[发明专利]分布式光纤振动传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术，尤其涉及一种分布式光纤振动传感器。 

背景技术

振动量测量在工程领域具有潜在的运用价值，如结构健康监测、航空航天、石油化工、电力系统等安全监测。传统的振动测量方法如机械式测量法、电测量法，存在灵敏度低，体积大，测量范围受放大器件限制的问题，并且传统的振动测量方法只能进行点式测量，在实际运用中受到限制，因此研制高性能的振动测量系统势在必行。 

分布式光纤传感技术是指沿光纤传输路径上的外部信号以一定的方式对光纤中的光波进行不断的调制，以实现对被测量场的连续空间进行实时测量。光纤既是导光介质，同时作为传感元件，感应外界振动信号。 

相比于传统的振动传感器，光纤传感具备灵敏度高的特点，光纤传感能探测到极其细微的变化；动态范围大；保密性好，不受外界电磁波的干扰；体积小、重量轻，而且监控区域大，能对大范围区域进行监测；不易受环境变化影响；更重要的。光纤传感能达到全分布的实时监控。 

基于光纤技术的振动传感系统研究已经非常广泛，分布式光纤传感系统主要包括：光时域反射（OTDR，Optical Time Domain Reflectometer）、分布式光纤布拉格光栅（FBG，Fiber Bragg Grating）、光纤干涉式分布传感。光纤布拉格光栅实现点式或准分布式光纤传感，兼合波分复用技术，能实现振动的定位，但缺失振动频率信息。光时域反射主要是相位型光时域反射（Φ-OTDR），能实现米量级的空间分辨率，但能检测的振动频率较低。光纤干涉式分布传感能检测较高的振动频率信息，但存在振动空间分辨率低的问题。 

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种分布式光纤振动传感器，它由光源、第一耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光滤波器、三端口环形器、第一光电探测器、第二耦合器、第二光电探测器、高通滤波器、混频器、函数发生器、低通滤波器、数据采集卡、计算机和长距离传感光纤组成；光源与第一耦合器的输入端光路连接，第一耦合器将输入光分为两路，一路光作为检测信号输出至声光调制器，另一路光作为参考信号输出至第二耦合器的第一输入端；声光调制器对输入光进行调制处理后将光输出至掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器对输入光进行放大处理后将光输出至光滤波器进行消噪处理，经消噪处理后的光由光滤波器传输至三端口环形器的输入端，三端口环形器的收发复用端与第一光电探测器连接，三端口环形器的输出端与长距离传感光纤的一端连接，三端口环形器用以提取长距离传感光纤的后向瑞利散射光；长距离传感光纤的另一端与第二耦合器的第二输入端连接，检测信号和参考信号在第二耦合器中发生拍频干涉；第二耦合器的输出端与第二光电探测器的输入端连接，第二光电探测器的输出端与高通滤波器 的输入端连接，高通滤波器提取检测信号和参考信号的干涉信号中的交流项；高通滤波器的输出端与混频器的其中一个输入端连接，混频器的另一个输入端与函数发生器连接，检测信号和参考信号的干涉信号中的交流项与函数发生器输出的余弦信号在混频器内进行混频；函数发生器还与声光调制器连接；混频器的输出端与低通滤波器连接；低通滤波器和第一光电探测器都连接至数据采集卡，数据采集卡与计算机相连；长距离传感光纤铺设于被测空间内。 

基于前述结构，为了提高第二耦合器输出的信号的信噪比，本发明还作了如下改进：第二光电探测器采用平衡光电探测器；第二耦合器采用2×2耦合器；第二耦合器的两个输出端与第二光电探测器的两个输入端一一连接。 

更进一步地，函数发生器产生频率为5KHz、脉宽为50ns、高电平幅值为1V、低电平幅值为0.1V的电脉冲信号；声光调制器在函数发生器输出的电脉冲信号调制下，输出光脉冲信号，高电平脉冲光用于检测发生振动的位置；低电平脉冲光用于检测振动的频率。 

为了降低掺铒光纤放大器的自发辐射噪声，本发明还作了如下改进：掺铒光纤放大器的工作方式采用前向泵浦方式，采用980nm泵浦光在10m掺铒光纤下实现光放大。 

本发明的有益技术效果是：可同时对振动位置和振动频率进行检测，对信号的分辨率较高。 

附图说明

图1、本发明的结构示意图； 

图2、第二光电探测器采用平衡光电探测器时的结构示意图。