一种基于多芯光纤的二维微弱振动探测仪及实时分析方法

本发明属于微弱振动测量，具体涉及一种基于多芯光纤的二维微弱振动探测仪及实时分析方法。

背景技术：

1、振动是自然界最普遍的现象之一，从基本粒子的布朗运动到人体的鼓膜和声带，振动无处不在。近年来，随着微加工技术的飞速发展，对于物体微小形变、微小振动的精确测量，越来越引起人们的重视。微弱振动测量的应用非常广泛，例如，在工业生产中，微弱振动可用于实时监测机械设备运行状态，及时发现轴承故障、不平衡以及松动等问题，有效保障了设备的可靠性和稳定性，对于提高生产效率、提升产品质量具有重要意义；在建筑工程领域，微弱振动测量可用于监测和评估建筑、桥梁等工程结构的振动性能，分析振动数据获得结构的固有频率、模态形态和振动幅值，预防、发现隐患，保障公共安全；在科研领域，尤其是在半导体制造、光学仪器、航空航天等领域的精密设备对振动非常敏感，一些重复性实验的结果也对振动微扰有着十分严苛的要求。因此，发展和创新微弱振动的探测手段具有重要的应用价值。

2、目前测量振动的主要仪器有压电式振动传感器、磁电式振动传感器以及多普勒雷达测量仪等。在众多方法中，光纤振动传感技术灵敏度高、频响范围宽、响应速度快、抗电磁干扰、传输距离远，在各领域都有着广泛的应用前景。经调研发现，目前应用较广的相位调制与波长调制型传感器虽然精度较高，但这些方法普遍存在结构复杂，解调难度大，易受其他因素影响的缺点。相比之下，强度调制型光纤振动传感器原理简单直观，解调难度相对较低，不易受其他因素影响，因此本发明将从强度调制入手，设计并制作一种高灵敏度，可实时成像的二维微弱振动光纤传感器。

3、振动一般指周期性运动，本身具有频率（周期）、振幅、位移、速度和加速度等多种物理特征参量，这些物理量存在相互联系。本实验选择使用频率与位移来反映振动。由于微弱振动较难观察与测量，因此需要建立起振动频率及位移与其他易于测量的物理量之间的关系，才能使振动的表征变得简单易行。光纤传感技术具有多种强度调制方法，且具有较高的灵敏度。鉴于此，本实验从光纤端面性质出发，以期通过光斑在光纤端面偏移所带来的耦合效率变化，建立耦合效率与位移之间的定量关系，从而实现振动的间接测量。

技术实现思路

1、鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于多芯光纤的二维微弱振动探测仪及实时分析方法，以光斑-单芯光纤最大耦合位置作为基准矫正测量零点，设计光路通过反射镜引起光斑移动，再通过出射光光功率与反射镜位移之间的映射关系进行静态定标，从而获得耦合效率与反射镜位置的定量关系，由此实现动态振动的位移、频率的实时测量。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于多芯光纤的二维微弱振动探测仪，包括激光器、光阑、单芯光纤跳线、四芯光纤跳线、反射镜、第一分光镜、第二分光镜、探测器、振动源和信息处理系统，所述激光器、光阑、第一分光镜、第二分光镜和反射镜从左至右依次设置；

3、所述激光器用于发射激光束，激光束依次经过光阑、第一分光镜、第二分光镜和反射镜，从所述反射镜反射出的反射光束依次穿过第二分光镜和第一分光镜，反射光束在经过第二分光镜时分为第一光束和第二光束，第一光束耦合到四芯光纤跳线端面，第二光束经过第一分光镜后耦合到单芯光纤跳线端面；

4、所述光阑用于过滤杂散光；所述振动源用于给反射镜提供振动；所述单芯光纤跳线和四芯光纤跳线的出射端均与探测器连接，所述信息处理系统用于收集处理探测器中光电流流经大电阻后电压变化，所述信息处理系统通过反射镜移动时，反射光束将发生偏移，使得单芯光纤跳线和四芯光纤跳线的耦合效率下降，导致信息处理系统接收的电压信号变化，达到对振动的实时探测分析。

5、进一步，所述单芯光纤跳线为工作波段为200-1100nm、纤芯直径为400μm、包层直径为440μm、涂覆层直径为700μm、数值孔径为0.22、光接收角为25.4°的石英光纤；

6、所述单芯光纤跳线中纤芯的材料为纯石英高羟基，所述单芯光纤跳线中包层的材料为掺氟石英，所述单芯光纤跳线中涂覆层的材料为双层紫外固化丙烯酸树脂。

7、进一步，所述四芯光纤跳线的工作波段为650nm，所述四芯光纤跳线的总直径为1300μm，所述四芯光纤跳线中单纤芯直径为500μm。

8、进一步，所述探测器包括光电探测器、4个pin光电二极管和数据采集卡，所述光电探测器和4个pin光电二极管分别与数据采集卡连接，所述光电探测器与单芯光纤跳线连接，4个所述pin光电二极管与四芯光纤跳线连接，4个所述pin光电二极管均为光纤耦合式且工作波段为400-1100nm的可见光硅pin光电二极管。

9、进一步，所述振动传导杆件包括杆体和磁座，所述杆体两端分别于透镜套筒的背面和磁座表面进行连接，所述磁座吸附在振动源表面。

10、进一步，所述光电探测器为工作波段在320-1100nm的偏置硅光电二极管。

11、一种基于多芯光纤的二维微弱振动实时分析方法，包括以下步骤：

12、s1、朝反射镜发射激光束；

13、s2、反射镜反射出的反射激光经过其一分光镜分为第一光束和第二光束，第一光束与四芯光纤的端面耦合，第二光束经过另一分光镜与单芯光纤的端面耦合；

14、s3、采集单芯光纤端面和四芯光纤端面的耦合效率，振动发生时，通过光斑在单芯光纤端面和四芯光纤端面偏移所带来的耦合效率变化，建立耦合效率与位移之间的定量关系，实现对振动的间接测量。

15、进一步，光纤耦合效率为：

16、；其中上述公式中：为光纤模场半径；是光纤端面上任一点到中心的径向距离；为耦合透镜焦距；为波长；为耦合孔径光阑；为波数；x是偏移距离；y是耦合效率；j1是勒让德多项式；i是虚数单位；xoffset是偏离位置。

17、进一步，所述步骤s3中采用了long short-term memory（lstm）模型对单芯光纤端面和四芯光纤端面的电压信号进行时间序列建模和预测，电压信号随着光纤耦合效率降低而降低。

18、进一步，所述步骤s3中采用了快速傅里叶变换对采集电压进行处理，从而得到振动频率。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、1.第一方面，应用场景广泛，拓展性强：本实验跳出多芯光纤仅用于数据传输的常规应用场景，利用四芯光纤结合lstm深度学习算法设计搭建可实时成像的二维微弱振动探测系统。本系统可用于实时监测机械设备运行状态，监测和评估建筑、桥梁等工程结构的振动性能，检测科研级精密设备的振动微扰等。基于本实验的实验方法可以实现一到三维的微弱振动检测以及与光纤耦合效率相关的其他物理量（如：浓度、温度等）的测量。

21、2.第二方面，操作便捷、智能高效、易于推广应用：本实验采用凹面反射镜替代传统的平面反射镜实现激光光斑的二维移动，同时，加入四芯光纤结合lstm深度学习算法解决了微弱二维随机振动测量的难题；自主设计了反射镜-振动源夹持与传导装置，实现定标与测量一体化的原位检测，增强装置的实用性与创新性；使用单芯光纤的最大耦合位置作为基准进行光路校准并参与四芯光纤的同步定标，对采集过程中的扰动进行修正，配合自主研发的静态定标系统与实时采集成像系统，自动化程度高、响应速度快、精度高。装置的频率响应范围为0~2500hz、振幅的有效响应范围为0.400mm，百分比精度为±2.0%fs。相比于相位调制与波长调制型传感器，本发明具有结构简单、易于解调、不易受其他因素影响等优点。

22、第三方面，实验内容丰富，教学效果好：涉及光学、声学、电学、传感、计算机编程、神经网络、人工智能等知识；基于光纤耦合效率理论可实现一维至三维微弱振动的精确测量，测量原理新颖、现象直观可视，打破“黑匣子”限制，可加深学生对物理过程的理解，为光纤传感器的理论教学提供一种新颖有趣的实验方案。