光纤低频振动传感器、传感系统及上述传感器制备方法

技术领域

本发明涉及光纤低频振动传感技术领域，尤其涉及一种光纤低频振动传感器、传感系统及上述传感器制备方法。

背景技术

低频振动监测在国防建设以及国民生产中有着非常重要的意义，如大型建筑物、铁路轨道结构变形、桥梁、工厂油气泄漏等的安全监测，传统的大多数振动传感器是基于压电或磁电效应原理的电子式振动传感器，在一些恶劣的环境下，如存在电磁干扰的环境，会使得这类电子式振动传感器无法正常工作。光纤传感器因其体积小、分辨高、无电磁干扰等优点，使其成为能够克服上述电子式传感器缺陷的绝佳解决方案。

目前，已经有很多研究者进行过光纤低频振动传感器的研究，然而还存在一些问题。一方面，为了使光纤传感器均能够实现高精度的振动监测，需要安装一些振动传能构件在光纤结构上，最终导致了光纤传感器封装体积较大的问题。例如，在专利号为CN205483248U的“光纤低频振动传感器”，其特征在于加装滑动摆块作为振动元件，实现了0.1-1000Hz的频率响应。然而该传感器的体积较大，大于40mm×20mm。另一方面，这类光纤振动传感器都是固态的，而固体材料往往具有较高的杨氏模量。例如，在专利号为CN109374113B的“末端集成微气泡的微纳光纤光栅二维振动传感器及其制作方法”，其特征在于振动信号使得悬臂梁发生微小弯曲和F-P腔的腔长发生周期性的改变，以实现二维振动信号响应。然而由于该光纤结构为纯二氧化硅固体结构，具有较高的杨氏模量，因此不能实现对低频振动信号的检测。为了提高此类固态振动传感器的低频响应，研究者们通常需要进行结构设计来实现传感器较高的低频响应，例如采用聚合物材料软接硬件或者进行弹簧形态设计。尽管这种方法有效，但是增加了结构制造的复杂性和体积，甚至有可能降低了光纤结构的机械强度。

发明内容

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种光纤低频振动传感器、传感系统及上述传感器制备方法。

本发明提出的一种光纤低频振动传感器，包括：单模光纤和第一空芯光纤；

单模光纤熔接在第一空芯光纤的上端，第一空芯光纤下端通过封堵结构封闭，第一空芯光纤内部容纳有填充液体，填充液体内形成气泡。

优选地，封堵结构采用一端封闭的第二空芯光纤，第二空芯光纤的内径小于第一空芯光纤的内径，第二空芯光纤的开口端熔接在第一空芯光纤的第二端且二者内部连通形成填充液体容纳腔。

优选地，第一空芯光纤、第二空芯光纤和单模光纤的外径相等。

优选地，液体采用包含乙醇的低粘滞性液体；

优选地，液体采用75-95％的乙醇水溶液。

优选地，气泡侧壁与第一空芯光纤内壁相切。

本发明还提出一种光纤低频振动传感系统，包括红外激光光源、光谱仪和环形器和上述的光纤低频振动传感器；

单模光纤远离第一空芯光纤一端与环形器连接，红外激光光源用于通过环形器向所述传感器发射红外激光信号，光谱仪用于通过环形器接收所述传感器的探测信号。

优选地，红外激光光源采用1550nm激光光源。

本发明中，所提出的光纤低频振动传感器和传感系统，单模光纤熔接在第一空芯光纤的上端，第一空芯光纤下端通过封堵结构封闭，第一空芯光纤内部容纳有填充液体，填充液体内形成气泡。本发明的传感器，结构简单，微型化，一方面，利用红外激光的光热效应使液腔内液体产生温度梯度，由于马兰戈尼效应，进而实现液腔内的气泡悬浮，另一方面，红外激光作为信号光源；检测时，外部振动引起液体流动，进而带动悬浮气泡振荡，改变干涉腔长，通过干涉光的强度，检测振动信号，从而实现高灵敏度抗干扰低频振动检测。

本发明还提出一种根据上述的光纤低频振动传感器的制备方法，包括下列步骤：

S1、通过光纤熔接机将单模光纤熔接到第一空芯光纤一端，将第二空芯光纤熔接在第一空芯光纤远离单模光纤一端，形成光纤结构；

S2、将所述光纤结构竖直放置，使得单模光纤位于第一空芯光纤上方且第二空芯光纤位于第一空芯光纤下方，从第二空芯光纤远离第一空芯光纤一端注入所述液体，在第一空芯光纤内形成悬浮在液体中的气泡；

S3、通过熔融拉锥技术将第二空芯光纤下端密封。

优选地，在S2中，所述从第二空芯光纤远离第一空芯光纤一端注入所述液体，具体为，将通过注射器与第二空芯光纤远离第一空芯光纤一端连接向所述填充液体容纳腔内注入液体。

优选地，在S2中，根据所述填充液体容纳腔内的压强控制所述液体的注入量，使得气泡侧壁与第一空芯光纤相切。

本发明中，所提出的光纤低频振动传感器制备方法，其技术效果与上述传感器类似，因此不再赘述。

附图说明

图1为本发明提出的一种光纤低频振动传感器的一种实施方式的结构示意图。

图2为本发明提出的一种光纤低频振动传感系统的一种实施方式的结构示意图。

图3为本发明提出的一种基于液腔中悬浮气泡的光纤低频振动传感器的一种实施方式的解调系统图。

图4为本发明提出的一种基于液腔中悬浮气泡的光纤低频振动传感器的一种实施方式的时域谱。

图5为与图4对应的频率谱。

图6为本发明提出的一种基于液腔中悬浮气泡的光纤低频振动传感器的一种实施方式的外部振动信号与主频的线性拟合图。

具体实施方式

如图1至6所示，图1为本发明提出的一种光纤低频振动传感器的一种实施方式的结构示意图，图2为本发明提出的一种光纤低频振动传感系统的一种实施方式的结构示意图，图3为本发明提出的一种基于液腔中悬浮气泡的光纤低频振动传感器的一种实施方式的解调系统图，图4为本发明提出的一种基于液腔中悬浮气泡的光纤低频振动传感器的一种实施方式的时域谱，图5为与图4对应的频率谱，图6为本发明提出的一种基于液腔中悬浮气泡的光纤低频振动传感器的一种实施方式的外部振动信号与主频的线性拟合图。

参照图1，本发明提出的一种光纤低频振动传感器、传感系统及上述传感器制备方法，包括：单模光纤1和第一空芯光纤2；

单模光纤1熔接在第一空芯光纤2的上端，第一空芯光纤2下端通过封堵结构封闭，第一空芯光纤2内部容纳有填充液体，填充液体内形成气泡4。

为了详细说明本实施例的光纤低频振动传感器的具体工作方式，参照图2，本实施例还提出一种光纤低频振动传感系统，包括红外激光光源10、光谱仪20、环形器30和上述的光纤低频振动传感器；

单模光纤1远离第一空芯光纤2一端与环形器30连接，红外激光光源10用于通过环形器30向所述传感器发射红外激光信号，光谱仪20用于通过环形器30接收所述传感器的探测信号。

本实施例的光纤低频振动传感系统的具体工作过程中，外部振动信号探测时，将光纤低频振动传感器竖直放置。红外激光光源出射的红外激光作为控制光源和信号光源，红外激光经环形器传输到传感器，经过单模光纤耦合进入带有气泡的填充液体腔室内，控制腔内气泡的悬浮。另外，红外激光还作为信号光源。经过单模光纤的纤芯入射的红外激光依次在单模光纤与第一空芯光纤的熔接面、空气与液体界面(气泡表面)反射，形成两束反射光，当着两束反射光耦合进入光纤纤芯中时，两束反射光发生干涉，干涉光通过单模光纤返回经由环形器传输到光电探测器，从而获得外部低频振动检测信号。

当外部振动信号沿竖直方向作用在光纤低频振动传感器时，光纤液腔内的气泡在平衡位置上下振荡。悬浮气泡上部界面的反射光与第一熔接端面的反射光发生干涉，振荡的悬浮气泡改变了干涉腔长，进而改变干涉光的强度，通过光电探测器接收光纤振动传感器其干涉光，将得到的时域谱进行快速傅里叶变换可实现振动频率的解调。由于在振动过程中，微腔内乙醇液体发生流动，带动悬浮气泡反方向移动，因此可实现低频振动传感。

在本实施例中，所提出的光纤低频振动传感器和传感系统，单模光纤熔接在第一空芯光纤的上端，第一空芯光纤下端通过封堵结构封闭，第一空芯光纤内部容纳有填充液体，填充液体内形成气泡。通过上述优化设计的光纤传感器，结构简单，微型化，一方面，利用红外激光的光热效应使液腔内液体产生温度梯度，通过马兰戈尼效应实现液腔内的气泡悬浮，另一方面，红外激光作为信号光源；检测时，外部振动引起液体流动，进而带动悬浮气泡振荡，改变干涉腔长，通过干涉光的强度，检测振动信号，从而实现高灵敏度抗干扰低频振动检测。

在红外激光光源选择中，红外激光光源10采用1550nm激光光源。1550nm红外激光的热效应明显，且成本低廉。

为了使得红外热效应作用下气泡振荡明显，进而保证检测的灵敏度，液体采用包含乙醇的低粘滞性液体；优选地，液体采用75-95％的乙醇水溶液。

在本实施例的传感器的具体实施方式中，为了便于加工，封堵结构采用一端封闭的第二空芯光纤3，第二空芯光纤3的内径小于第一空芯光纤2的内径，第二空芯光纤3的开口端熔接在第一空芯光纤2的第二端且二者内部连通形成填充液体容纳腔。

相应地，本实施例还提出一种上述的光纤低频振动传感器的制备方法，包括下列步骤：

S1、通过光纤熔接机将单模光纤1熔接到第一空芯光纤2一端，将第二空芯光纤3熔接在第一空芯光纤2远离单模光纤1一端，形成光纤结构；

S2、将所述光纤结构竖直放置，使得单模光纤1位于第一空芯光纤2上方且第二空芯光纤3位于第一空芯光纤2下方，从第二空芯光纤3远离第一空芯光纤2一端注入所述液体，在第一空芯光纤2内形成悬浮在液体中的气泡4；

S3、通过熔融拉锥技术将第二空芯光纤3下端密封。

此外，由于光路在传感器中沿竖直传播，为了避免气泡在第一空芯光纤内横向移动对检测信号的干扰，气泡4侧壁与第一空芯光纤2内壁相切，使得检测时气泡始终沿竖直方向振荡，并且不会因为气泡与与空芯光纤内壁接触面过大，影响气泡振荡灵敏度。

相应地，在制备过程中，所述从第二空芯光纤3远离第一空芯光纤2一端注入所述液体，具体为，将通过注射器与第二空芯光纤3远离第一空芯光纤2一端连接向所述填充液体容纳腔内注入液体。具体地，根据所述填充液体容纳腔内的压强控制所述液体的注入量，使得气泡4侧壁与第一空芯光纤2相切。

在其他具体实施方式中，第一空芯光纤2、第二空芯光纤3和单模光纤1的外径相等。

下面提供具体实例详细说明本实施例的光纤低频振动传感器、传感系统及上述传感器制备方法。

参照图3-6，本发明提出的一种基于液腔中气泡悬浮的光纤低频振动传感器，包括：单模光纤、光纤腔体、乙醇液体、气泡；

单模光纤连接光纤腔体；光纤腔体内的液体成分为乙醇液体，一个气泡悬浮在液腔内。

参照图3本实施例的基于液腔中悬浮气泡的光纤低频振动传感器用于外部振动信号探测时，将光纤低频振动传感器竖直放置。采用红外激光作为控制光源和信号光源，耦合到单模环形器的2号端口。红外激光通过多单模环形器的1号端口传输到传感器，激发光耦合进入带有气泡的乙醇液腔内，控制腔内气泡的悬浮。另外红外激光还作为信号光源，当液腔内的悬浮气泡在平衡位置上下振荡时，经过悬浮气泡上部界面反射的信号光与第一熔接端面的反射光发生干涉，干涉光通过单模环形器的3号端口传输到光电探测器，进而经过采集卡，在电脑上显示出时域谱。

如图4、5和6所示，图4为本发明提出的一种基于液腔中悬浮气泡的光纤低频振动传感器在外部驱动信号作用下得到的时域谱，图5为本发明提出的一种基于液腔中悬浮气泡的光纤低频振动传感器对应图4的频率谱，图6为本发明提出的一种基于液腔中悬浮气泡的光纤低频振动传感器的外部振动信号与主频的线性拟合图。

参照图4，本实施例的基于液腔中悬浮气泡的光纤低频振动传感器在10Hz正弦信号驱动作用下，传感器的时域谱显示为正弦信号。

参照图5，本实施例的基于液腔中悬浮气泡的光纤低频振动传感器在图4基础上，对图4的时域谱进行快速傅里叶变换的频域谱，该频域谱显示主频与驱动信号的频率一样，其它频率分别是主频的二倍频和三倍频，甚至还有四倍频信号，由于倍频信号强度与主频信号强度相差较大，主频与二倍频信号强度相差有9倍，因此从强度可以识别出主频信号。

参照图6，本实施例的基于液腔中悬浮气泡的光纤低频振动传感器的主频大小与驱动信号大小有一一对应的关系，通过线性拟合，得到灵敏度为1Hz/Hz。

本发明的光纤低频振动传感器，与固态光纤振动传感器，通过光热马兰戈尼效应对微腔内的气泡进行主动悬浮，且乙醇液体具有较低的粘滞系数，因此该传感器具有较高的低频振动响应。另外，振动元件被密封在封闭的光纤微腔内，不受外界环境如灰尘、湿度、pH值等的影响；光纤的一体化熔接有利于增加光纤结构的机械强度以及有效地降低传感器的体积，实现了传感器的微型化。此外，控制光源和信号光源共用同一个激光器，有利于降低成本。

本实施例中，所提出的基于液腔中悬浮气泡的光纤低频振动传感器，该传感器被竖直放置，利用红外激光的光热效应使液腔内液体产生温度梯度，由于马兰戈尼效应，进而实现液腔内的气泡悬浮。另外，1550nm激光同时作为信号光源。当驱动外部振动信号时，竖直方向放置的光纤结构其液腔内的气泡在平衡位置上下振荡。悬浮气泡上部界面的反射光与第一熔接端面的反射光发生干涉，振荡的悬浮气泡改变了干涉腔长，进而改变干涉光的强度，干涉光被光电探测器接收，将得到的时域谱进行快速傅里叶变换可实现振动频率的解调。由于在振动过程中，微腔内乙醇液体发生流动，带动悬浮气泡反方向移动，因此可实现低频振动传感。另外该光纤传感器其结构简单、微型化、灵敏度高、抗干扰强，能很好地被应用于一些特殊场景在复杂环境下的长时间低频振动监测。

优选地，乙醇液体的对红光激光基本不吸收，气泡是球形的，且与光纤腔体的内壁相切。另外，为了能够让气泡悬浮在液体中且避免横向振动带来的误差，气泡不能接触光纤腔体的内壁。

在其他具体实施方式中，利用红外激光作为热源，对液腔内气泡进行主动悬浮。

在其他具体实施方式中，采用红外激光作为信号光源，当壳体受到外界振动的冲击时，悬浮气泡的位置发生变化，通过红外光电探测器接收光纤振动传感器其干涉光，将获得的时域谱进行快速傅里叶变换得到频率谱，通过频率谱的主频可实现外部振动信号的解调。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。