CN106248194A - 一种基于无芯光纤的振动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无芯光纤的振动测量装置，包括数据采集模块、光电探测器、耦合器、掺铒光纤、波分复用器、光源、隔离器和无芯光纤传感结构；波分复用器的第一端连接光源，波分复用器的第二端连接掺铒光纤的一端，掺铒光纤的另一端连接至耦合器的第一端，耦合器的第二端连接至无芯光纤传感结构的一端，无芯光纤传感结构的另一端连接至隔离器的一端，隔离器的另一端连接至波分复用器的第三端，耦合器的第三端连接至光电探测器的输入端，数据采集模块的输入端连接至所述光电探测器的输出端。本发明能够克服温度对振动测量的影响，提高测量精度。

Description

一种基于无芯光纤的振动测量装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种基于无芯光纤的振动测量装置。

背景技术

随着近几十年来光纤传感技术的不断发展，光纤传感技术在各个领域得到广泛应用，特别是在电力***、建筑、通信等领域应用尤为常见。随着社会经济发展，智能电网概念的提出，电力***中对实现相关设施的结构健康状况实时监测有了越来越高的要求，如变压器振动、温度等参量的在线监测，传统的机械与电磁传感方式已经没有办法满足现实的需求。光纤作为一种优质光学传输介质，当被应用在传感领域时，其相较于传统传感器就能突显出很多优势，比如测量精度高、响应速度快、电磁绝缘、体积小、重量轻、耐腐蚀等。因此光纤传感器实现对微小应变的测量对工程上变压器状态参量监测具有重要意义。

无芯光纤是一种比较特别的光纤，它没有光纤特有的芯包结构，是一种全部由玻璃纤维构成的均匀材质波导结构。它只有包层外加涂覆层，并且涂覆层易于剥落，使用方便。相比较于传统光纤传感结构，无芯光纤对微小应变更加敏感，响应速度更快，并且精度更高，测量带宽更大。

电力***中，变压器作为变电最重要的设备之一，其状态监测无疑是研究热点。而对于使用广泛的油浸式变压器来说，温度振动的交叉敏感性一直是传统振动传感器(如光纤光栅)监测的难题。而无芯光纤特有的温度不敏感性就不存在这种问题，不需要设计其他复杂结构除去温度影响，保证了测量的准确性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于无芯光纤的振动测量装置，旨在解决现有技术中无法克服温度对振动测量的影响导致测量精度低的问题。

本发明提供了一种基于无芯光纤的振动测量装置，包括数据采集模块、光电探测器、耦合器、掺铒光纤、波分复用器、光源、隔离器和无芯光纤传感结构；所述波分复用器的第一端连接所述光源，所述波分复用器的第二端连接所述掺铒光纤的一端，所述掺铒光纤的另一端连接至所述耦合器的第一端，所述耦合器的第二端连接至所述无芯光纤传感结构的一端，所述无芯光纤传感结构的另一端连接至所述隔离器的一端，所述隔离器的另一端连接至所述波分复用器的第三端，所述耦合器的第三端连接至所述光电探测器的输入端，所述数据采集模块的输入端连接至所述光电探测器的输出端。

工作时，所述波分复用器将所述光源产生的泵浦激励光泵浦到所述掺铒光纤中，并产生一个宽谱光，宽谱光通过所述耦合器耦合至所述无芯光纤传感结构中，由于模场失配发生模式干涉产生一个特定波长的干涉峰，对干涉波长进行快速选择，被选择的波长通过所述光隔离器回到所述波分复用器，实现激光的谐振与放大；再通过所述光纤耦合器将光导出，并由所述光电探测器对光进行接收，再通过所述数据采集模块完成光波长信号解调，实现对振动源频率精准探测。

更进一步地，所述无芯光纤传感结构包括：依次连接的第一单模光纤、无芯光纤和第二单模光纤。

更进一步地，所述第一单模光纤与所述无芯光纤之间通过熔接的方式连接，所述无芯光纤与所述第二单模光纤之间通过熔接的方式连接。

更进一步地，所述无芯光纤的长度为16.5mm的整数倍。

更进一步地，所述振动测量装置还包括显示模块，其连接在所述数据采集模块的输出端。

更进一步地，所述光源产生的泵浦激励光的波长为980nm。

更进一步地，所述耦合器为1:99耦合器。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于无芯光纤对微小弯曲非常敏感，其对光传输场影响显著，且无芯光纤本身具有温度不敏感性，能够取得增大测量灵敏度与***响应速度，并提高振动频率测量精度的有益效果。

附图说明

图1为本明提供的基于无芯光纤的振动测量装置中无芯光纤传感结构的示意图。

图2为本明提供的基于无芯光纤的振动测量装置的结构示意图。

其中，1为第一单模光纤，2为无芯光纤，3为第二单模光纤，4为显示模块，5为数据采集模块，6为光电探测器，7为耦合器，8为掺铒光纤，9为波分复用器，10为定波长的光源，11为隔离器，12为无芯光纤传感结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出了一种基于无芯光纤的振动测量装置，能够克服温度对振动测量的影响，提高测量精度。具体涉及一种基于无芯光纤滤波的光纤激光***实现对振动的有效测量。

本发明使用无芯光纤作为主要传感结构，通过对泵浦激光的干涉滤波以及相应解调装置实现对振动频率的有效测量。该传感结构使用单模-无芯-单模传感结构：第一段光纤为单模光纤，中间使用光纤熔接机熔接一段无芯光纤，最后再在另一端熔上单模光纤。无芯光纤长度可以为16.5mm的整数倍。

本发明还提供了一种基于光纤激光***以及相应解调装置的振动检测方法。该方法包括一定波长的激光光源，波分复用器9，一段掺铒光纤8，耦合器7，上述传感结构12，隔离器11，光电探测器6，数据采集模块5，显示模块4。

波分复用器9，掺铒光纤8，传感结构12，隔离器11构成光纤激光器泵浦环形腔，波分复用器9另一端连接一定波长的可激发掺铒光纤产生荧光的光源，耦合器11另一端连接光电探测器6，数据采集模块5和显示，其构成振动解调装置，对此激光***产生的波长信号变化进行记录解调。

掺铒光纤的泵浦波长可选比较常见的波长，方便泵浦光源对其激励出荧光，并且泵浦出的光强峰值高，噪声小，传感效果越明显，精度越高。耦合器尽可能选用大比例(如1:99)的，可使更多激发出的光在环形腔中振荡，使得在显示模块中的激光效果更好。上述的传感结构固定在被检测的振动源上。

本发明提供的基于无芯光纤滤波的光纤激光***测量振动方法，利用的是无芯光纤传感结构的模场失配产生模式干涉(自聚焦效应)，于是在特定波长上产生干涉峰。实际上无芯光纤发生的微弯即对产生的多波长激光进行选择滤波。当其受到振动的影响而产生周期性微弯，使得掺铒光纤激发的荧光通过无芯光纤传感结构后产生的干涉峰发生相应的红移或蓝移(增大或减小)，即把振动频率信号调制到光波长信号变化的快慢上，通过对波长信号的检测解调实现对环境振动的测量。这种方法利用了无芯光纤对微弯的高敏感性以及激光的高精度，克服了传统光纤光栅对横向应力的不敏感，大大增加了测量带宽；同时最主要的是解决了温度与振动的交叉敏感性难题，提高了测量精度。

本发明基于所述传感结构的测量装置具有精度高，测量范围大的优势，可远距离传感，并且结构简单易于制作，克服温度干扰实现单一量的精准测量。

如图1所示，单模光纤和无芯光纤分别剥除涂覆层，使用熔接机熔接，为防止无芯光纤断裂可使用毛细管封装固定(也可使用其他方式封装，只要不影响其产生微小应变)。无芯光纤长度可根据实际测量需要调节长度，具有很好灵活性。

图2所示为本发明所述基于无芯光纤的光纤激光器***结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

基于无芯光纤的振动测量装置包括数据采集模块5、光电探测器6、耦合器7、掺铒光纤8、波分复用器9、光源10、隔离器11和无芯光纤传感结构12；波分复用器9的第一端连接所述光源10，波分复用器9的第二端连接掺铒光纤8的一端，掺铒光纤8的另一端连接至耦合器7的第一端，耦合器7的第二端连接至无芯光纤传感结构12的一端，无芯光纤传感结构12的另一端连接至隔离器11的一端，隔离器11的另一端连接至波分复用器9的第三端，耦合器7的第三端连接至光电探测器6的输入端，数据采集模块5的输入端连接至光电探测器6的输出端。

波分复用器9，掺铒光纤8，无芯光纤传感结构12，隔离器11(大耦合比端口)依次按照普通的光纤跳线连接，其构成光纤激光泵浦环形腔，波分复用器9另一端连接与掺铒光纤泵浦波长相对应的光源产生泵浦激励光，耦合器另一端(小耦合比端口)连接光电探测器，数据采集模块和显示模块，其构成振动解调装置，对此振动传感***产生的波长信号变化进行记录解调。上述的传感结构固定在被检测的振动源上。

其工作过程是，首先由一定波长的光源10产生泵浦激励光，通过波分复用器9，将泵浦光泵浦到掺铒光纤8中，产生一个宽谱光，通过放置在振动源上的无芯光纤传感结构12，其由于模场失配发生模式干涉产生一个特定波长的干涉峰，振动源振动即对干涉波长进行快速选择(滤波器)，被选择的波长通过光隔离器11回到波分复用器9，实现激光的谐振与放大，最后通过光纤耦合器7把光导出，由光电探测器6对光进行接收，通过数据采集模块5与显示模块4完成光波长信号解调，实现对振动源频率精准探测。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于无芯光纤的振动测量装置，其特征在于，包括数据采集模块(5)、光电探测器(6)、耦合器(7)、掺铒光纤(8)、波分复用器(9)、光源(10)、隔离器(11)和无芯光纤传感结构(12)；

所述波分复用器(9)的第一端连接所述光源(10)，所述波分复用器(9)的第二端连接所述掺铒光纤(8)的一端，所述掺铒光纤(8)的另一端连接至所述耦合器(7)的第一端，所述耦合器(7)的第二端连接至所述无芯光纤传感结构(12)的一端，所述无芯光纤传感结构(12)的另一端连接至所述隔离器(11)的一端，所述隔离器(11)的另一端连接至所述波分复用器(9)的第三端，所述耦合器(7)的第三端连接至所述光电探测器(6)的输入端，所述数据采集模块(5)的输入端连接至所述光电探测器(6)的输出端。

2.如权利要求1所述的振动测量装置，其特征在于，工作时，所述波分复用器(9)将所述光源(10)产生的泵浦激励光泵浦到所述掺铒光纤(8)中，并产生一个宽谱光，宽谱光通过所述耦合器(7)耦合至所述无芯光纤传感结构(12)中，由于模场失配发生模式干涉产生一个特定波长的干涉峰，对干涉波长进行快速选择，被选择的波长通过所述光隔离器(11)回到所述波分复用器(9)，实现激光的谐振与放大；再通过所述光纤耦合器(7)将光导出，并由所述光电探测器(6)对光进行接收，再通过所述数据采集模块(5)完成光波长信号解调，实现对振动源频率精准探测。

3.如权利要求1或2所述的振动测量装置，其特征在于，所述无芯光纤传感结构(12)包括：依次连接的第一单模光纤(1)、无芯光纤(2)和第二单模光纤(3)。

4.如权利要求3所述的振动测量装置，其特征在于，所述第一单模光纤(1)与所述无芯光纤(2)之间通过熔接的方式连接，所述无芯光纤(2)与所述第二单模光纤(3)之间通过熔接的方式连接。

5.如权利要求3所述的振动测量装置，其特征在于，所述无芯光纤(2)的长度为16.5mm的整数倍。

6.如权利要求1-5任一项所述的振动测量装置，其特征在于，所述振动测量装置还包括显示模块(4)，其连接在所述数据采集模块(5)的输出端。

7.如权利要求1-6任一项所述的振动测量装置，其特征在于，所述光源(10)产生的泵浦激励光的波长为980nm。

8.如权利要求1-7任一项所述的振动测量装置，其特征在于，所述耦合器(7)为1:99耦合器。