一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器制造技术

一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器，包括第一单偏振光纤，第一单偏振光纤输出端通过第一熔接点和第一高双折射光子晶体光纤输入端连接，第一高双折射光子晶体光纤输出端通过第二熔接点和第二高双折射光子晶体光纤输入端连接，第二高双折射光子晶体光纤输出端通过第三熔接点和第二单偏振光纤输入端连接，第二高双折射光子晶体光纤中部制备具有微型悬重的光纤在线微型悬臂梁，光纤在线微型悬臂梁外部设有刚性毛细管；单偏振光纤的光轴和高双折射光子晶体光纤的光轴为45

An optical fiber vibration sensor with temperature self compensation function

【技术实现步骤摘要】
一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器


[0001]本专利技术涉及光纤振动传感器
，尤其涉及一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器。

技术介绍

[0002]振动传感器是一种捕获环境振动信息检测装置，广泛用于生产生活、设备状态监测、智能制造等各个领域。现有的电学振动传感器，抗电磁干扰能力差、测量频带窄、灵敏度低、需要供电、无法满足恶劣电磁环境变电站、富有瓦斯气体煤矿井下、石油开采油井等恶劣环境中对振动的测量需求。光纤振动传感器与传统电学传感器相比，具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、本质无源等优势，可以在强电磁干扰环境下、煤矿油井等防爆要求较高的场合中应用，且光纤可以直接将信号与通信系统连接，便于将测得的振动信息实时远程传输。
[0003]然而，现有的光纤振动传感器需要附加额外的机械悬臂梁结构，其机理为利用机械悬臂梁在被测振动的作用下产生弯曲，通过光学方法测得悬臂梁的弯曲，进而反演出振动信息。由于受到悬臂梁自身共振频率和机械稳定性的影响，使得该类传感器测量频带有限、存在温度交叉敏感问题；此外，现有光纤振动传感器通常都需要较为复杂的相位、波长、光强等解调装置来完成对传感信号的提取，导致整个振动测量系统较为复杂、成本高。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供了一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器，对频率在5Hz～5kHz频带范围内的振动信号具有平坦的频响特性，具有结构简单、制作成本低廉、易于产业化的优点。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0006]一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器，包括第一单偏振光纤1，第一单偏振光纤1输出端通过第一熔接点2和第一高双折射光子晶体光纤3输入端连接，第一高双折射光子晶体光纤3输出端通过第二熔接点4和第二高双折射光子晶体光纤5输入端连接，第二高双折射光子晶体光纤5输出端通过第三熔接点6和第二单偏振光纤7输入端连接，第二高双折射光子晶体光纤5中部制备具有微型悬重8的光纤在线微型悬臂梁10，光纤在线微型悬臂梁10外部设有刚性毛细管9；单偏振光纤的光轴和高双折射光子晶体光纤的光轴为45
°
，两高双折射光子晶体光纤的光轴正交。
[0007]第一熔接点2实现第一单偏振光纤1与第一高双折射光子晶体光纤3之间光轴夹角为45
°
的熔接，第一单偏振光纤1中沿着光轴方向振动的线偏振光将被均匀地平分到第一高双折射光子晶体光纤3的快轴和慢轴上；
[0008]第二熔接点4实现第一高双折射光子晶体光纤3与第二高双折射光子晶体光纤5之间光轴夹角为90
°
的熔接，沿着第一高双折射光子晶体光纤3慢轴方向振动的线偏振光将转化为沿着第二高双折射光子晶体光纤5快轴方向振动的线偏振光，沿着第一高双折射光子
晶体光纤3快轴方向振动的线偏振光将转化为沿着第二高双折射光子晶体光纤5慢轴方向振动的线偏振光；
[0009]第三熔接点6实现第二高双折射光子晶体光纤5与第二单偏振光纤7之间光轴夹角为45
°
的熔接，第二高双折射光子晶体光纤5中沿着快慢光轴方向振动的线偏振光将投影到第二单偏振光纤7光轴振动方向上，并产生干涉，第二单偏振光纤7输出光强取决于干涉强度，即第二高双折射光子晶体光纤5输入第二单偏振光纤7的偏振态；
[0010]通过测量第二单偏振光纤7的输出光强感知第二高双折射光子晶体光纤5输出光的偏振信息，进而获得被测环境的振动信号。
[0011]所述的光线在线微型悬臂梁10是在第二高双折射光子晶体光纤5上通过化学腐蚀方法制备得到具有微型悬重8的微型悬臂梁，被测振动信号将带动微型悬臂梁振动，进而导致光的偏振态随着被测振动信号的变化而变化，最终使得传感器输出光强随着被测振动变化而变化。
[0012]所述第一单偏振光纤1和第二单偏振光纤7对于任意偏振态输入的光，其输出光都将是沿着单偏振光纤光轴方向振动的线偏振光。
[0013]所述第一高双折射光子晶体光纤3和第二高双折射光子晶体光纤5的光纤具有很高的双折射系数，双折射系数高于1.0
×
104，当其长度变化时，光纤输出端的偏振态发生剧烈变化。
[0014]所述微型悬重8为通过化学腐蚀方法在第二高双折射光子晶体光纤5本体上制备出的悬重物。
[0015]所述刚性毛细管9稳定支撑光纤在线微型悬臂梁10，在被测振动作用下不产生破裂和形变。
[0016]所述的第二高双折射光子晶体光纤5中光纤在线微型悬臂梁10的制备方法，包括以下步骤：
[0017]步骤一，准备外部有涂覆层11的第二高双折射光子晶体光纤5；
[0018]步骤二，将第二高双折射光子晶体光纤5的部分涂覆层11剥离，使得光纤包层12暴露在空气中；
[0019]步骤三，将剥离后的第二高双折射光子晶体光纤5置于盛有质量浓度为5％的氢氟酸溶液13的器皿中；
[0020]步骤四，在氢氟酸溶液13的腐蚀作用下，光纤包层12被逐渐腐蚀而越来越细，进而形成具有更细直径的第一包层14和第二包层16，光纤其他区域由于受涂覆层11的保护将不会被腐蚀；
[0021]步骤五，当具有更细直径的第一包层14以及第二包层16直径到达80微米左右时，停止腐蚀，第一包层14和第二包层16中间形成微型悬重8；
[0022]步骤六，将腐蚀之后的第二高双折射光子晶体光纤5固定于刚性毛细管9中，两端用环氧光学胶15固定。
[0023]所述的一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器的测试系统，包括振动台18，振动台18上固定具有温度自补偿功能的光纤振动传感器的刚性毛细管9，具有温度自补偿功能的光纤振动传感器的第一单偏振光纤1输入端和窄带激光器17输出端连接，具有温度自补偿功能的光纤振动传感器的第二单偏振光纤7输出端和光电探测器19输入端连接，光
电探测器19输出端通过第一同轴电缆20和电流/电压转换放大器21输入端连接，电流/电压转换放大器21输出端通过第二同轴电缆22和数据采集器23输入端连接。
[0024]本专利技术的有益效果为：
[0025]由于本专利技术传感器不含有空间光路耦合环节和外界机械悬臂梁结构，不受外加悬臂梁共振效应的影响，在5Hz～5kHz频段内具有平坦的频响特性；此外，由于采用了两段高双折射光子晶体光纤正交级联结构，可有效抑制环境温度对传感器的影响，克服了传统振动传感器受温度交叉敏感而导致性能不稳定的局限性。
[0026]本专利技术提出的具有温度自补偿功能的光纤振动传感器制作简单、测量频带宽、频响特性好、成本低廉、体积超小、易于产业化，在结构监测、故障诊断、噪声监测、军事监听、智能制造等各个领域具有广阔的应用前景。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例的结构示意图。
[0028]图2为本专利技术实施例的原理图。
[0029]图3为本专利技术实施例的制备流程图。
[0030]图4为本专利技术实施例传感性能测试系统的结构示意本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有温度自补偿功能的光纤振动传感器，其特征在于：包括第一单偏振光纤(1)，第一单偏振光纤(1)输出端通过第一熔接点(2)和第一高双折射光子晶体光纤(3)输入端连接，第一高双折射光子晶体光纤(3)输出端通过第二熔接点(4)和第二高双折射光子晶体光纤(5)输入端连接，第二高双折射光子晶体光纤(5)输出端通过第三熔接点(6)和第二单偏振光纤(7)输入端连接，第二高双折射光子晶体光纤(5)中部制备具有微型悬重(8)的光纤在线微型悬臂梁(10)，光纤在线微型悬臂梁(10)外部设有刚性毛细管(9)；单偏振光纤的光轴和高双折射光子晶体光纤的光轴为45
°
，两高双折射光子晶体光纤的光轴正交。2.根据权利要求1所述的光纤振动传感器，其特征在于：第一熔接点(2)实现第一单偏振光纤(1)与第一高双折射光子晶体光纤(3)之间光轴夹角为45
°
的熔接，第一单偏振光纤(1)中沿着光轴方向振动的线偏振光将被均匀地平分到第一高双折射光子晶体光纤(3)的快轴和慢轴上；第二熔接点(4)实现第一高双折射光子晶体光纤(3)与第二高双折射光子晶体光纤(5)之间光轴夹角为90
°
的熔接，沿着第一高双折射光子晶体光纤(3)慢轴方向振动的线偏振光将转化为沿着第二高双折射光子晶体光纤(5)快轴方向振动的线偏振光，沿着第一高双折射光子晶体光纤(3)快轴方向振动的线偏振光将转化为沿着第二高双折射光子晶体光纤(5)慢轴方向振动的线偏振光；第三熔接点(6)实现第二高双折射光子晶体光纤(5)与第二单偏振光纤(7)之间光轴夹角为45
°
的熔接，第二高双折射光子晶体光纤(5)中沿着快慢光轴方向振动的线偏振光将投影到第二单偏振光纤(7)光轴振动方向上，并产生干涉，第二单偏振光纤(7)输出光强取决于干涉强度，即第二高双折射光子晶体光纤(5)输入第二单偏振光纤(7)的偏振态；通过测量第二单偏振光纤(7)的输出光强感知第二高双折射光子晶体光纤(5)输出光的偏振信息，进而获得被测振动信号。3.根据权利要求1所述的光纤振动传感器，其特征在于：所述的光线在线微型悬臂梁(10)是在第二高双折射光子晶体光纤(5)上通过化学腐蚀方法制备得到具有微型悬重(8)的微型悬臂梁，被测振动信号将带动微型悬臂梁振动，进而导致光的偏振态随着被测振动信号的变化而变化，最终使得传感器输出光强随着被测振动变化而变化。4.根据权利要求1所述的光纤振动传...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩春阳，丁晖，金祎，顾渊博，
申请(专利权)人：国网上海市电力公司，
类型：发明
国别省市：