本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于無(wú)芯光纖的振動(dòng)測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

隨著近幾十年來(lái)光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖傳感技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是在電力系統(tǒng)、建筑、通信等領(lǐng)域應(yīng)用尤為常見(jiàn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，智能電網(wǎng)概念的提出，電力系統(tǒng)中對(duì)實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有了越來(lái)越高的要求，如變壓器振動(dòng)、溫度等參量的在線監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的機(jī)械與電磁傳感方式已經(jīng)沒(méi)有辦法滿足現(xiàn)實(shí)的需求。光纖作為一種優(yōu)質(zhì)光學(xué)傳輸介質(zhì)，當(dāng)被應(yīng)用在傳感領(lǐng)域時(shí)，其相較于傳統(tǒng)傳感器就能突顯出很多優(yōu)勢(shì)，比如測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、電磁絕緣、體積小、重量輕、耐腐蝕等。因此光纖傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)微小應(yīng)變的測(cè)量對(duì)工程上變壓器狀態(tài)參量監(jiān)測(cè)具有重要意義。

無(wú)芯光纖是一種比較特別的光纖，它沒(méi)有光纖特有的芯包結(jié)構(gòu)，是一種全部由玻璃纖維構(gòu)成的均勻材質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。它只有包層外加涂覆層，并且涂覆層易于剝落，使用方便。相比較于傳統(tǒng)光纖傳感結(jié)構(gòu)，無(wú)芯光纖對(duì)微小應(yīng)變更加敏感，響應(yīng)速度更快，并且精度更高，測(cè)量帶寬更大。

電力系統(tǒng)中，變壓器作為變電最重要的設(shè)備之一，其狀態(tài)監(jiān)測(cè)無(wú)疑是研究熱點(diǎn)。而對(duì)于使用廣泛的油浸式變壓器來(lái)說(shuō)，溫度振動(dòng)的交叉敏感性一直是傳統(tǒng)振動(dòng)傳感器(如光纖光柵)監(jiān)測(cè)的難題。而無(wú)芯光纖特有的溫度不敏感性就不存在這種問(wèn)題，不需要設(shè)計(jì)其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)除去溫度影響，保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于無(wú)芯光纖的振動(dòng)測(cè)量裝置，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法克服溫度對(duì)振動(dòng)測(cè)量的影響導(dǎo)致測(cè)量精度低的問(wèn)題。

本發(fā)明提供了一種基于無(wú)芯光纖的振動(dòng)測(cè)量裝置，包括數(shù)據(jù)采集模塊、光電探測(cè)器、耦合器、摻鉺光纖、波分復(fù)用器、光源、隔離器和無(wú)芯光纖傳感結(jié)構(gòu)；所述波分復(fù)用器的第一端連接所述光源，所述波分復(fù)用器的第二端連接所述摻鉺光纖的一端，所述摻鉺光纖的另一端連接至所述耦合器的第一端，所述耦合器的第二端連接至所述無(wú)芯光纖傳感結(jié)構(gòu)的一端，所述無(wú)芯光纖傳感結(jié)構(gòu)的另一端連接至所述隔離器的一端，所述隔離器的另一端連接至所述波分復(fù)用器的第三端，所述耦合器的第三端連接至所述光電探測(cè)器的輸入端，所述數(shù)據(jù)采集模塊的輸入端連接至所述光電探測(cè)器的輸出端。

工作時(shí)，所述波分復(fù)用器將所述光源產(chǎn)生的泵浦激勵(lì)光泵浦到所述摻鉺光纖中，并產(chǎn)生一個(gè)寬譜光，寬譜光通過(guò)所述耦合器耦合至所述無(wú)芯光纖傳感結(jié)構(gòu)中，由于模場(chǎng)失配發(fā)生模式干涉產(chǎn)生一個(gè)特定波長(zhǎng)的干涉峰，對(duì)干涉波長(zhǎng)進(jìn)行快速選擇，被選擇的波長(zhǎng)通過(guò)所述光隔離器回到所述波分復(fù)用器，實(shí)現(xiàn)激光的諧振與放大；再通過(guò)所述光纖耦合器將光導(dǎo)出，并由所述光電探測(cè)器對(duì)光進(jìn)行接收，再通過(guò)所述數(shù)據(jù)采集模塊完成光波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)源頻率精準(zhǔn)探測(cè)。

更進(jìn)一步地，所述無(wú)芯光纖傳感結(jié)構(gòu)包括：依次連接的第一單模光纖、無(wú)芯光纖和第二單模光纖。

更進(jìn)一步地，所述第一單模光纖與所述無(wú)芯光纖之間通過(guò)熔接的方式連接，所述無(wú)芯光纖與所述第二單模光纖之間通過(guò)熔接的方式連接。

更進(jìn)一步地，所述無(wú)芯光纖的長(zhǎng)度為16.5mm的整數(shù)倍。

更進(jìn)一步地，所述振動(dòng)測(cè)量裝置還包括顯示模塊，其連接在所述數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端。

更進(jìn)一步地，所述光源產(chǎn)生的泵浦激勵(lì)光的波長(zhǎng)為980nm。

更進(jìn)一步地，所述耦合器為1:99耦合器。

通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于無(wú)芯光纖對(duì)微小彎曲非常敏感，其對(duì)光傳輸場(chǎng)影響顯著，且無(wú)芯光纖本身具有溫度不敏感性，能夠取得增大測(cè)量靈敏度與系統(tǒng)響應(yīng)速度，并提高振動(dòng)頻率測(cè)量精度的有益效果。

附圖說(shuō)明

圖1為本明提供的基于無(wú)芯光纖的振動(dòng)測(cè)量裝置中無(wú)芯光纖傳感結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖2為本明提供的基于無(wú)芯光纖的振動(dòng)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1為第一單模光纖，2為無(wú)芯光纖，3為第二單模光纖，4為顯示模塊，5為數(shù)據(jù)采集模塊，6為光電探測(cè)器，7為耦合器，8為摻鉺光纖，9為波分復(fù)用器，10為定波長(zhǎng)的光源，11為隔離器，12為無(wú)芯光纖傳感結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提出了一種基于無(wú)芯光纖的振動(dòng)測(cè)量裝置，能夠克服溫度對(duì)振動(dòng)測(cè)量的影響，提高測(cè)量精度。具體涉及一種基于無(wú)芯光纖濾波的光纖激光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的有效測(cè)量。

本發(fā)明使用無(wú)芯光纖作為主要傳感結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)泵浦激光的干涉濾波以及相應(yīng)解調(diào)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)頻率的有效測(cè)量。該傳感結(jié)構(gòu)使用單模-無(wú)芯-單模傳感結(jié)構(gòu)：第一段光纖為單模光纖，中間使用光纖熔接機(jī)熔接一段無(wú)芯光纖，最后再在另一端熔上單模光纖。無(wú)芯光纖長(zhǎng)度可以為16.5mm的整數(shù)倍。

本發(fā)明還提供了一種基于光纖激光系統(tǒng)以及相應(yīng)解調(diào)裝置的振動(dòng)檢測(cè)方法。該方法包括一定波長(zhǎng)的激光光源，波分復(fù)用器9，一段摻鉺光纖8，耦合器7，上述傳感結(jié)構(gòu)12，隔離器11，光電探測(cè)器6，數(shù)據(jù)采集模塊5，顯示模塊4。

波分復(fù)用器9，摻鉺光纖8，傳感結(jié)構(gòu)12，隔離器11構(gòu)成光纖激光器泵浦環(huán)形腔，波分復(fù)用器9另一端連接一定波長(zhǎng)的可激發(fā)摻鉺光纖產(chǎn)生熒光的光源，耦合器11另一端連接光電探測(cè)器6，數(shù)據(jù)采集模塊5和顯示，其構(gòu)成振動(dòng)解調(diào)裝置，對(duì)此激光系統(tǒng)產(chǎn)生的波長(zhǎng)信號(hào)變化進(jìn)行記錄解調(diào)。

摻鉺光纖的泵浦波長(zhǎng)可選比較常見(jiàn)的波長(zhǎng)，方便泵浦光源對(duì)其激勵(lì)出熒光，并且泵浦出的光強(qiáng)峰值高，噪聲小，傳感效果越明顯，精度越高。耦合器盡可能選用大比例(如1:99)的，可使更多激發(fā)出的光在環(huán)形腔中振蕩，使得在顯示模塊中的激光效果更好。上述的傳感結(jié)構(gòu)固定在被檢測(cè)的振動(dòng)源上。

本發(fā)明提供的基于無(wú)芯光纖濾波的光纖激光系統(tǒng)測(cè)量振動(dòng)方法，利用的是無(wú)芯光纖傳感結(jié)構(gòu)的模場(chǎng)失配產(chǎn)生模式干涉(自聚焦效應(yīng))，于是在特定波長(zhǎng)上產(chǎn)生干涉峰。實(shí)際上無(wú)芯光纖發(fā)生的微彎即對(duì)產(chǎn)生的多波長(zhǎng)激光進(jìn)行選擇濾波。當(dāng)其受到振動(dòng)的影響而產(chǎn)生周期性微彎，使得摻鉺光纖激發(fā)的熒光通過(guò)無(wú)芯光纖傳感結(jié)構(gòu)后產(chǎn)生的干涉峰發(fā)生相應(yīng)的紅移或藍(lán)移(增大或減小)，即把振動(dòng)頻率信號(hào)調(diào)制到光波長(zhǎng)信號(hào)變化的快慢上，通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)信號(hào)的檢測(cè)解調(diào)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境振動(dòng)的測(cè)量。這種方法利用了無(wú)芯光纖對(duì)微彎的高敏感性以及激光的高精度，克服了傳統(tǒng)光纖光柵對(duì)橫向應(yīng)力的不敏感，大大增加了測(cè)量帶寬；同時(shí)最主要的是解決了溫度與振動(dòng)的交叉敏感性難題，提高了測(cè)量精度。

本發(fā)明基于所述傳感結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置具有精度高，測(cè)量范圍大的優(yōu)勢(shì)，可遠(yuǎn)距離傳感，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制作，克服溫度干擾實(shí)現(xiàn)單一量的精準(zhǔn)測(cè)量。

如圖1所示，單模光纖和無(wú)芯光纖分別剝除涂覆層，使用熔接機(jī)熔接，為防止無(wú)芯光纖斷裂可使用毛細(xì)管封裝固定(也可使用其他方式封裝，只要不影響其產(chǎn)生微小應(yīng)變)。無(wú)芯光纖長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際測(cè)量需要調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，具有很好靈活性。

圖2所示為本發(fā)明所述基于無(wú)芯光纖的光纖激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為了便于說(shuō)明，僅示出了與本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)的部分，詳述如下：

基于無(wú)芯光纖的振動(dòng)測(cè)量裝置包括數(shù)據(jù)采集模塊5、光電探測(cè)器6、耦合器7、摻鉺光纖8、波分復(fù)用器9、光源10、隔離器11和無(wú)芯光纖傳感結(jié)構(gòu)12；波分復(fù)用器9的第一端連接所述光源10，波分復(fù)用器9的第二端連接摻鉺光纖8的一端，摻鉺光纖8的另一端連接至耦合器7的第一端，耦合器7的第二端連接至無(wú)芯光纖傳感結(jié)構(gòu)12的一端，無(wú)芯光纖傳感結(jié)構(gòu)12的另一端連接至隔離器11的一端，隔離器11的另一端連接至波分復(fù)用器9的第三端，耦合器7的第三端連接至光電探測(cè)器6的輸入端，數(shù)據(jù)采集模塊5的輸入端連接至光電探測(cè)器6的輸出端。

波分復(fù)用器9，摻鉺光纖8，無(wú)芯光纖傳感結(jié)構(gòu)12，隔離器11(大耦合比端口)依次按照普通的光纖跳線連接，其構(gòu)成光纖激光泵浦環(huán)形腔，波分復(fù)用器9另一端連接與摻鉺光纖泵浦波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的光源產(chǎn)生泵浦激勵(lì)光，耦合器另一端(小耦合比端口)連接光電探測(cè)器，數(shù)據(jù)采集模塊和顯示模塊，其構(gòu)成振動(dòng)解調(diào)裝置，對(duì)此振動(dòng)傳感系統(tǒng)產(chǎn)生的波長(zhǎng)信號(hào)變化進(jìn)行記錄解調(diào)。上述的傳感結(jié)構(gòu)固定在被檢測(cè)的振動(dòng)源上。

其工作過(guò)程是，首先由一定波長(zhǎng)的光源10產(chǎn)生泵浦激勵(lì)光，通過(guò)波分復(fù)用器9，將泵浦光泵浦到摻鉺光纖8中，產(chǎn)生一個(gè)寬譜光，通過(guò)放置在振動(dòng)源上的無(wú)芯光纖傳感結(jié)構(gòu)12，其由于模場(chǎng)失配發(fā)生模式干涉產(chǎn)生一個(gè)特定波長(zhǎng)的干涉峰，振動(dòng)源振動(dòng)即對(duì)干涉波長(zhǎng)進(jìn)行快速選擇(濾波器)，被選擇的波長(zhǎng)通過(guò)光隔離器11回到波分復(fù)用器9，實(shí)現(xiàn)激光的諧振與放大，最后通過(guò)光纖耦合器7把光導(dǎo)出，由光電探測(cè)器6對(duì)光進(jìn)行接收，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊5與顯示模塊4完成光波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)源頻率精準(zhǔn)探測(cè)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。