全光纖振動感測器的感測端為光纖，屬於無源器件， 不會受到電磁干擾， 振動檢測靈敏度高，因此，在振動感測領域被廣泛的套用。全光纖振動感測器的另一個優點是，其感測臂是分散式的，可以同時檢測被測物理量在感測臂分布範圍內任意一點上的變化， 這是傳統的感測器所無法做到的。
基本介紹
- 中文名：全光纖感測器
- 外文名：all optical fibersensor
多用途感測器的製備工藝和性能,基本原理,
光纖感測器與傳統的機械、 電子類感測器相比，憑藉諸多優勢使其在地震探測、環境監測及醫療衛生等方面具有廣泛的套用前景。 基於馬赫-曾德爾干涉儀 （MZI） 原理的感測器是光纖感測器中較重要的一類，已成為光纖感測領域研究的熱點，目前主要集中在特種光纖和特殊結構感測器， 但是價格比較昂貴，結構複雜，難以實現大規模生產套用。
光纖感測器已經套用於環保產業中 的生物化學材料製造過程，它可以對液面高度、折射率、溫度和應變進行精確測量。 研究表明，對於細纖芯的低階包層光纖，纖芯模式在干擾模式中占主導地位，這是因為多模光纖本徵模間干擾的自由光譜範圍（FSR），超出了透射光譜的測量範圍。 因此，為了提高測量折射率變化的精度，可以採用基於液面靈敏性的新方法提高感測器的靈敏度。
光纖感測器已經套用於環保產業中 的生物化學材料製造過程，它可以對液面高度、折射率、溫度和應變進行精確測量。 研究表明，對於細纖芯的低階包層光纖，纖芯模式在干擾模式中占主導地位，這是因為多模光纖本徵模間干擾的自由光譜範圍（FSR），超出了透射光譜的測量範圍。 因此，為了提高測量折射率變化的精度，可以採用基於液面靈敏性的新方法提高感測器的靈敏度。
大型高爐、 發電機組、 飛機的發動機等大型電機設備的工作是否正常直接影響到社會生產是否能夠順利進行， 而且，這些大型設備運行不正常帶來的安全隱患更是不容忽視。電機振動主要是由定子鐵心、 定子繞組、 機座、 轉子及軸承五大部件可能以其固有頻率自由振動的合成。任何一部分有磨損、 裂紋或不平衡都會使固有振動頻率發生變化，導致合振動的變化。因此，這些設備的健康狀況可以通過對電機運行時產生的振動信號進行分析來得到的。目前，採用較多的是加速度感測器，由於這種感測器需要供電工作，容易受到電磁干擾等造成檢測到的信號出現錯誤。採用光纖作為感測臂的全光纖振動感測器， 其感測端為光纖，屬於無源器件， 不會受到電磁干擾， 振動檢測靈敏度高，因此，在振動感測領域被廣泛的套用。全光纖振動感測器的另一個優點是，其感測臂是分散式的，可以同時檢測被測物理量在感測臂分布範圍內任意一點上的變化， 這是傳統的感測器所無法做到的。
多用途感測器的製備工藝和性能
首先，將一段細光纖（TF，其包層直徑為 80μm）與一段多模光纖（MMF）熔接，然後在兩側分別熔接兩段單模光纖（SMF）。 在熔接過程中，光纖都在熔接機自動模式下進行熔接。 雖然方法簡單，但熔接損耗增加會降低耦合率，從而影響條紋可見度、干擾頻譜並增加傳輸損耗，因此，需要進行精細的切割和嚴格按照熔接程式操作。 在 TF 中需要摻入足量的鍺，使 TF 具有1.4735 的折射率（n），傳輸波長 1550nm 時，其模 式場直 徑 約 為 4.5μm。 SMF 的 纖 芯/包 層 直 徑 為 9.2μm/125μm，階躍 MMF 纖芯/包層為 50μm/125μm。 光信號由 SMF 引入 MMF，在 MMF-TF 熔接點模場失配，部分功率耦合到 TF 包層內,將在 TF 包層內激發多個模式。同樣，在 TF-SMF 熔接點，隨著TF 纖芯模式干擾的增強，TF 包層部分功率耦合到單模光纖纖芯的基模中。當包層直徑減小後，TF 倏逝波傳輸功率的在包層中比例將會增強，因此從 TF 的包層進行光傳播，將會更有效地引發纖芯模式。此外，基模的倏逝波和周圍環境間的相互影響會導致透射譜中心的漂移，包層的有效折射率將隨著周圍環境因素的變化而改變。 由於干擾主要是由兩種模式形成，即占主導地位的低階包層模式和纖芯模式， 其結構可被視為一個 MZI。 與Δneff 或該感測器長度 L 相關聯的環境變化將導致干擾衰減波峰的偏移，兩個干擾極小值（FSR）之間的波長間隔可以近似表示為：
Δλm=4neffL (2m+1)(2m-1)≈λ2m ΔneffL （1）
值得注意的是， 該感測器的 FSR 將隨著 TF 長度L 的 增 加 而 減 少 。為 了 測 量SMTS 結構感測器 纖 芯 模 式 的變化，需要通過實 驗 來 比 較 採用單模-細纖芯-單模（STS）和 SMTS 光纖結構這兩種情況下的不同。當 TF 長度保持48.38mm 時，SMTS 的 乾 涉 條 紋 比 STS 的 可 見 度 提 高數倍，MMF 的模場直徑遠遠大於 SMF 的模場直徑，因此，注入到 TF 的包層的光功率顯著增強。 此外，由於使用了 MMF，TF 的包層模式可能被激活；STS 結構的纖芯模式 LP01 和 LP11， 由於 SMTS 和細光纖間的模場失配而激活。
為了分析干擾模式的數量和功率分布波長光譜通過傅立葉變換後得到的空間頻率譜，在零點占主導地位的峰值強度與纖芯模式相關。 隨著 MMF 長度變化，功率主要分布在纖芯和低階包層，這意味著不同 長 度 的 模 式 耦 合主 要 發 生 在 纖 芯 和低階包層之間。多個次強峰對 應 於 高 階 包 層 模式，纖芯模式和高階包 層 模 式 間 的 乾 擾同 時 改 變 了 乾 擾 包絡，當感測器放在折射率匹配液中來消除去包層模式時，干涉現象基本消失不同於纖芯模式 LP11 的包層模式能夠被激發出來。
Δλm=4neffL (2m+1)(2m-1)≈λ2m ΔneffL （1）
值得注意的是， 該感測器的 FSR 將隨著 TF 長度L 的 增 加 而 減 少 。為 了 測 量SMTS 結構感測器 纖 芯 模 式 的變化，需要通過實 驗 來 比 較 採用單模-細纖芯-單模（STS）和 SMTS 光纖結構這兩種情況下的不同。當 TF 長度保持48.38mm 時，SMTS 的 乾 涉 條 紋 比 STS 的 可 見 度 提 高數倍，MMF 的模場直徑遠遠大於 SMF 的模場直徑，因此，注入到 TF 的包層的光功率顯著增強。 此外，由於使用了 MMF，TF 的包層模式可能被激活；STS 結構的纖芯模式 LP01 和 LP11， 由於 SMTS 和細光纖間的模場失配而激活。
為了分析干擾模式的數量和功率分布波長光譜通過傅立葉變換後得到的空間頻率譜，在零點占主導地位的峰值強度與纖芯模式相關。 隨著 MMF 長度變化，功率主要分布在纖芯和低階包層，這意味著不同 長 度 的 模 式 耦 合主 要 發 生 在 纖 芯 和低階包層之間。多個次強峰對 應 於 高 階 包 層 模式，纖芯模式和高階包 層 模 式 間 的 乾 擾同 時 改 變 了 乾 擾 包絡，當感測器放在折射率匹配液中來消除去包層模式時，干涉現象基本消失不同於纖芯模式 LP11 的包層模式能夠被激發出來。
基本原理
系統結構
干涉型光纖感測器的原理是: 根據光彈效應， 當外界振動信號作用在光纖上時， 光纖長度和折射率等發生使傳輸光的光程發生變化， 從而導致光相位變化。通過構造光路使兩路相干光干涉， 從干涉光強中就能得到光相位變化的信息，光相位變化即對應了外界振動信號的變化。干涉型光纖感測器主要套用的是麥可遜( Michelson) 干涉儀、 馬赫—曾德爾( Mach-Zenhder) 干涉儀、 Sagnac 干涉儀以及各干涉儀之間混合組成的干涉系統。
干涉型光纖感測器的原理是: 根據光彈效應， 當外界振動信號作用在光纖上時， 光纖長度和折射率等發生使傳輸光的光程發生變化， 從而導致光相位變化。通過構造光路使兩路相干光干涉， 從干涉光強中就能得到光相位變化的信息，光相位變化即對應了外界振動信號的變化。干涉型光纖感測器主要套用的是麥可遜( Michelson) 干涉儀、 馬赫—曾德爾( Mach-Zenhder) 干涉儀、 Sagnac 干涉儀以及各干涉儀之間混合組成的干涉系統。
SLD 為超輻射二極體提供 1 310 nm 的雷射，DC1 為環形器，從光輸入端 1 輸入的光從 2 輸出， 從 2 中輸入的光從 3 中輸出。DC2 是均分 3 × 3 光纖耦合器， 輸入端5 為光源輸入端， 輸入端 6 為干涉光探測端， 輸入端 4 和輸出端 7 之間用數公里的延時線圈相連， 在輸出端 8 和法拉第旋轉鏡( 10 位置處) 之間為振動信號檢測光纖， 這段光纖布設在電機需要監測振動狀況的部位， 電機的振動作用於這段光纖上，對光纖中傳輸的雷射進行相位調製。從輸出端 6 輸出的干涉信號由 PIN2 接收，在該處干涉的兩路相干光所 走 的 路 徑 分 別 為: Path1， 1—2—5—8—9—10—9—8—4—7—6;Path2， 1—2—5—7—4—8—9—10—9—8—6。從輸出端 5 輸出的干涉光從 2 處輸入環形器， 並從 3 處輸出， 被 PIN1 接收， 輸出端 5處干涉的兩路相干光所走的路徑分別為: Path3，1—2—5—8—9—10—9—8—4—7—5; Path4， 1—2—5—7—4—8—9—10—9—8—5。
假設在感測臂上施加的電機振動信號為餘弦調製， 則PIN1 和 PIN2 接收到的干涉光強可以分別表示為
I1 ( t) = A + B cos( s cos ωst + 0 ) ， ( 1) I2( t) = A + B cos( scos ωst) ， ( 2)
I1 ( t) = A + B cos( s cos ωst + 0 ) ， ( 1) I2( t) = A + B cos( scos ωst) ， ( 2)
式中 A 與 B 為正比於輸入的光強，ωs 和 s 分別為光纖感受到的電機振動信號的角頻率及其產生的兩路相干光相位差的幅值，0 為無外界振動時， 兩束相干光到達 6 位置時的固定相位差，對於圖 1 所示系統中使用的均分 3 × 3 耦合器，0 = 23 π。通過光強 I1 ( t) 和 I2 ( t) 可以解調出與電機振動信號呈正比的信號 φs( t) [ 8] ，用於進一步的頻譜分析。
電機狀態監測原理
電機在正常運行的狀態下， 產生的振動信號具有一定的穩定性，因此，在頻域上也表現出一定的穩定性。當電機由於老化、 磨損、 有異物、 鬆動等原因使得其運行不穩定時，它所產生的振動與穩定狀態下相比有明顯的區別。對電機故障診斷使用的傳統方法是用頻譜儀對信號的頻譜進行分析。在正常狀態下，振動信號的頻譜大致由基頻 f0 及其各次諧波 1f0 ，2f0 ，3f0…構成。基頻 f0 的大小與電機的運轉速度 v 有關，當轉速 v 增大時，f0 也相應增大， 同時 f0 的各次諧波的位置也會相應的變化。基頻 f0 及其各次諧波的幅度值不同，一般而言基頻對應的幅值最大。當由於電機的故障導致電機轉速降低、 振動加強時，信號的頻譜上對應的會出現基頻和各次倍頻的移動及其幅值的改變。傳統的頻譜分析主要藉助的方法是離散傅立葉變換， 離散傅立葉變換的公式如式( 3) 所示
S( ω) = ∑N－1n = 0X( n) e － jnω ． ( 3)
其中，ω 為信號角頻率，S( ω) 為信號的頻譜，X( n) 為信號的離散採樣值。
為實現對電機運行狀況是否良好的判斷， 必須對電機正常運行時所輻射出的噪聲進行頻譜分析， 提取正常運行時的頻譜特徵， 如基頻和各次倍頻的位置和幅值。將每秒採集振動信號頻譜中的特徵與正常運行時的特徵比較， 運行時的值與正常值之差大於閾值時， 則認為電機處於不正常狀態。
電機在正常運行的狀態下， 產生的振動信號具有一定的穩定性，因此，在頻域上也表現出一定的穩定性。當電機由於老化、 磨損、 有異物、 鬆動等原因使得其運行不穩定時，它所產生的振動與穩定狀態下相比有明顯的區別。對電機故障診斷使用的傳統方法是用頻譜儀對信號的頻譜進行分析。在正常狀態下，振動信號的頻譜大致由基頻 f0 及其各次諧波 1f0 ，2f0 ，3f0…構成。基頻 f0 的大小與電機的運轉速度 v 有關，當轉速 v 增大時，f0 也相應增大， 同時 f0 的各次諧波的位置也會相應的變化。基頻 f0 及其各次諧波的幅度值不同，一般而言基頻對應的幅值最大。當由於電機的故障導致電機轉速降低、 振動加強時，信號的頻譜上對應的會出現基頻和各次倍頻的移動及其幅值的改變。傳統的頻譜分析主要藉助的方法是離散傅立葉變換， 離散傅立葉變換的公式如式( 3) 所示
S( ω) = ∑N－1n = 0X( n) e － jnω ． ( 3)
其中，ω 為信號角頻率，S( ω) 為信號的頻譜，X( n) 為信號的離散採樣值。
為實現對電機運行狀況是否良好的判斷， 必須對電機正常運行時所輻射出的噪聲進行頻譜分析， 提取正常運行時的頻譜特徵， 如基頻和各次倍頻的位置和幅值。將每秒採集振動信號頻譜中的特徵與正常運行時的特徵比較， 運行時的值與正常值之差大於閾值時， 則認為電機處於不正常狀態。
