[发明专利]基于光纤拍频技术的双参数检测数字传感系统及方法

说明书

本发明公开了基于光纤拍频技术的双参数检测数字传感系统及方法，属于信息传输技术领域。所述系统包括：激光器、波分复用器、光纤激光谐振腔、激振器、激振器控制模块、光电探测器、数据采集设备、信号监测设备；本发明通过采用不同的拍频信号对振动和温度的不同敏感程度实现双参数的测量，偏振模拍频测量低频振动，纵模拍频信号测量温度信息，解决了目前的传感器无法检测1Hz以下的振动信号的问题以及无法实现双参数测量问题，达到了最低可检测频率为0.25Hz以及实现了振动和温度的双参数测量的效果，且具有结构简单、信噪比高、测量精度高、稳定性好等优点。

技术领域

本发明涉及基于光纤拍频技术的双参数检测数字传感系统及方法，属于信息传输技术领域。

背景技术

振动信号检测已广泛应用于土木工程、工业工程、工程机械、航空航天等领域。对于地震波场监测、管道传输、光纤水听器等应用，由于振动频率从Hz到sub-Hz较低，能量相对较弱，因此实现低频弱能量振动检测能力非常重要。此外，温度变化也是工程机械监测的重要因素，它与设备故障密切相关。因此，开发具有温度检测和抗电磁干扰能力的高性能振动传感器系统，特别是能够在恶劣环境下工作的低频或弱能量振动检测对于满足行业的要求是非常重要的。

与电传感器相比，光纤振动传感器具有运行可靠、精度高、灵敏度高、在恶劣环境下抗干扰能力强等固有优点。光纤振动传感器主要有五类：Mach-Zehnder干涉仪、Michelson干涉仪、Fabry-Perot(FP)腔干涉仪、光纤布拉格光栅(FBG)、光频域反射(OFDR)、光时域反射(OTDR)和光纤激光器。

有学者采用Mach-Zehnder干涉仪设计的光纤振动传感器消除了数字相位解调中的相位约束，扩大了振动检测范围，其最小可检测振动频率为10Hz。有学者提出了一种基于光纤双环Michelson干涉仪的动态信号检测传感器，虽然该传感器对微弱声波具有良好的灵敏度，但是其最小可检测振动频率为500Hz，并且基于F-P干涉仪，研究了短kagomé中空光子晶体光纤全光纤温度不敏感振动传感器，最小可检测振动频率为1Hz。另外，有学者提出了一种摆结构的光纤光栅传感器，利用小波变换方法避免了倾斜和加速度的交叉敏感性，实现了倾斜和加速度两个参数的测量，然而，该传感器只能工作在32Hz以下。有学者提出了一种基于OFDR和互相关算法的分布式振动传感器，虽然该方法提高了精度，但其最小可检测频率为5kHz。还有学者提出振动和温度的测量分别由偏振光时域反射仪(P-OTDR)和拉曼光时域反射仪(ROTDR)实现。温度测量的不确定度为0.57℃，最小检测频率的振动测量为100Hz，存在温度和振动的交叉敏感性。

相较于上述复杂的光学解调方式，多纵模光纤激光传感器系统以其结构简单、灵敏度高、成本低而得到广泛认可。通过监测拍频信号的频率变化而不是激光的波长漂移，可以观察到极高的传感灵敏度。

基于拍频传感技术的多纵模光纤激光传感器系统通过检测拍频频率的变化可以解调拉力、压力、温度，振动等诸多参数，比如Y.Guo,X.W.Mao,S.L.Song,Y.Ni,H.D.Wu,andX.F. Chen.Multi-longitudinal mode fiber laser digital vibration-sensingsystem based on a multi-carrier modulation/demodulation technique[J].OpticalExpress,2020,28(21):31808-31820公开了一种基于数字振动解调技术的多纵模光纤激光传感器系统，该系统由激光器、波分复用器、光纤激光谐振腔、激振器、激振器控制模块、光电探测器及通用软件无线电构成。对谐振腔中的光纤光栅施加振动信号，该系统的振动信号的采集及解调是由通用软件无线电外设实现的，虽提高了输出振动信号的信噪比和传感精度，但对于1Hz以下的振动信号仍难检测，并且该系统只实现了单一参数的测量，限制了其应用范围，而对于工程机械检测不仅要监测其振动能力，同时还需要监测其温度变化。

发明内容