CN102080972A - 外腔式光纤法布里-珀罗传感器及振动监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了外腔式光纤法布里-珀罗传感器及振动监测系统和方法。一种外腔式光纤法布里-珀罗传感器包括：端部被固定的光纤，该光纤具有一端面；具有一反射面的反射元件，该反射面与光纤的端面之间形成法布里-珀罗腔；一端连接至反射元件，另一端连接至第二支持部分的悬臂部分，用于将外界施加的振动力传导给反射元件，从而改变法布里-珀罗腔的腔长。该传感器具有较大的监测动态范围。通过将两个相同的法布里-珀罗腔集成在一起可以形成差分结构的外腔式光纤法布里-珀罗传感器，这能够提高监测高灵敏度并消除温度变化对监测结果的影响。

Description

外腔式光纤法布里-珀罗传感器及振动监测系统和方法

技术领域

本发明总体涉及光纤光学传感器，具体涉及一种外腔式光纤法布里-珀罗传感器以及使用该外腔式光纤法布里-珀罗传感器的振动监测系统和方法。

背景技术

发动机或发电机发生强行停机或故障的主要原因常常是端部绕组出现了问题。端部绕组出现问题常常是由于振动而导致的。电压应力、机械应力以及热效应持续不断地破坏绝缘材料的完整性、端部绕组的稳固性以及定子的松紧度。随着磨损和松动逐渐加剧，端部绕组振动会越来越激烈，从而导致磨损加速，甚至可能发生破坏性的影响。

如果在一开始就探测和监控端部绕组振动，可以预防发生上述破坏性的影响。端部绕组振动的在线监控可以清楚的示出振动水平是否在可接受的范围内。通过简单的数据分析还可以预测老化过程的趋势，从而在发生严重的损害和故障之前就可以作出检修计划，从而可以优化工厂生产。

对端部绕组的振动进行在线监控的系统通常包括用于监测端部绕组振动的传感器系统和用于对监测的信息进行处理的信息处理系统。信息处理系统可以包括用于执行信号处理的微处理器和用于记录端部绕组振动的特征的数据库。传感器系统可以采用半导体传感器、金属膜传感器和压电传感器。然而，在将这些具有导电特性和结构的传感器安装到机器内部的高电压区域时，会对工作人员和机器安全带来威胁，将这种导电装置直接安装到端部绕组上更是如此。因此，能导电的传感器仅限用于通过监测端部绕组的支架和支持结构的运动而间接地监控端部绕组的振动。因此，这种方法不能有效地测量端部绕组的实际振动。

光学传感器与导电性传感器不同，其可以位于强电磁环境中而不影响其监测性能，也不会对处在测量区域中的工作人员造成危险。因此，光学传感器可以紧密地安装在端部绕组上，从而提供直接的振动信息。并且，由于信息在光纤中传输时不会由于电磁干扰(EMI)而发生失真，因此还可以通过光纤将光学传感器监测到的振动信息输出到远程处理器进行分析。此外，光学传感器还具有工作温度范围宽、具有复用能力以及制造成本低等优点。这些优点使光学传感器的研究和开发迅猛发展起来。

光纤法布里-珀罗传感器是光学传感器研究领域的一个重要分支，其特别适于在恶劣环境下应用。法布里-珀罗腔通常由在互相平行的两块透明介质板之间形成空气腔而形成。一束入射光在空气腔中经历来回多次反射，从而形成多束互相平行的透射光束。这些透射光束所经历的光传播路径不同，从而具有光程差，并相应地具有相位差。光纤法布里-珀罗传感器根据腔的结构可以分为内腔式法布里-珀罗干涉(IFPI)传感器和外腔式法布里-珀罗干涉传感器(EFPI)。内腔式法布里-珀罗干涉传感器的法布里-珀罗腔由一段光纤构成，该段光纤的两个端面被切割并镀有反射膜。但这种内腔式法布里-珀罗干涉传感器可能由于光纤的大的或小的弯折而导致发生偏振效应，并使信号发生偏离。外腔式法布里-珀罗干涉传感器的法布里-珀罗腔形成在光纤外部，光纤主要用作法布里-珀罗腔的输入/输出介质，由于法布里-珀罗腔设计在光纤外部，因此设计的自由度较大，并且不会发生偏振。

美国专利US 6,581,465提出了一种基于外腔法布里-珀罗干涉仪和p⁺n硅光传感器的振动仪。通过法布里-珀罗标准具的透射光对可移动的镜片由所施加的振动力导致的小的位移具有指数灵敏度。这种光传感器将这种位移转换为电信号并提供附加的放大。用户通过在选择需要的空气隙的法布里-珀罗标准具与镜面之间提供静电势来控制振动仪的灵敏度。这种振动仪的一个明显的缺点是其具有导电部分(硅)，且其灵敏度通过电来调节，这些缺点限制了其在强电磁干扰环境中的应用。

美国专利US 6,008,898提出了一种用于测量振动的外腔式光纤法布里-珀罗干涉传感器。该光纤传感器包括自由悬挂(suspended)的单模光纤以及与该光纤的端面紧密靠近的反射镜。该光纤的端面与光纤的光轴基本垂直。光纤的端面被布置为与反射镜的镜面平行，从而在两者之间形成法布里-珀罗空气隙。入射光束通过在空气隙中发生多次反射后被再次反射回光纤形成干涉信号。自由悬挂的光纤形成能够感应振动的传感元件。振动力使光纤发生位移，从而改变空气隙的长度。

发明人在研究和实验中发现，在所施加的振动力很大时，自由悬挂的光纤会激烈振动，这会使得输出信号的范围移动到法布里-珀罗干涉的非线性区域，这极大地限制了这种振动传感器所能够监测的振动力的动态范围。

发明内容

本发明实施例提供了一种外腔式光纤法布里-珀罗传感器，其能够测量的振动力的动态范围大。

本发明实施例提供了一种振动监测系统，其包括上述外腔式光纤法布里一珀罗传感器。

本发明实施例提供了另一种外腔式光纤法布里-珀罗传感器，其灵敏度高，且监测结果不受温度变化影响。

本发明实施例提供了另一种振动监测系统，其包括上述另一种外腔式光纤法布里-珀罗传感器。

本发明实施例还提供了一种对振动进行监测的方法，其监测灵敏度高，且能够消除温度变化对监测结果的影响。

根据本发明的一实施例的用于对振动进行监测的外腔式法布里-珀罗传感器包括：光纤，该光纤的端部通过第一支持部分固定，该光纤在其端部具有一端面；反射元件，该反射元件具有反射面，该反射面与光纤的端面之间形成法布里-珀罗腔；悬臂部分，其一端连接至所述反射元件，另一端连接到第二支持部分，所述悬臂部分用于将外界施加的振动力传导给所述反射元件，从而改变所述法布里-珀罗腔的腔长。由于使用悬臂部分来传导振动力，因此外界很大幅度的振动力可以被转换为很小的、使得该外腔式光纤法布里-珀罗传感器工作在线性区域的振动力，因而，这种外腔式法布里-珀罗传感器具有很大的监测动态范围。

优选地，悬臂部分包括多个均匀布置的悬臂部分。这样可以向反射元件均匀地传输振动力，从而不会使反射元件发生偏转。

悬臂部分优选通过微加工方法形成。反射元件、第一支持部分、第二支持部分也可以通过微加工方法形成。微加工方法可以确保该外腔式法布里-珀罗传感器工作在线性区域，并位于监测最大灵敏度的工作点。

根据本发明一实施例的振动监测系统，包括：激光光源；如上所述的外腔式光纤法布里-珀罗传感器，用于通过所述光纤接收所述激光光源发出的光，通过所述法布里-珀罗腔产生干涉光，并将所述干涉光传输回所述光纤；光陀螺，用于将所述激光光源发出的光与所述干涉光分离；光探测器，用于探测从所述光陀螺分离出的所述干涉光的强度，并将其转换为电信号；数据分析装置，用于从所述光探测器接收所述电信号，从中分析出振动信息。

根据本发明另一实施例的用于对振动进行监测的外腔式光纤法布里-珀罗传感器包括：第-光纤，其端部被固定于第一支持件，该光纤在其端部具有第一端面；第二光纤，其端部被固定于第二支持件，该光纤在其端部具有第二端面；反射元件，位于所述第一光纤与所述第二光纤之间，该反射元件具有第一反射面和第二反射面，该反射元件的第一反射面与第一光纤的第一端面之间形成第一法布里-珀罗腔，该反射元件的第二反射面与第二光纤的第二端面之间形成第二法布里-珀罗腔；悬臂部分，其一端连接至所述反射元件，另一端连接至第三支持件，所述悬臂部分用于将外界施加的振动力传导给所述反射元件，从而改变第一法布里-珀罗腔和第二法布里-珀罗腔的腔长。由于采用了两个法布里-珀罗腔形成差分结构，因此可以使得监测灵敏度加倍，并可以消除或减轻温度变化对监测结果的影响。

优选地，第一法布里-珀罗腔与第二法布里-珀罗腔具有相同的光学特性。这样可以确保温度变化对两个法布里-珀罗腔的腔长的影响相同，从而可以完全消除温度变化对监测结果的影响。

悬臂部分优选为多个均匀布置的悬臂部分。这样可以向反射元件均匀地传输振动力，从而不会使反射元件发生偏转。

悬臂部分优选通过微加工方法形成。反射元件、第一支持件、第二支持件以及第三支持件也可以通过微加工方法形成，从而在彼此之间形成精密匹配，确保两个法布里-珀罗腔具有相同的光学特性。

根据本发明另一实施例的振动监测系统包括：激光光源，用于产生第一光束和第二光束；如上所述的形成差分结构的外腔式光纤法布里-珀罗传感器，用于通过第一光纤接收第一光束，并将第一干涉光传输回第一光纤，并且通过第二光纤接收第二光束，并将第二干涉光传输回第二光纤；其中第一干涉光通过第一法布里-珀罗腔获得，第二干涉光通过第二法布里-珀罗腔获得；第一光陀螺，用于将第一干涉光与第一光束分离；第二光陀螺，用于将第二干涉光与第二光束分离；第一光探测器，用于探测从第一光陀螺分离出的第一干涉光的强度，并将其转换为第一电信号；第二光探测器，用于探测从第二光陀螺分离出的第二干涉光的强度，并将其转换为第二电信号；数据分析装置，用于从第一光探测器接收第一电信号，并从第二光探测器接收第二电信号，将第一电信号与第二电信号相减得到差分电信号，并从得到的差分电信号中分析出振动信息。

根据本发明一实施例的振动监测方法包括：将同一光源发出的光分成第一光束和第二光束；将第一光束传输到如上所述的具有差分结构的外腔式光纤法布里-珀罗传感器的第一法布里-珀罗腔，将第二光束传输到第二法布里-珀罗腔；探测从第一法布里-珀罗腔产生的第一干涉光的光强信息，探测从第二法布里-珀罗腔产生的第二干涉光的光强信息；将第一干涉光的光强信息与第二干涉光的光强信息相减得到差分信息。从所述差分信息中解析出振动信息。这种振动监测方法具有高监测灵敏度并且其监测结果不受温度变化的影响。

附图说明

下面将参照附图详细描述本发明的优选实施例，以使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点。附图中，相同的标号表示相同的部件。

图1是法布里-珀罗腔的光学响应与腔长的关系示意图。

图2是根据本发明一实施例的外腔式光纤法布里-珀罗传感器的构造截面示意图。

图3是采用如图2所示外腔式光纤法布里-珀罗传感器的振动监测系统的示意图。

图4是根据本发明另一实施例的外腔式光纤法布里-珀罗传感器的构造截面图。

图5是采用如图4所示外腔式光纤法布里-珀罗传感器的振动监测系统的组成示意图。

图6是根据本发明一实施例的振动监测方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是法布里-珀罗腔的光学响应与腔长的关系示意图。在图1右侧示出了平行平板多光束干涉的示意图。平行平板构成法布里-珀罗腔。一束入射光在法布里-珀罗腔中发生多次反射，产生多束彼此之间具有一定相位差的光束，具有相同相位(即相位差为2π的整数倍)的全部透射光同相相加，在腔中发生谐振，从而产生透射最大值，相应的，会产生反射最小值。反射光或透射光的强度是将反射光或透射光包含幅度和相位的复振幅相加后的总的复振幅绝对值的平方。光强反射率用R表示，光强透射率用T表示，假定平板材料对光的吸收可以忽略不计，则根据能量守恒定理，R+T＝1。另入射光的强度为E₀，波长为λ，平行平板的厚度为d，折射率为n，I_t表示透射光的强度，I_r表示反射光的强度，则I_t和I_r可以通过下式计算。

$\frac{I_r}{E_0}=\frac{F{\sin }^2(\mathrm{\Δ\φ}/2)}{1+F{\sin }^2(\mathrm{\Δ\φ}/2)}$ 和 $\frac{I_t}{E_0}=\frac{1}{1+F{\sin }^2(\mathrm{\Δ\φ}/2)}---\left(1\right)$

其中，Δφ是波长λ的光波在长度为d的腔中传播一个来回所产生的相位延迟，在入射角为0°，n＝1时，Δφ可以由下式表示：

Δφ＝4πd/λ                      (2)

F为精细度系数，其用于表征峰值半宽，即光强等于光强极大值之半时曲线上相应两点的距离，其与平板的反射率有关。F可以由下式表示：

$F=\frac{4R}{{(1-R)}^2}---\left(3\right)$

因此，具有最大灵敏度S_max的工作点P位于反射光强随腔长变化而变化最大之处。最大灵敏度通过下式得出：

S_max＝MAX(d(I_r/E₀)/d(Δφ))                    (4)

结合图1和公式(1)和(2)可以看出，在腔长d发生变化，例如振动力导致腔长d发生变化时，从入射界面反射出的多束光中，相邻两束光之间的光程差会相应发生变化，因此反射光的强度会发生指数改变，并可能产生强度最大值和强度最小值。反射光的强度的变化可以通过光探测器探测到，因此振动信息可以通过分析反射光的强度变化而被获得。

依据入射光的特征，例如入射光的波长，以及法布里-珀罗腔的特征，例如腔的折射率以及腔长，在施加外部振动力时，反射光的光强会出现最大值或最小值。由于有效弹力常数(effective spring constant)的变化，反射率曲线的每个点对应于不同的灵敏度和线性程度。因此，可以在制造过程中通过改变材料和几何尺寸，例如反射面的反射率、法布里-珀罗腔的初始腔长，来调整灵敏度和线性度。图1还示出界面具有中等反射率的腔的典型响应。从该图中可以看出，位于线性区域LZ中的工作点P具有最大的斜率，即最大的灵敏度。

根据本发明一实施例的外腔式光纤法布里-珀罗传感器包括：光纤，反射元件以及悬臂部分。光纤的端部通过第一支持部分固定，其具有一端面。反射元件具有反射面，其与光纤的端面之间形成法布里-珀罗腔。悬臂部分一端连接至反射元件，另一端连接到第二支持部分。悬臂部分用于将外界施加的振动力传导给反射元件，从而改变法布里-珀罗腔的腔长。

以下参照图2来详细描述上述外腔式光纤法布里-珀罗传感器的优选实施例。图2是外腔式光纤法布里-珀罗传感器的构造截面示意图。如图2所示，根据本实施例的外腔式光纤法布里-珀罗传感器12包括两个基板112和114，其由两个隔离件122隔开以形成小的缝隙。在这种情况下，基板112称为质量块反射基板，其包括具有反射面124的质量块120以及悬臂118。与质量块反射基板112不同，基板114不包括悬臂，而仅包括固定的支持件。基板114包括槽128，其作为用于容纳光纤116的插入管。基板114可以称为基准反射基板。光纤116具有部分反射端面126，从而在光纤116的端面126与质量块的反射面124之间形成法布里-珀罗腔130。

基板112和基板114可以由不导电的材料制成。例如，基板112和114可以由聚合物材料制成。基板112和基板114可以使用微加工方法制造。在一个示例中，两个聚合物基板可以通过微加工方法被精密装配。

虽然图2示出基板112和基板114由隔离件112隔开，但本发明并不限于此。基板112和基板114也可以形成为一体，因为，法布里-珀罗腔的腔长取决于光纤的端面与质量块的反射面之间的距离而不是基板112和基板114的距离。

光纤116的端面被沿与光纤的光轴基本垂直的方向切割。根据光需要在光纤中传播的距离，可以选择多模光纤或单模光纤作为光纤116。如果不需要光传播很长的距离，则可以采用多模光纤。如果需要光传播较长的距离，则可以选择单模光纤。当本发明实施例的外腔式光纤法布里-珀罗传感器位于比较恶劣的环境中，需要将光传输较远的距离以实现远程监测时，优选采用单模光纤。

质量块120具有一定的质量和体积，在其与光纤的端面相对的面上形成反射层。

悬臂118一端连着质量块120，另一端连着固定支持件。悬臂可以将外部的振动力传导给反射元件，使反射元件移动，进而使法布里-珀罗腔的腔长随着所施加的振动力而发生变化。

基板112中优选包括均匀布置的多个悬臂，但本发明并不限于此，基板112可以包括任意布置的任意数目的悬臂。基板112可以形成为圆柱型或具有其它横切面的柱形。

在一示例中，可以使用微加工方法来形成悬臂。微加工方法对本领域普通技术人员来说是已知的，在此不做详细描述。使用微加工方法可以保证法布里-珀罗传感器具有高灵敏度和宽动态范围。

在本实施例中，可以通过改变悬臂以及质量块的特性来改变法布里-珀罗传感器的灵敏度和动态范围。在-示例中，可以改变质量块120的质量或重量来改变法布里-珀罗传感器的灵敏度和动态范围。质量块120的质量越大，法布里-珀罗传感器的灵敏度越高，动态范围越小。在另一示例中，可以改变悬臂的厚度、力度、个数以及分布来改变法布里-珀罗传感器的灵敏度和动态范围。例如，悬臂118的厚度和硬度越大，其能够测量的振动的振幅就越大。

如图2所示的结构中，法布里-珀罗腔的腔长很短，其处于微米量级。这种结构决定了该外腔式光纤法布里-珀罗传感器的整体尺寸可以很小，因此可以通过微加工方法制造，从而可以做得很紧凑。这种小尺寸的传感器尤其适用于诸如发动机或发电机的端部绕组这种空间有限的环境中。

以下描述使用图2所示的外腔式光纤法布里-珀罗传感器的测量振动的过程。通过光纤116传输的光入射到法布里-珀罗腔中。在该过程中，一部分光在光纤116的端面126发生反射，其反射率用R1表示，一部分光从光纤的端面透射到法布里-珀罗腔中，并在质量块120的反射面124发生反射，其反射率用R2表示。光线会在法布里-珀罗腔130中发生多次反射，并透射出光纤116的端面126。从光纤116的端面透射出的多束光发生干涉，干涉光在光纤中沿与入射光传播方向相反的方向传播。干涉光的光强与各光束之间的相位差有关。而根据公式(1)和(2)，各光束之间的相位差取决于光波长以及法布里-珀罗腔的腔长。在波长固定的情况下，各光束之间的相位差随法布里-珀罗腔的腔长变化而变化。在振动力施加到该外腔式光纤法布里-珀罗传感器时，悬臂118会将振动力传导给质量块120，使质量块120随振动力而移动，进而使法布里-珀罗腔130的腔长随着质量块120的移动而变化。法布里-珀罗腔130的腔长变化又改变了光在腔中往返一次产生的相位差，从而改变了传播回光纤的干涉光的强度。干涉光沿光纤传播，最终由光探测器探测到。通过分析干涉光的强度可以从中获得腔长变化的信息，进而获得振动力的信息。

图3示出了根据本发明一实施例的使用如图2所示外腔式光纤法布里-珀罗传感器的振动监测系统的示意图。在本实施例中，振动监测系统10包括如图2所示的外腔式光纤法布里-珀罗传感器12、光纤14、激光光源16、光陀螺18、光探测器20以及数据分析装置22。

光纤14可以是单模光纤，其用作输入/输出光纤，用于向法布里-珀罗干涉型传感器12传输光，并将由法布里-珀罗干涉型传感器反射回的干涉光沿相反方向传输。

激光光源16为能够产生单色光的激光器，这里的单色光可以具有一定的波长范围，只要能够在适当的窄光谱线中产生相干光即可。例如，激光光源16可以是半导体激光二极管、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、诸如ND:YAG之类的固体激光器或者任何其他合适的光源。在一具体实施例中，半导体激光二极管的频率通过热电制冷器(未示出)进行控制。并且可以通过调整激光二极管的驱动电流来对周围温度的影响进行补偿。

光陀螺18的作用是将在一根光纤中沿着相反方向传播的光分量分离开。在本实施例中，第一光分量是由激光光源16传向外腔式光纤法布里-珀罗传感器12的光分量。第二光分量是与第一光分量传播方向相反的光分量。第二光分量是通过法布里-珀罗腔将第一光分量的一部分反射回来的干涉光。第二光分量通过光陀螺18被传输到光探测器20。

光探测器20将探测到的干涉光转换为与干涉光的强度对应的电信号，并将所转换成的电信号输入到数据分析装置22。在一实施例中，激光光源16可以是半导体激光二极管。光探测器20可以是铟镓砷(InGaAs)光电二极管。然而，应当理解，光探测器20也可以包括任何其它适当的具有类似功能的对光灵敏的探测器。

数据分析装置22用于对从光探测器20接收的电信号进行分析，从而获得通过外腔式光纤法布里-珀罗传感器12所获得的振动信息。在一实施例中，数据分析装置22是使用电信号作为功率发生器的反馈控制环路的一部分的电信号的个人计算机。

现在根据光信号或电信号的流向来描述振动监测的过程。从激光光源16发出的光，这里称为入射光，传输到光陀螺18。光陀螺18将入射光导入光纤14。入射光通过光纤14入射到外腔法布里-珀罗干涉型传感器12。在法布里-珀罗干涉型传感器12中发生多次反射后在光纤的端面透射出的光形成干涉光。干涉光通过光纤14传输到光陀螺18。光陀螺18将干涉光导入光探测器20。光探测器20将所探测到的光强信息转换为电信号输出，这里光探测器20接收到的光的强度随法布里-珀罗腔的腔长变化而变化，即光探测器20接收的光的强度中包含了振动信息。输出的电信号被数据分析装置22接收并分析。数据分析装置22可以由经过编程的个人计算机来实现，用于追踪振动趋势并提供感应到的振动的频率以及振动的幅度。

根据上述实施例的外腔式光纤法布里-珀罗传感器，由于采用了悬臂来感应振动，因此可以将外界较大的振动转换为较小的振动，从而可以保证该外腔式光纤法布里-珀罗传感器工作在线性区域并具有高监测灵敏度。例如，悬臂可以将感应到的振动传导到质量块，使质量块产生很小的位移(例如0.1微米)，使法布里-珀罗腔位于其灵敏度较高的线性区域。而且，这种外腔式光纤法布里-珀罗传感器不需要具有导电材料，因而可以工作在诸如发电机或发动机的端部绕组等强电磁环境中，而不会对其监测性能带来影响，也不会对工作人员的安全造成威胁。当然，这种外腔式光纤法布里-珀罗传感器也可以用于其它环境或装置下的振动测量。

本发明实施例还提出了一种对上述实施例的外腔式光纤法布里-珀罗传感器进行改进的方案。概括来说，就是将两个如图2所示外腔式法布里-珀罗传感器集成到一起，形成差分结构。这可以提高监测灵敏度，同时形成温度补偿机制。

根据本发明的一个实施例，这种差分结构的外腔式光纤法布里-珀罗传感器包括：端部固定于第一支持件的第一光纤，在其端部具有第一端面；端部固定于第二支持件的第二光纤，在其端部具有第二端面；位于第一光纤与第二光纤之间的反射元件，其具有第一反射面和第二反射面；该反射元件的第一反射面与第一光纤的第一端面之间形成第一法布里-珀罗腔，该反射元件的第二反射面与第二光纤的第二端面之间形成第二法布里-珀罗腔；悬臂部分，一端连接至该反射元件，一端连接至第三支持件；该悬臂部分用于将外界施加的振动力传导给反射元件，从而改变第一法布里-珀罗腔和第二法布里-珀罗腔的腔长。

在一个示例中，第一法布里-珀罗腔与第二法布里-珀罗腔具有相同的光学特性。

以下参照图4对这种具有高灵敏和温度补偿功能的差分结构的外腔式光纤法布里-珀罗传感器进行详细描述。

与图2中所示的结构不同的是，图4所示的外腔法布里-珀罗传感器形成多层结构。外层为两个基板：第一基准反射基板310和第二基准反射基板314，内层为质量块反射基板312。这些基板之间通过四个隔离件316隔开，以形成小的缝隙。质量块322通过两个悬臂324被连接到固定的框架。质量块322具有两个反射面328和330。具有反射端面332的单模光纤318和具有反射端面326的单模光纤320分别插入并绑定到两个基准反射基板310和314。这样，在单模光纤318的端面332与质量块322的反射面330之间形成了第一法布里-珀罗腔334，在单模光纤320的端面326和质量块322的反射面328之间形成了第二法布里-珀罗腔336。图4所示的各个部分与图2所示的各个相应部分相似，在此不再对每个部分进行详细描述。

根据如图4所示的这种结构，可以极大的提高监测振动的灵敏度。首先，根据腔长与强度关系曲线在线性区域中精确地选择对两个法布里-珀罗腔334和336均处于最大的灵敏度的工作点P，如图1所示。当振动力施加到外腔法布里-珀罗干涉型传感器时，质量块322会发生移动，其与两个基准反射基板310和314之间的距离会发生改变。例如，如果质量块322向下移动，则会使得第一法布里-珀罗腔334的腔长增加，而第二法布里-珀罗腔336的腔长相应减小。类似地，如果质量块322向上移动，则会使得第一法布里珀罗腔334的腔长减小，而第二法布里-珀罗腔336的腔长相应增加。当第一法布里-珀罗腔与第二法布里-珀罗腔具有相同的光学特性时，振动力对两个法布里-珀罗腔的腔长发生大小相等方向相反的影响。相同的光源发出的光通过两个相同的法布里-珀罗腔334和336反射后的干涉光的强度的变化也是大小相等、方向相反的。例如，如果从第一法布里-珀罗腔334反射的干涉光的强度增加ΔI(即光强变化为+ΔI)，则从第二法布里-珀罗腔336反射的干涉光的强度减小ΔI(即光强变化为-ΔI)。在将二者相减之后，得到差分值2ΔI。因此，这种具有差分结构的外腔光纤法布里-珀罗传感器的灵敏度相比于如图2所示的外腔式光纤法布里-珀罗传感器提高了一倍。

法布里-珀罗腔的腔长会受到周围环境的影响。特别是在诸如发电机或发动机的端部绕组这样比较恶劣的环境中时尤其如此。温度变化可以导致材料产生热膨胀和热收缩，从而导致法布里-珀罗腔的腔长发生变化，进而改变干涉光的光强。这可能会在监测结果中引入错误信息。

而根据本实施例的这种差分结构的外腔式光纤法布里-珀罗传感器可以减轻或消除恶劣环境中温度变化引入的监测误差。在温度变化导致的热膨胀或热收缩使得法布里-珀罗腔的腔长发生变化时，第一法布里珀罗腔的腔长与第二法布里-珀罗腔的腔长会发生趋势相同的变化，例如同时变短或同时变长。在两个法布里-珀罗腔相同时，温度变化对两个腔长的影响会完全相同，干涉光的强度也会发生大小相等方向相同的变化。经过差分之后，温度变化导致的干涉光强的变化被缩小或消除，从而在监测结果中仅包含振动信息而不会包括温度变化引入的错误的信息。因此，这种具有差分结构的外腔式光纤法布里-珀罗传感器与现有技术的传感器或如图2所示的传感器相比，更适于在诸如发电机或发动机之类的端部绕组这种恶劣的环境中使用。

图5示出根据本发明一实施例的采用图4所示的差分外腔式光纤法布里-珀罗传感器的振动监测系统的示意图。在本实施例中，振动监测系统40包括如图4所示的差分外腔法布里-珀罗光学振动传感器418、复制的激光光源410和412、光探测器420和422、光陀螺414和416以及作为输入/输出光纤的第一单模光纤426和第二单模光纤428。光纤426将从激光光源410发出的光传输到外腔法布里-珀罗干涉型传感器418的第一法布里-珀罗腔334，并将反射回的干涉光传输回光陀螺414。类似地，光纤428将从激光光源412发出的光传输到差分法布里-珀罗光学振动传感器418的第二法布里-珀罗腔，并将反射回的干涉光传输回光陀螺416。反射的干涉光通过光陀螺414和416后，分别被传输到光探测器420和422。光探测器420和422将探测到的光强信息转换为电信号并将其提供给数据分析装置424，数据分析装置424记录并分析包含在其中的振动信息，以用于进一步的反馈控制。这里的数据分析装置424可以由个人计算机或数字信号处理模块实现。根据图5，由激光光源410发出的光的传输路径以及由激光光源412发出的光的传输路径分别与根据图3的光的传输路径相同，因此，这里不再对其进行详细描述。

采用具有如图4所示的差分法布里-珀罗干涉型的振动监测装置，在振动力施加于悬臂，导致第一法布里-珀罗腔与第二法布里-珀罗腔的腔长发生大小相等、方向相反的变化时，光探测器420和422探测到的干涉光的强度的变化幅度也是大小相等、方向相反的，换句话说，如果振动力使得第一法布里-珀罗腔的腔长变大，第二法布里-珀罗腔的腔长变小，则光探测器420探测到的光强增大，且光探测器422探测到的光强减小，但光强增大的幅度与光强减小的幅度相同。光探测器420和422分别将强度转换为电信号，输出到数据分析装置，由数据分析装置将由两个探测器输入的电信号(是具有符号的)相减，通过分析就能够获得差分强度信息，进而得到法布里-珀罗腔334和336的腔长的变化信息，从中也就能得到振动信息。与图2所示的结构相比，对于相同的振动力导致的腔长变化，获得的差分强度的变化加倍，这使得传感器的灵敏度提高一倍。

本发明另一实施例还提供了一种振动监测方法，该方法使用如图4所示的具有差分结构的外腔式光纤法布里-珀罗传感器来实现。如图6所示，该方法包括以下步骤：

步骤600：将同一光源发出的光分成第一光束和第二光束；

步骤602：将第一光束传输到如图4所示外腔式光纤法布里-珀罗传感器的第一法布里-珀罗腔，将第二光束传输到如图4所示的外腔式光纤法布里-珀罗传感器的第二法布里-珀罗腔；

步骤604：探测从第一法布里-珀罗腔产生的第一干涉光的光强信息，探测从第二法布里-珀罗腔产生的第二干涉光的光强信息；

步骤606：将第一干涉光的光强信息与第二干涉光的光强信息相减得到差分信息；

步骤608：从所述差分信息中解析出振动信息。

这种振动监测方法具有灵敏度高、且监测结果不受环境温度变化的影响的优点。

端部绕组振动监测对于保证某些发动机或发电机的安全运行来说是一种具有挑战性并具有很好前景的方法。然而，端部绕组周围严酷的工作环境对振动传感器提出了非常严格的要求，以保证可靠操作和高性能。为此，本发明不同实施例提供了创造性的外腔式光纤法布里-珀罗传感器，其能够满足端部绕组振动监控的严格要求。本发明实施例提供的外腔式光纤法布里-珀罗传感器具有以下特点和优点。

本发明的传感器采用法布里-珀罗多光束干涉作为其基础工作原理。该传感器包括非导电的聚合物材料和光纤，从而不会产生电信号。这样的光信号不受电磁辐射EMI的影响，从而能从传感点将信号不失真地读出到远端数据分析装置。而且，本发明采用的是外腔式结构，与内腔式光纤法布里珀罗传感器相比，本发明的外腔式结构不会使信号发生偏振效应，即不会使信号失真。

本发明的传感器采用悬臂结构来将外界的振动力传导给反射元件，其可以将很大的振动力转换为很小的振动力，从而可以保证传感器工作在高灵敏度的线性区域，并且其能够测量的振动力的动态范围也很大。

本发明提出了温度补偿机制，设计了包括两个相同的法布里-珀罗腔的三层结构。可以通过计算从这两个法布里-珀罗腔反射的两束干涉光的差分强度信号，在提供灵敏度的同时，来消除温度浮动对传感器的影响。

本发明的外腔式光纤法布里-珀罗传感器可以采用微加工制造技术制造。法布里-珀罗腔可以通过高精度的微加工方法制造，以确保其工作在线性范围内的具有最高灵敏度的工作点。当采用两个相同的法布里-珀罗腔来建立差分温度补偿机制时，微加工制造技术保证了这两个法布里-珀罗腔的统一性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种外腔式法布里一珀罗传感器，用于对振动进行监测，其特征在于，包括：

光纤，该光纤的端部通过第一支持部分固定，该光纤在其端部具有一端面；

反射元件，该反射元件具有反射面，该反射面与光纤的端面之间形成法布里-珀罗腔；

悬臂部分，其一端连接至所述反射元件，另一端连接到第二支持部分，所述悬臂部分用于将外界施加的振动力传导给所述反射元件，从而改变所述法布里-珀罗腔的腔长。

2.根据权利要求1所述的外腔式法布里-珀罗传感器，其中，所述悬臂部分包括多个均匀布置的悬臂部分。

3.根据权利要求1或2所述的外腔式法布里-珀罗传感器，其中，所述悬臂部分通过微加工方法形成。

4.根据权利要求1或2所述的外腔式法布里-珀罗传感器，其中，所述反射元件、第一支持部分、第二支持部分以及所述悬臂部分通过微加工方法形成。

5.一种振动监测系统，其特征在于，包括：

激光光源；

如权利要求1至4中任一项所述的外腔式光纤法布里-珀罗传感器，用于通过所述光纤接收所述激光光源发出的光，通过所述法布里-珀罗腔产生干涉光，并将所述干涉光传输回所述光纤；

光陀螺，用于将所述激光光源发出的光与所述干涉光分离；

光探测器，用于探测从所述光陀螺分离出的所述干涉光的强度，并将其转换为电信号；

数据分析装置，用于从所述光探测器接收所述电信号，从中分析出振动信息。

6.一种外腔式光纤法布里-珀罗传感器，用于对振动进行监测，其特征在于，包括：

第一光纤，其端部被固定于第一支持件，该光纤在其端部具有第一端面；

第二光纤，其端部被固定于第二支持件，该光纤在其端部具有第二端面；

反射元件，位于所述第一光纤与所述第二光纤之间，该反射元件具有第一反射面和第二反射面，该反射元件的第一反射面与第一光纤的第一端面之间形成第一法布里-珀罗腔，该反射元件的第二反射面与第二光纤的第二端面之间形成第二法布里-珀罗腔；

悬臂部分，其一端连接至所述反射元件，另一端连接至第三支持件，所述悬臂部分用于将外界施加的振动力传导给所述反射元件，从而改变第一法布里-珀罗腔和第二法布里-珀罗腔的腔长。

7.根据权利要求6所述的外腔式光纤法布里-珀罗传感器，其中，第一法布里-珀罗腔与第二法布里-珀罗腔具有相同的光学特性。

8.根据权利要求6或7所述的外腔式光纤法布里-珀罗传感器，其中，所述悬臂部分为多个均匀布置的悬臂部分。

9.根据权利要求6或7所述的外腔式光纤法布里-珀罗传感器，其中，所述悬臂部分通过微加工方法形成。

10.根据权利要求6或7所述的外腔式光纤法布里-珀罗传感器，其中，所述反射元件、悬臂部分、第一支持件、第二支持件以及第三支持件通过微加工方法形成。

11.一种振动监测系统，其特征在于，包括：

激光光源，用于产生第一光束和第二光束；

如权利要求6至10中任一项所述的外腔式光纤法布里-珀罗传感器，用于通过第一光纤接收第一光束，并将第一干涉光传输回第一光纤，并且通过第二光纤接收第二光束，并将第二干涉光传输回第二光纤；其中第一干涉光通过第一法布里-珀罗腔获得，第二干涉光通过第二法布里-珀罗腔获得；

第一光陀螺，用于将第一干涉光与第一光束分离；

第二光陀螺，用于将第二干涉光与第二光束分离；

第一光探测器，用于探测从第一光陀螺分离出的第一干涉光的强度，并将其转换为第一电信号；

第二光探测器，用于探测从第二光陀螺分离出的第二干涉光的强度，并将其转换为第二电信号；

数据分析装置，用于从第一光探测器接收第一电信号，并从第二光探测器接收第二电信号，将第一电信号与第二电信号相减得到差分电信号，并从得到的差分电信号中分析出振动信息。

12.一种振动监测方法，其特征在于，包括：

将同一光源发出的光分成第一光束和第二光束；

将第一光束传输到权利要求6-10中任一项所述的第一法布里-珀罗腔，将第二光束传输到权利要求6-10中任一项所述的第二法布里-珀罗腔；

探测从第一法布里-珀罗腔产生的第一干涉光的光强信息，探测从第二法布里-珀罗腔产生的第二干涉光的光强信息；

将第一干涉光的光强信息与第二干涉光的光强信息相减得到差分信息。

从所述差分信息中解析出振动信息。

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