本實用新型涉及光纖振動傳感技術領域，尤其涉及一種高保真高帶寬光纖振動傳感系統(tǒng)。
背景技術：
在振動傳感技術領域內(nèi)，基于相位調(diào)制的光纖振動傳感技術近年引起廣泛關注，尤其是基于光纖塞格納克干涉儀結構的振動傳感技術方案。光纖塞格納克干涉儀由一個2×2的光纖分路器和一段光纖構成，在此技術方案中，激光信號經(jīng)過光纖分路器分為等強度的兩束光信號，分別順時針和逆時針傳輸，由于外界振動會對干涉環(huán)內(nèi)光纖的長度和纖芯折射率產(chǎn)生極微小的改變，從而來改變光程，當兩束光再次到達光纖分束器時發(fā)生干涉，干涉信號攜帶了完整的待測振動信息，干涉信號經(jīng)光電探測器轉換為電信號，再經(jīng)過處理就可以得到待測的振動或聲音信號。相對于傳統(tǒng)的電子式傳感技術來說，有如下優(yōu)點：光的干涉光強對于光程差改變十分敏感，可以探測環(huán)境內(nèi)微小振動；利用光纖對光信號進行長距離低損耗傳輸，可以實現(xiàn)長距離振動傳感；光學振動傳感器無需供電，易于實現(xiàn)全絕緣化、耐腐蝕，可以在高電壓和復雜電磁環(huán)境下實現(xiàn)振動傳感；光學振動傳感器幾乎無頻率限制，可以響應較寬頻率范圍內(nèi)的振動信號，從而實現(xiàn)高低頻振動信號的傳感。在眾多干涉?zhèn)鞲兄?，塞格納克干涉方式的振動傳感器一直被大量采用，塞格納克型光纖振動傳感器是利用聲音對光波相位的調(diào)制，并通過干涉儀的光路結構轉換為對光強度的調(diào)制，理論上探測靈敏度高，非常適合探測微弱的振動信號。
然而在實際應用中，薩格納克式光纖振動傳感器存在著兩個主要問題：
1.偏振消光問題。由于光的偏振狀態(tài)對干涉有直接影響，偏振方向平行的兩束光干涉程度最大，而正交偏振的兩束光波則不發(fā)生干涉。由于普通單模光纖不能保持光波偏振狀態(tài)恒定，敷設傳感光纖時的光纖彎曲、擠壓等，都會改變光波的偏振方向，導致在光纖分路器處相干的兩束光波的偏振態(tài)存在不確定性和不可控性，往往在光纖敷設完畢后，返回的兩路光信號之間不發(fā)生干涉或干涉程度很低；導致在探測器端完全測不到光功率或振動信號。如果采用保偏光纖，可以在一定程度上解決這個問題，但采用保偏光纖方案要求整個系統(tǒng)所有的光纖器件和光纖，包括激光器尾纖、傳輸光纖、光纖分路器、傳感光纖必須全部使用保偏光纖，這意味著整個系統(tǒng)的成本是普通單模光纖方案的數(shù)十倍甚至數(shù)百倍(注:保偏光纖器件是普通單模光纖器件價格是數(shù)十倍，保偏光纖成本是普通單模光纖價格的數(shù)百倍)。例如對比文獻1(CN 101308042)的權利要求5指出的系統(tǒng)內(nèi)的光纖必須為偏振波面保持光纖，即保偏光纖。
2.互易性導致靈敏度降低的問題。由于塞格納克光纖環(huán)本身存在的對稱性，使得順時針和逆時針方向傳輸?shù)墓庑盘柦邮盏恼駝诱{(diào)制幾乎相同，振動引起的相位差被抵消，從而導致整個系統(tǒng)的靈敏性大幅降低。通常的做法是在塞格納克光纖環(huán)內(nèi)增加一個光纖延遲環(huán)，延遲環(huán)不感受外界振動信息，只用于消除光路結構的互易性，例如對比文獻1(CN 101308042)中的延時光纖8。在一定程度上解決了靈敏性降低的問題，但這種設計帶來新的缺陷：為了屏蔽振動影響，光纖延遲環(huán)必須遠離振動傳感光纖安裝擺放(例如對比文獻1的權利要求1指出，延遲用光纖設置在傳感器主框體內(nèi)，振動檢測用光纖敷設于傳感器主框體外)，而遠距離的光纖布線又導致的問題1(偏振消光)難以消除和不可控，而且使塞格納克光纖環(huán)整體體積很大，無法實現(xiàn)小型化。
技術實現(xiàn)要素：
基于背景技術存在的技術問題，本實用新型提出了一種高保真高帶寬光纖振動傳感系統(tǒng)。
本實用新型提出的一種高保真高帶寬光纖振動傳感系統(tǒng)，包括：紅外光源、傳輸光纖、振動傳感探頭和信號采集處理器；其中，振動傳感探頭包括光纖分路器、第一光纖環(huán)、第二光纖環(huán)和外殼，光纖分路器、第一光纖環(huán)、第二光纖環(huán)均安裝在外殼內(nèi)；
第一光纖環(huán)和第二光纖環(huán)分別由一根光纖環(huán)繞形成，第一光纖環(huán)和第二光纖環(huán)均采用單模光纖，且兩者長度相同類型不同；第一光纖環(huán)兩端分別連接光纖分路器和第二光纖環(huán)，第二光纖環(huán)另一端連接光纖分路器，光纖分路器、第一光纖環(huán)和第二光纖環(huán)組成非對稱結構的賽格納克干涉環(huán)部分；
傳輸光纖一端連接光纖分路器，另一端通過光纖跳線頭分別連接紅外光源和信號采集處理器。
優(yōu)選地，第一光纖環(huán)和第二光纖環(huán)分別采用單模光纖G.652和G.653。
優(yōu)選地，第一光纖環(huán)和第二光纖環(huán)熱熔連接或通過光纖連接器連接。
優(yōu)選地，第一光纖環(huán)和第二光纖環(huán)層疊繞線。
優(yōu)選地，傳輸光纖采用雙工光纖或雙芯光纖。
優(yōu)選地，傳輸光纖采用塑料光纖。
優(yōu)選地，傳輸光纖包括第一光纖和第二光纖，第一光纖和第二光纖均為單工光纖，第一光纖的兩端分別連接光纖分路器和紅外光源，第二光纖的兩端分別連接光纖分路器和信號采集處理器。
優(yōu)選地，紅外光源為窄帶單頻光源或寬帶ASE光源或連續(xù)光輸出紅外光源。
優(yōu)選地，光纖分路器采用3dB光纖分路器。
優(yōu)選地，信號采集處理器包括PIN光電探頭和信號還原電路，PIN光電探頭 與傳輸光纖連接，信號還原電路與PIN光電探頭連接。
本實用新型中，將光纖分路器、第一光纖環(huán)和第二光纖環(huán)組成的賽格納克干涉環(huán)部分置于外殼內(nèi)部。敷設的傳輸光纖僅傳輸光強度信息，而不會因光纖振動引起的偏振態(tài)及相位變化影響，使得紅外光源及信號采集處理器對自身振動不敏感。另外，本系統(tǒng)中光源能量和干涉透射光能量無損失，最大限度的保證了系統(tǒng)的信噪比。因此本系統(tǒng)更適合于實用化、小型化和戶外敷設，并且低成本和推廣實用。本實用新型解決了偏振消光問題。
本實用新型中振動傳感探頭內(nèi)的第一光纖環(huán)和第二光纖環(huán)是相同長度但不同類型的兩種光纖。此結構使塞格納克光纖環(huán)實現(xiàn)非對稱結構，用以消除光纖探頭對稱性帶來的敏感性下降，解決了互易性導致靈敏度降低的問題。
本實用新型中通過光纖塞格納克干涉環(huán)對環(huán)境振動的響應特性，監(jiān)測得到干涉環(huán)透射光信號并通過電路還原成振動信號并采集。探測部分可以不與振動源直接接觸，探測部分可以實現(xiàn)全絕緣化從而可以在高電壓和復雜電磁環(huán)境里正常工作，光信號可以通過傳輸光纖進行長距離低損耗傳輸，頻率響應范圍極寬對幾赫茲到幾十兆赫茲振動信號均有較好響應。
本實用新型提供的一種高保真高帶寬光纖振動傳感系統(tǒng)采用光纖塞格納克干涉儀結構，通過光波相位對外界振動的高敏感度，監(jiān)測光信號來還原環(huán)境振動信號。本實用新型中的傳感系統(tǒng)成本較低，信號恢復極少失真，可以實現(xiàn)振動實時監(jiān)測，在長距離監(jiān)測時能耗低，抗干擾能力強。
附圖說明
圖1為本實用新型提出的本實用新型提出的一種高保真高帶寬光纖振動傳感系統(tǒng)結構示意圖。
具體實施方式
參照圖1，本實用新型提出的一種高保真高帶寬光纖振動傳感系統(tǒng)，包括：紅外光源101、傳輸光纖102、振動傳感探頭107和信號采集處理器108。其中，振動傳感探頭107包括光纖分路器103、第一光纖環(huán)104、第二光纖環(huán)105和外殼106，光纖分路器103、第一光纖環(huán)104、第二光纖環(huán)105均安裝在外殼106內(nèi)。
第一光纖環(huán)104和第二光纖環(huán)105分別由一根光纖環(huán)繞形成，第一光纖環(huán)104和第二光纖環(huán)105均采用單模光纖，且兩者長度相同類型不同。具體地，第一光纖環(huán)104和第二光纖環(huán)105分別采用單模光纖G.652和G.653。且，第一光纖環(huán)104和第二光纖環(huán)105熱熔連接或通過光纖連接器連接。
第一光纖環(huán)104兩端分別連接光纖分路器103和第二光纖環(huán)105，第二光纖環(huán)105另一端連接光纖分路器103。光纖分路器103、第一光纖環(huán)104和第二光纖環(huán)105組成賽格納克干涉環(huán)部分。
本實施方式中，由于第一光纖環(huán)104和第二光纖環(huán)105光纖類型不同，故而形成的賽格納克干涉環(huán)為非對稱結構，消除了光纖探頭對稱性帶來的敏感性下降問題。且，第一光纖環(huán)104和第二光纖環(huán)105同時對外界振動敏感，都起到傳感光纖的作用，提高了振動敏感性。
本實施方式中，第一光纖環(huán)104和第二光纖環(huán)105可采用層疊繞線的結構。如此，第一光纖環(huán)104和第二光纖環(huán)105成為一個光纖環(huán)，使得振動傳感探頭107體積較小。
本實施方式中，賽格納克干涉環(huán)的的設計省略了光纖延遲環(huán)，避免了使用光纖延遲環(huán)的布線困難，大大簡化了設計和使用。
傳輸光纖102一端連接光纖分路器103，另一端通過光纖跳線頭分別連接紅外光源101和信號采集處理器108。本實施方式中，紅外光源101可以為窄帶單 頻光源或寬帶ASE光源以及其他連續(xù)光輸出紅外光源。
本實施方式中傳輸光纖102可采用雙工光纖例如塑料光纖，以便利用一根光纖進行雙向通信。具體實施時，傳輸光纖102也可采用兩根單工光纖如石英光纖組成；例如，傳輸光纖102包括第一光纖和第二光纖，第一光纖和第二光纖均為單工光纖，第一光纖的兩端分別連接光纖分路器103和紅外光源101進行通信，第二光纖的兩端分別連接光纖分路器103和信號采集處理器108進行通信。
本實施方式中，光纖分路器103采用3dB光纖分路器。
本實施方式中，信號采集處理器106包括PIN光電探頭和信號還原電路。PIN光電探頭與傳輸光纖102連接，用于將光強信號轉換為電信號。信號還原電路與PIN光電探頭連接，用于獲取電信號，并將電信號還原為聲音或振動信號并傳輸至聲音播放設備、示波器或計算機。
將振動傳感探頭107置于聲音場或振動環(huán)境中，將傳輸光纖102拖曳至工作平臺并通過光纖跳線頭連接至紅外光源101和信號采集處理系統(tǒng)106。打開紅外光源101和信號采集處理系統(tǒng)106，光信號由傳輸光纖102進入振動傳感探頭107部分，在振動傳感探頭107內(nèi)部被聲音信號或振動信號調(diào)制，再經(jīng)過傳輸光纖102進入信號采集處理系統(tǒng)106，此時即可通過采集到的光信號高保真實時還原出環(huán)境內(nèi)的振動信號。
以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內(nèi)，根據(jù)本實用新型的技術方案及其實用新型構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。