁放大器的信号输出端与信号放大电路(4)相连，电源(3)与信号放大电路(4)相连，给信号放大电路(4)供电，信号放大电路(4)与电磁线圈(9)相连，永久磁铁(8)固定在悬臂梁(7)上面，悬臂梁(7)与电磁线圈(9)固定在支架(6)上面，第一SR830锁相放大器(2)给电磁线圈(9)供正弦信号，使之产生电磁力，电磁力与永久磁铁(8)相互作用，最终带动悬臂梁(7)上的多模光纤(12)发生正弦振动。

3.如权利要求1所述的一种基于模间干涉原理的新型振动测量实验装置，其特征在于：其中单模-多模-单模光纤(5)由纤芯直径为9μm、包层直径为125μm的单模光纤(11)与纤芯直径为125μm的无包层多模光纤(12)熔接而成。

4.如权利要求1所述的一种基于模间干涉原理的新型振动测量实验装置，其特征在于：信号检测与处理模块(14)中，光信号由1M放大倍数的光电探测电路(10)转换为电压信号，之后通过第二SR830锁相放大器进行采集。

5.如权利要求2所述的一种基于模间干涉原理的新型振动测量实验装置，其特征在于，所述的悬臂梁(7)由碳纤维板构成，呈等腰三角形状，长20cm，底宽4cm，厚度1.5mm，一阶固有频率50Hz，此结构可以保证光纤粘在悬臂梁中心位置时，其各点所受力均匀。

6.如权利要求2所述的一种基于模间干涉原理的新型振动测量实验装置，其特征在于，所述的电磁线圈(9)内径为10mm，外径为35mm，长度为30mm，电感值为22.6mH。

7.如权利要求2所述的一种基于模间干涉原理的新型振动测量实验装置，其特征在于，所述的永久磁铁(8)半径为5mm，磁感应强度为0.58Gs。