一种基于电磁反馈的速度型板式光纤振动传感装置及其测量方法

本发明涉及反馈式光纤振动传感器，具体涉及一种基于电磁反馈的速度型板式光纤振动传感装置。

背景技术：

1、现有光纤振动传感器大多为加速度响应平坦的开环系统，具有重量轻、耐腐蚀和抗电磁干扰等优点，其性能基本由机械结构和光纤自身特性决定，提升某一方面的性能往往意味着其他方面性能的劣化。传统机电式振动传感器大多为速度响应平坦，且已经证明在开环系统中引入反馈，可以带来较大的性能提升，同时也使传感器的性能调节更加便捷，但也存在不耐高温高压、野外易受雷击等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对当前光纤振动传感器的不足之处，提出了一种新的电磁反馈方案。通过将开环传感器与电磁反馈结合，使系统能够工作在更低频的频带上，获得更多的低频振动信息，提升了性能一致性；同时改变系统响应特性，便于与机电式振动传感器并入组网。

2、本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于电磁反馈的速度型板式光纤振动传感装置及其测量方法。包括光源模块、光纤干涉仪模块、采集探测模块、电磁反馈模块；所述光源模块为窄线宽低噪声激光器；所述光纤干涉仪模块包括板式拾振结构和马赫曾德尔光纤干涉仪；所述采集探测模块包括光电探测器和模数转换器；所述电磁反馈模块包括数字控制器、功率放大器、电磁反馈装置和数模转换器。

3、按上述方案，所述光源模块的输出端与光纤干涉仪模块的相位调制器输入光纤相连。

4、按上述方案，所述光纤干涉仪模块的相位调制器的两输出光纤分别与两光纤敏感环的输入光纤相连，两光纤敏感环的输出光纤分别与光纤耦合器的两输入光纤相连，光纤耦合器的两输出光纤分别与采集探测模块的两差分光电探测器相连。

5、按上述方案，所述光纤干涉仪模块的光纤敏感环与板式拾振结构耦合，来感应外界振动信号。

6、按上述方案，所述采集探测模块的两差分光电探测器与模数转换器相连，再连接至电磁反馈模块的数字控制器。

7、按上述方案，所述电磁反馈模块的数字控制器与第一数模转换器相连，再连接至光纤干涉仪模块的相位调制器。

8、按上述方案，所述电磁反馈模块的数字控制器与第二数模转换器相连，再依次连接至功率放大器和电磁反馈装置。

9、按上述方案，所述光纤干涉仪模块的板式拾振结构将外界振动信号通过弹性体传递至两光纤敏感环，并转变为干涉仪输出光的相位变化，同时也受到来自电磁反馈模块通过作用在电磁反馈装置的电磁反馈力影响，最终得到的差分信号先通过采集探测模块采集后传输至电磁反馈模块；电磁反馈模块中的数字控制器先将输入的差分信号经过pgc解调算法得到一定的相位值，再通过pid控制算法得到电磁反馈所需要的反馈电压/电流值；由数模转换器将电磁反馈对应的电压/电流先输出至功率放大器放大，再将放大量输出至电磁反馈装置，对板式拾振结构施加电磁反馈力，实现闭环反馈。

10、按上述方案，所述板式拾振结构具有较低的固有频率，利于将系统的工作频带向低频拓展。

11、本发明产生的有益效果为：

12、 （1）国内外当前的光纤振动传感器多为开环结构，导致系统性能大幅依赖于机械结构和光纤本身的性能，本发明基于力平衡反馈控制原理，将电磁反馈控制系统与开环光纤振动传感器结合为闭环系统，改变了系统性能对机械机构的绝对依赖。

13、 （2）传统的光纤振动传感器多为加速度响应平坦型，工作频带难以下探到较低的频段，本发明使用电子阻尼代替大部分的机械阻尼，改变了系统响应类型和拓宽了工作频带，同时提升了系统的性能一致性，降低了环境温度改变和机械制造离散性对系统性能带来的不利影响。

1.一种基于电磁反馈的速度型板式光纤振动传感装置，包括光源模块、光纤干涉仪模块、采集探测模块、电磁反馈模块；所述光源模块为窄线宽低噪声激光器；所述光纤干涉仪模块包括板式拾振结构和马赫曾德尔光纤干涉仪；所述采集探测模块包括光电探测器和模数转换器；所述电磁反馈模块包括数字控制器、功率放大器、电磁反馈装置和数模转换器。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁反馈的速度型板式光纤振动传感装置，其特征在于光纤干涉仪模块（11）包括铌酸锂相位调制器（111）、第一保偏光纤敏感环（112）、第二保偏光纤敏感环（113）、保偏光纤耦合器（114），窄线宽激光光源（101）与铌酸锂相位调制器（111）90°连接，铌酸锂相位调制器（111）的两输出光纤分别与第一保偏光纤敏感环（112）和第二保偏光纤敏感环（113）的两输入光纤0°连接，第一保偏光纤敏感环（112）和第二保偏光纤敏感环（113）的两输出光纤分别与保偏光纤耦合器（114）的两输入光纤0°连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁反馈的速度型板式光纤振动传感装置，其特征在于采集探测模块（12）包括第一差分光电探测器（121）、第二差分光电探测器（122）、模数转换器（123），第一差分光电探测器（121）、第二差分光电探测器（122）的输入端分别与光纤干涉仪模块（11）中保偏光纤耦合器（114）的两输入光纤连接，模数转换器（123）的输入端与第一差分光电探测器（121）、第二差分光电探测器（122）的输出端相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁反馈的速度型板式光纤振动传感装置，其特征在于电磁反馈模块（13）包括数字控制器（131）、第一数模转换器（132）、第二数模转换器（133）、电磁反馈响应装置（134），数字控制器（131）的输入端与采集探测模块（12）的模数转换器（123）相连，数字控制器（131）的输出端分别与第一数模转换器（132）、第二数模转换器（133）相连，第一数模转换器（132）与光纤干涉仪模块（11）的铌酸锂相位调制器（111）相连，第二数模转换器（133）与电磁反馈响应装置（134）相连。

5.根据权利要求2所述的一种基于电磁反馈的速度型板式光纤振动传感装置，其特征在于第一保偏光纤敏感环（112）与第二保偏光纤敏感环（113），采用多层匝结构，外界振动会导致光纤折射率和光纤长度发生变化，进而产生光程差变化，最终导致输出光相位变化。

6.一种如权利要求1所述的一种基于电磁反馈的速度型板式光纤振动传感装置的测量方法，其特征在于，包括以下测量步骤：

7.如权利要求6所述的基于电磁反馈的速度型板式光纤振动传感装置的测量方法，其特征在于，拾振结构采用金属材质矩形板，使用螺纹锁紧机构通过类悬臂梁式固定，具有较低的固有频率。

8.如权利要求6所述的基于电磁反馈的速度型板式光纤振动传感装置的测量方法，其特征在于，电磁反馈响应装置（134），由动子和定子两部分组成，其动子为缠绕有漆包铜线空心圆柱体，其定子为在内部束缚并形成均匀磁场的永磁体，在其工作频带内呈现平坦响应特性。