基于双路dfb光纤激光器的圆柱型悬臂梁振动传感器
专利摘要:本发明公开了一种基于双路DFB光纤激光器的圆柱型悬臂梁振动传感器,主要解决现有圆柱型悬臂梁振动传感器灵敏度低方向性差等问题。它由金属基座、两段刻有DFB光栅的有源光纤、泵浦源、两个波分复用器、一个3dB耦合器、两个金属夹持块、两个光电探测器、信号采集与处理端组成。两段刻有DFB光栅的有源光纤平行固定在一起,由两块金属夹持块夹持并固定于金属基座中。两段刻有DFB光栅的有源光纤的尾纤通过金属基座背面小孔引出进行信号处理与解调。本发明实现对甚低频信号的高灵敏度,高质量探测,而且避免了偏芯光纤的使用,构成更简单。
专利说明:
基于双路DFB光纤激光器的圆柱型悬臂梁振动传感器
[0001] 技术领域
[0002] 本发明涉及一种光纤振动传感器,尤其涉及一种基于分布式反馈(DFB)光纤激光器的圆柱型悬臂梁振动传感器。
[0003] 背景技术
[0004] 光纤传感器由于具有体积小,质量轻,耐腐蚀,不易受电磁干扰,高灵敏度等特点,广泛应用于水听器的研究领域。
[0005] 在水下,目前唯一能远程传输的只有声波。水下预警,水文环境探测,石油勘探,水下通信都是利用的声波。由于低频声波传播更远,损耗更低,尤其是甚低频(频率为100Hz以下)声波,是水声探测的研究重点。用于水声探测的传统光纤振动传感器,主要有光强度调制型与光相位调制型两大类,但由于光源波动,光纤扰动,温度扰动等,背景噪声强。尤其是光源的1/f噪声,极大地影响了低频探测效果,降低了最小可探测信号大小。悬臂梁型振动传感器作为光纤振动传感器的一种,由于其小型化,且采用的是光栅作为应变传感结构,主要利用测量Bragg波长的变化来实现传感,基本不受光源扰动影响,探测甚低频效果好,逐渐成为研究热点。
[0006] 目前的悬臂梁振动传感器有很多种结构,传统的平板型梁,圆柱型梁,等强度梁,空心梁,悬背梁等等。例如南开大学(专利申请号:200420028862.7)就是直接将光栅粘贴在平板型梁上,通过测量返回光波长的变化来测量应变。
[0007] 基于DFB光纤激光器的悬臂梁型振动传感器是在传统悬臂梁型光纤光栅传感器的基础上发展而来的。该种传感器的探测方法是通过测量DFB输出光频率变化来探测悬臂梁的应变,该传感器直接将DFB光纤激光器作为传感核心,大大简化系统的结构;且兼具有光纤光栅传感的优点,如低频探测灵敏度高、本底噪声低、精度高,测量带宽大,可靠性强。
[0008] 目前基于DFB光纤激光器的悬臂梁振动传感器的主要原理是在悬臂梁上附着刻写有光栅的有源光纤。根据2009年在IOP SCIENCE第20期上发表的题目为《High-resolutiondistributed-feedback fiber laser dc magnetometer based on the Lorentzianforce》文献所述,对于悬臂梁,其应变探测的灵敏度与光栅到中性面的位置成正相关。根据公式,对于发生纯弯曲的梁(即无扭动,无剪切力),在位置x处的应变为:
[0009] △ε(x)=±dn·K(x)
[0010] 其中dn表示该点距离中性轴的距离,K(x)表示该点曲率,而±代表在中性轴上方还是下方,上下是根据振动方向所定。故对于相同弯曲情况下的悬臂梁,距离中性轴位置越远,其应变越大,进而对振动的探测灵敏度越高。对于均匀对称结构,如圆柱体,中性轴在其几何中心线处;而对于两圆柱体平行粘连的情况,中性轴在两圆柱体中心连线的中点。在根据Lou,J.W.等人2013年在IEEE SENSORS上发表的题目为《Miniaturization of AcousticVector Sensors Enabled by Viscous Fluids:Towards Fiber Laser Hair Sensors》的文章所述。平板型悬臂梁振动传感器与利用偏心光纤增敏(提高纤芯与中性轴的距离)的圆柱型悬臂梁振动传感器相比,平板型悬臂梁的探测灵敏度更高。且在方向性测试试验中,圆柱型悬臂梁的方向性极差。导致了圆柱型梁在实际应用中较少。但圆柱型梁结构的低频频率响应特性比较平坦,低频的灵敏度以及本底噪声情况相较于传统光纤振动传感器较好,还是存在很大的应用前景。目前尚未有关于利用双路DFB提高圆柱型悬臂梁振动传感器探测灵敏度以及方向性的报道。
[0011] 发明内容
[0012] 本发明提出一种基于双路DFB光纤激光器的圆柱型悬臂梁振动传感器,主要解决现有圆柱型悬臂梁振动传感器灵敏度低方向性差等问题,实现对甚低频信号的高灵敏度,高质量探测。而且避免了偏芯光纤的使用,构成更简单。
[0013] 本发明采用的技术方案为:
[0014] 本发明由金属基座、两段刻有DFB光栅的有源光纤、泵浦源、两个波分复用器、一个3dB耦合器、两个金属夹持块、两个光电探测器、信号采集与处理端组成。
[0015] 每个波分复用器均有a、b、c三端口,a端口为泵浦输入端,a端口输入带宽覆盖泵浦源的输出光波长范围,b端口用于泵浦光输出及信号光输入,c端口为信号光输出端,c端口输出带宽覆盖刻有DFB光栅的有源光纤返回的信号光波长范围;
[0016] 金属基座为立方体,正面开有大孔,背面开有小孔,大孔和小孔的中心同轴,金属基座的底部开有四个固定孔;
[0017] 金属夹持块为半圆柱体,直径与大孔匹配,两个金属夹持块上均开有凹槽,凹槽的直径与刻有DFB光栅的有源光纤的直径相匹配;
[0018] 两个刻有DFB光栅的有源光纤平行固定在一起,优选实例为平行粘连,也可用套管封装等其他方式固定。两段刻有DFB光栅的有源光纤一端由两个金属夹持块通过凹槽夹住,仅让刻有光栅部分外露,构成悬臂梁,作为应变传感部分。两金属夹持块插入到大孔中。两路刻有DFB光栅的有源光纤的尾纤通过金属基座上背面小孔引出,并分别与两个波分复用器的端口相连。两波分复用器的c端口分别与光电探测器相连,两个波分复用器的a端口与3dB耦合器的两个输出端相连,而3dB耦合器的输入端与泵浦源输出端相连。两个光电探测器的输出端均与信号采集与处理端相连。
[0019] 两路刻有DFB光栅的有源光纤的栅距、栅区长度、掺杂离子的种类及浓度均相同,其中心频率根据探测需求确定,此例子优选的直径为125um,输出光中心波长为1550nm;泵浦源中泵浦输出光中心波长根据探测信号光波长需求确定,如信号光波长为1550nm时,对应的泵浦光波长可选择980nm;
[0020] 采用本发明实现低频探测的方法是:泵浦光从泵浦源中输出,进入3dB耦合器后,分成光强相等的两路,被分为两路的泵浦光通过波分复用器的端口a、b进入到刻有DFB光栅的有源光纤中,在泵浦光的激发及光栅的选频作用下,有源光纤中分别产生反向的信号光,然后信号光从两路有源光纤中返回,经过两波分复用器的c端口输出,进入到光电探测器中,通过信号采集与处理端探测信号光的频率变化趋势和大小来判断外界低频振动的情况,具体判断方法如下:
[0021] 当金属基座固定且没有振动情况下,两个信号光输出光频率大小相同。
[0022] 当外界产生振动时,由两路DFB光栅构成的悬臂梁受到外界震动时,发生振动,并产生应变,进而导致信号光输出光频率发生变化。由应变到输出光频的变化,基本原理表示为如下公式:
[0023]

[0024] 其中Δυ表示频率变化量,其正负与应变的正负相同,υ表示原光频率,κ表示光栅的耦合系数,Δε(x,t)代表x处t时刻的应变,x1与x2分别为光栅起始点与终点位置。
[0025] 当振动方向在两DFB中心连线方向上时,由于两个DFB分别在中性面两边,则发生应变正负相反,导致两个DFB上刻写的光栅的栅距一个变大,另一个栅距变小,栅距变大的激光器输出光频率变小,栅距变小的激光器输出光频率变大由于通过两输出光频率差值来测量应变,此时该悬臂梁振动传感器的探测灵敏度最大;当振动方向在两DFB中心连线垂直方向时,由于两DFB均在中心面上,所以两者应变相同,栅距变化趋势也相同,故输出光频率变化趋势相同,差值后结果趋近于0,与外界无振动时相同,此时该悬臂梁振动传感器的探测灵敏度最低;当振动方向处于与两DFB中心连线有一定夹角(0-90°)的时候,可以将振动分解到与两DFB中心连线垂直与平行的方向上,垂直方向同上分析,不引起频率差,平行方向引起频率差,但该方向的应变是总应变的分量,必然小于总应变,所以此时探测的灵敏度低于振动方向在两DFB中心连线上的情况。由此可以得到,该传感器具有极好的方向性。
[0026] 本发明的有益技术效果是:
[0027] 1.本发明因为使用两路相同的DFB平行固定的结构,所以极大的提高圆柱型悬臂梁振速水听器的方向性。
[0028] 2.本发明由于使用两路DFB平行固定,相较于使用偏芯光纤,其结构更为简单,且加大了纤芯与中性面的距离,提高了对应变探测的灵敏度,增敏效果好。
[0029] 3.本发明利用两路DFB输出光频率做差,对于相同的应变导致的频率变化,其差值结果是每一路DFB频率变化值的两倍,相较于单路DFB结构的传感器灵敏度提高到两倍。
[0030] 4.本发明结构的对称性好,而且提高了悬臂梁探测的指向性,只需再在金属基座上扩展添加两个同样的悬臂梁,三个悬臂梁,两两之间垂直,构成三轴,即可实现对三维的振动传感。
[0031] 总之,本发明通过两路DFB激光器的粘连使用,极大提高了圆柱型悬臂梁的探测方向性,为后续形成三维探测提供基础。同时由于类似推挽的结构,以及差分的解调方式,将灵敏度提高了一倍。再进一步两路DFB粘连相较于偏芯光纤,提高了纤芯与中性面距离,进一步提高了灵敏度。
[0032] 附图说明
[0033] 图1是本发明的总体结构框图;
[0034] 图2是本发明传感部分的装配体三视图;
[0035] 图3是金属基座的三视图;
[0036] 图4是金属夹持块的三视图;
[0037] 其中:1为金属基座,2为金属基座正面大孔,3为金属基座背面小孔,4、5为两段刻有DFB光栅的有源光纤,6为泵浦源,7、8为两个波分复用器,波分复用器均有a,b,c三个端口,9为3dB耦合器,10、11为两金属夹持块,12、13为金属夹持块上开的凹槽,14a、14b、14c、14d为金属基座底部的固定孔,15、16为光电探测器,17为信号采集与处理端。
[0038] 具体实施方式
[0039] 结合上述附图对于本发明进行进一步说明,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0040] 图1是本发明的结构示意图。本发明由金属基座1、两段刻有DFB光栅的有源光纤4和5、泵浦源6、两个波分复用器7和8、一个3dB耦合器9、两个金属夹持块10和11、两个光电探测器15和16、信号采集与处理端17组成。
[0041] 每个波分复用器均有a、b、c三端口,a端口为泵浦输入端,a端口输入带宽覆盖980nm,,b端口用于泵浦光输出及信号光输入,c端口为信号光输出端,信号输出光带宽覆盖1550nm,取泵浦源6的输出光中心波长为980nm,信号光中心波长为1550nm;
[0042] 金属基座1为两个立方体构成的组合立方体,正面开有大孔2,背面开有小孔3,大孔和小孔的中心同轴,金属基座1的底部开有四个固定孔14a、14b、14c、14d;金属基座的参数为,底座为70mm×70mm×8mm,底座上立方体为40mm×70mm×40mm;大孔2直径为20mm,深度为50mm;小孔3直径为5mm,深度为20mm。
[0043] 金属夹持块10和11为半圆柱体,直径与大孔2匹配,两个金属夹持块10和11上均开有凹槽12和13,凹槽12和13的直径与刻有DFB的有源光纤直径相匹配。其结构参数取为,夹持块10、11的直径为20mm,高70mm,凹槽12、13的直径取为125um。;
[0044] 两路刻有DFB光栅的有源光纤4、5的栅距取51nm、栅区长度取50mm、掺杂离子的种类为饵离子及浓度可以取300ppm,直径为125um,输出光中心波长为1550nm;
[0045] 两个刻有DFB光栅的有源光纤4、5平行粘连在一起,两段刻有DFB光栅的有源光纤一端由两个金属夹持块10、11通过凹槽12和13夹住,仅让刻有光栅部分外露,构成悬臂梁,作为应变传感部分。两金属夹持块10、11插入到大孔2中。两路刻有DFB光栅的有源光纤4、5的尾纤通过金属基座1上背面小孔3引出,并分别与两个波分复用器7、8的b端口相连。两波分复用器7、8的c端口分别与光电探测器15、16相连,两个波分复用器7、8的a端口与3dB耦合器9的两个输出端相连,而3dB耦合器9的输入端与泵浦源1输出端相连。两个光电探测器15、16的输出端均与信号采集与处理端17相连。
[0046] 当外界振动传播到该装置时,4与5构成的悬臂梁发生应变,如果振动方向在4与5中心连线方向,两DFB发生的应变理论上大小相同,但一个是压缩,一个是拉伸,导致两DFB输出光频率一个变大,一个变小。通过尾纤将输出光引出在进行光频的解调差分,即可得到悬臂梁的应变信息,进而得到振动信息。
[0047] 以上所述仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变型。
权利要求:1.一种基于双路DFB光纤激光器的圆柱型悬臂梁振动传感器,其特征在于该传感器由金属基座(1)、两段刻有DFB光栅的有源光纤(4)和(5)、泵浦源(6)、两个波分复用器(7)和(8)、一个3dB耦合器(9)、两个金属夹持块(10)和(11)、两个光电探测器(15)和(16)、信号采集与处理端(17)组成;
每个波分复用器(7)和(8)均有a、b、c三端口,a端口为泵浦输入端,a端口输入带宽覆盖泵浦源(6)的输出光波长范围,b端口用于泵浦光输出及信号光输入,c端口为信号光输出端,c端口输出带宽覆盖刻有DFB光栅的有源光纤(4)和(5)返回的信号光波长范围;
金属基座(1)为立方体,正面开有大孔(2),背面开有小孔(3),大孔和小孔的中心同轴,金属基座(1)的底部开有四个固定孔(14a)、(14b)、(14c)、(14d);
金属夹持块(10)和(11)为半圆柱体,直径与大孔(2)匹配,两个金属夹持块(10)和(11)上均开有凹槽(12)和(13),凹槽(12)和(13)的直径与刻有DFB光栅的有源光纤(4)和(5)的直径相匹配;
两段刻有DFB光栅的有源光纤(4)和(5)的栅距、长度、掺杂离子种类及浓度,均相同,其中心频率根据探测需求确定,泵浦源(6)输出光中心波长根据探测信号光波长需求确定;
两段刻有DFB光栅的有源光纤(4)和(5)平行固定在一起,两段刻有DFB光栅的有源光纤(4)和(5)的一端由两个金属夹持块(10)和(11)通过凹槽(12)和(13)夹住,仅让刻有光栅部分外露,两个金属夹持块(10)和(11)插入到大孔(2)中,两段刻有DFB光栅的有源光纤(4)和(5)的尾纤通过金属基座(1)背面小孔(3)引出,并分别与两个波分复用器(7)和(8)的b端口相连,两个波分复用器(7)和(8)的c端口分别与两个光电探测器(15)和(16)相连,两个波分复用器(7)和(8)的a端口分别与3dB耦合器(9)的两个输出端相连,3dB耦合器(9)的输入端与泵浦源(6)输出端相连。两个光电探测器(15)和(16)的输出端均与信号采集与处理端(17)相连。
2.如权利要求1所述的基于双路DFB光纤激光器的圆柱型悬臂梁振动传感器,其特征在于两段刻有DFB光栅的有源光纤(4)和(5)平行粘连。
3.如权利要求1所述的基于双路DFB光纤激光器的圆柱型悬臂梁振动传感器,其特征在于用套管将两段刻有DFB光栅的有源光纤(4)和(5)平行封装。
4.如权利要求1所述的基于双路DFB光纤激光器的圆柱型悬臂梁振动传感器,其特征在于,刻有DFB光栅的有源光纤(4)和(5)的直径为125um。
5.如权利要求1所述的基于双路DFB光纤激光器的圆柱型悬臂梁振动传感器,其特征在于刻有DFB光栅的有源光纤(4)和(5)的输出光中心波长为1550nm。
6.如权利要求5所述的基于双路DFB光纤激光器的圆柱型悬臂梁振动传感器,其特征在于泵浦源(6)输出光中心波长为980nm。
7.如权利要求1所述的基于双路DFB光纤激光器的圆柱型悬臂梁振动传感器,其特征在于刻有DFB光栅的有源光纤(4)和(5)掺杂铒离子,掺杂浓度为300ppm。
公开号:CN110608797
申请号:CN201911040539.9A
发明人:王建飞 周鑫 陈默 孟洲 陈伟 路阳 胡晓阳 陈羽
申请人:中国人民解放军国防科技大学
申请日:2019-10-29
公开日:2019-12-24
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