反饋式光纖共振傳感器制造技術

一種反饋式光纖共振傳感器，分光鏡分別與入射光纖、出射光纖和共振光纖相連，共振光纖的另一端穿過彈型連接頭并露出一段光纖作為共振傳感探頭，彈型連接頭尖的一端插進連接器中，連接器又插入絕緣圓筒中，由調節螺釘把連接器與絕緣圓筒固定，絕緣圓筒的底端設置反射鏡，反射鏡端面的漸屈線是共振光纖頭振動的運動路徑，而且半徑處處相等。入射光通過分光鏡進入共振光纖中，經反射后再通過分光鏡到出射光纖中，然后通過光電轉換進行電信號處理。本發明專利技術利用傳感探頭光纖與被測物的共振對被測物的振動位移進行放大，通過光纖的彎曲程度來測量反射光的功率，從而能夠精確測量被測物的振動位移以及振動速度，結構簡單，靈敏度高。（*該技術在2024年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種反饋式光纖共振傳感器，主要用于測量被測物的振動位移以及振動速度，屬于光電子測試類領域。
技術介紹
大型儀器在工作時，會有一定范圍的微小振動。正常情況下這個振動的振幅是不會超過一定的范圍，當儀器異常工作時，振動也會異常。很多情況下人們希望能夠了解這一振動的具體大小，得到異常振動的臨界值。有很多場合要求微振動的測量傳感探頭不能帶電，能在電磁干擾的環境下工作，有一些要求必須是在線檢測，也就是在實際需要的環境下對測量方法提出新的要求。而光纖振動傳感器由于光纖本身具有抗電磁、抗輻照的特性能夠在電磁干擾的環境下工作，這是電振動傳感器無法比擬的。專利號為94202968.2的中國專利“無源非金屬光纖振動傳感頭”，采用如下的測振方法光纖振動傳感頭有三根光纖，一根是入射光纖，另外兩根是出射光纖，三根光纖與自聚焦透鏡相連。當傳感頭不振動時，光通過自聚焦透鏡射到帶有彈簧片的反射鏡上，光返回再次通過自聚焦透鏡等同的分布在兩根出射光纖上，此時，兩根出射光纖的輸出功率是一樣的；當傳感頭振動時，反射鏡也會隨著振動，這樣反射光分布在兩根出射光纖上的光功率就會有差異，由此可以測量待測部件的振動位移。這種光纖振動傳感頭看似簡單，但存在明顯的缺陷，并不是每個振動位置都能保證反射光通過出射光纖輸出，而且靈敏度不高。江毅等人(光子學報，2003.32(9)1059-1062)提出了光纖Fabry-Perot(法布里-珀羅)腔振動傳感器，該傳感器是用頻譜分析的方法對光纖Fabry-Perot腔傳感器的輸出信號進行解調。在正弦振動條件下，用干涉信號的3次諧波與基次波的功率比直接計算出振動幅度，可以簡單地解調出信號。但這一技術只能滿足工程中精度要求不高的場合，因為在有高次諧波情況下，測量結果就可能不正確。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對現有技術的不足，提供一種反饋式光纖共振傳感器，即改善原有振動傳感器的性能，又使制作工藝變得相對簡單。為實現這樣的目的，本專利技術利用傳感探頭光纖與被測物的共振對被測物的振動位移進行放大，通過光纖的彎曲程度來測量反射光的功率，從而能夠精確測量被測物的振動位移以及振動速度。光纖共振時，光纖的固有頻率與光纖振動長度的平方成反比、與光纖半徑成反比，這是根據共振頻率制作匹配光纖的主要理論依據。本專利技術的反饋式光纖共振傳感器包括絕緣圓筒，共振光纖，用于反射光的反射鏡，分光鏡，入射光纖，出射光纖，連接頭和連接器等。分光鏡分別與入射光纖、出射光纖和共振光纖相連，共振光纖的另一端穿過彈型連接頭并露出一段光纖作為共振傳感探頭，共振光纖與彈型連接頭的相交處固接。彈型連接頭尖的一端插進連接器中，連接器又插入絕緣圓筒中，由調節螺釘把連接器與絕緣圓筒固定。絕緣圓筒的底端設置反射鏡，反射鏡端面的漸屈線是共振光纖頭振動的運動路徑，而且半徑處處相等。共振光纖用于共振的這部分共振傳感探頭，長度不易太長，否則會導致振動幅度過大，以至于接收光的損耗過大而沒法檢測；長度也不易太短，否則會導致振動幅度過小，以至于接收光的損耗相差不大而沒法檢測，一般取40-80mm。光纖的直徑不易過小，否則會導致傳輸光的功率太小而沒法檢測；光纖的直徑也不易過大，否則會導致振幅過小，接收光的損耗相差不大而沒法檢測，一般取0.3-0.6mm。共振光纖頭的運動路徑是反射鏡的漸屈線，而且半徑處處相等，所以共振光纖頭處在任何位置，光通過反射鏡的反射損耗都是一樣，根據光纖彎曲程度的不同而帶來損耗的不同可以測量不同狀態的反射光功率。分光鏡的制作應該滿足從入射光纖到共振光纖的光功率透射率在70～80％，而從共振光纖經分光鏡到出射光纖的反射率在80～90％。工作時，將傳感器固定在待測部件上，使傳感探頭光纖與待測部件發生共振。入射光通過分光鏡傳到共振光纖的傳感探頭上，再通過反射鏡把光反射回來。出射光纖與光電信號處理器相連，出射光通過光電轉換變成電壓，然后進行電信號處理。本專利技術利用共振光纖的傳感探頭與被測物的共振對被測物的振動位移進行放大，通過光纖的彎曲程度來測量反射光的功率，從而能夠精確測量被測物的振動位移以及振動速度，放大倍數在100倍左右，靈敏度為0.01mm。由于本專利技術的信號調制方式屬于光的強度調制，對光源的頻譜要求不高，所以使用中等功率的普通光源即可。本專利技術能夠同時測量待測部件的振動位移和振動速度等信息，利用單片機或電腦設備輸出顯示，從而可以進行實時在線監控；能夠測量在一段振動頻率范圍內的振動；制作簡單、成本費用比較低、適合批量生產。在強電磁、高電壓下，分光鏡與傳感頭的光纖可以拉長，把后端處理電接收部分與強電磁、高電壓環境相隔離，免受強電磁的干擾，所以本專利技術可以在一些特殊的環境下工作。相對于以往的振動傳感器本專利技術有明顯的優勢和顯著的進步，解決了在強電磁場環境下大型儀器微振動的測量問題，能夠進行實時在線監控，從而避免重大事故的發生。附圖說明圖1為本專利技術反饋式光纖共振傳感器的結構示意圖。其中1-絕緣圓筒，2-共振光纖，3-共振光纖的運動路徑，4-反射鏡，5-分光鏡，6-入射光纖，7-出射光纖，8-調節螺釘，9-彈型連接頭，10-連接器。具體實施例方式以下結合附圖對本專利技術的技術方案作進一步描述。本專利技術反饋式光纖共振傳感器的結構如圖1所示，包括絕緣圓筒1，共振光纖2，反射鏡4，分光鏡5，入射光纖6，出射光纖7，調節螺釘8，彈型連接頭9以及連接器10。本專利技術的連接方式分光鏡5分別與入射光纖6，出射光纖7和共振光纖2相連，共振光纖2與入射光纖6在同一光軸上，使入射光纖6上的光通過分光鏡5進入到共振光纖2中。共振光纖2另一端穿過彈型連接頭9并露出40-80mm長的光纖作為共振傳感探頭，共振光纖2與彈型連接頭9的相交處用膠水固定。彈型連接頭9尖的一端插進連接器10中，這樣便于共振光纖能夠方便的從光纖傳感連接器中卸載和安裝。帶有連接頭9和共振光纖2的連接器10插入絕緣圓筒1中，并由調節螺釘8把連接器10與絕緣圓筒1固定。絕緣圓筒1的底端設置反射鏡4，調節絕緣圓筒1的內部螺紋，使反射鏡4端面的漸屈線是共振光纖頭振動的運動路徑，而且半徑處處相等。工作時，將傳感器固定在待測部件上，使傳感探頭光纖與待測部件發生共振。入射光通過分光鏡5傳到共振光纖2的傳感探頭上，再通過反射鏡4把光反射回來。出射光纖7與光電信號處理器相連，出射光通過光電轉換變成電壓，然后進行電信號處理。很顯然，振動光纖2在平衡位置時光功率P1最大，在峰值位置時光功率P2最小，通過實時的電信號處理測得兩者之間的時間，倒數的兩倍就是待測部件的振動頻率，根據固定長度和直徑的光纖振動幅度與振動頻率的關系可以進行有效的位移補償，所以本專利技術能夠在一段頻率中精確測量待測部件的振動位移。為了避免光源的限制，把比例系數K＝(P1-P2)/P1與被測物的振動位移相聯系，測得光纖振動幅度或比例系數K與振動頻率的關系以及光纖長度、直徑與振動頻率的關系等信息，制成數據庫存入單片機或電腦中。由上述得到的位移與時間之比可以測得待測部件的振動速度。根據制成的共振光纖的長度和直徑以及在電路板中測得的振動頻率和比例系數K，調入數據庫進行位移補償，通過轉換得到原始待測部件的振動位移和振動速度。振動位移、振動速度等信息在單片機或電腦中進行輸出，因此，本專利技術可以用于進本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種反饋式光纖共振傳感器，其特征在于包括絕緣圓筒（１），共振光纖（２），反射鏡（４），分光鏡（５），入射光纖（６），出射光纖（７），調節螺釘（８），彈型連接頭（９）以及連接器（１０），分光鏡（５）分別與入射光纖（６），出射光纖（７）和共振光纖（２）相連，入射光纖（６）上的光通過分光鏡（５）進入到共振光纖（２）中，共振光纖（２）另一端穿過彈型連接頭（９）并露出一段光纖作為共振傳感探頭，共振光纖（２）與彈型連接頭（９）的相交處固接，彈型連接頭（９）尖的一端插進連接器（１０）中，連接器（１０）插入絕緣圓筒（１）中，由調節螺釘（８）將連接器（１０）與絕緣圓筒（１）固定，絕緣圓筒（１）的底端設置反射鏡（４），反射鏡（４）端面的漸屈線是共振光纖頭振動的運動路徑，而且半徑處處相等。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃云剛，殷宗敏，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：31[中國|上海]