干涉型光纤传感器工作原理

系统结构

干涉型光纤传感器的原理是: 根据光弹效应， 当外界振动信号作用在光纤上时， 光纤长度和折射率等发生使传输光的光程发生变化， 从而导致光相位变化。通过构造光路使两路相干光干涉， 从干涉光强中就能得到光相位变化的信息，光相位变化即对应了外界振动信号的变化。干涉型光纤传感器主要应用的是迈克尔逊( Michelson) 干涉仪、 马赫—曾德尔( Mach-Zenhder) 干涉仪、 Sagnac 干涉仪以及各干涉仪之间混合组成的干涉系统 。

SLD 为超辐射二极管提供 1 310 nm 的激光，DC1 为环形器，从光输入端 1 输入的光从 2 输出， 从 2 中输入的光从 3 中输出。DC2 是均分 3 × 3 光纤耦合器， 输入端5 为光源输入端， 输入端 6 为干涉光探测端， 输入端 4 和输出端 7 之间用数公里的延时线圈相连， 在输出端 8 和法拉第旋转镜( 10 位置处) 之间为振动信号检测光纤， 这段光纤布设在电机需要监测振动状况的部位， 电机的振动作用于这段光纤上，对光纤中传输的激光进行相位调制。从输出端 6 输出的干涉信号由 PIN2 接收，在该处干涉的两路相干光所 走 的 路 径 分 别 为: Path1， 1—2—5—8—9—10—9—8—4—7—6;Path2， 1—2—5—7—4—8—9—10—9—8—6。从输出端 5 输出的干涉光从 2 处输入环形器， 并从 3 处输出， 被 PIN1 接收， 输出端 5处干涉的两路相干光所走的路径分别为: Path3，1—2—5—8—9—10—9—8—4—7—5; Path4， 1—2—5—7—4—8—9—10—9—8—5 。

假设在传感臂上施加的电机振动信号为余弦调制， 则PIN1 和 PIN2 接收到的干涉光强可以分别表示为

I1 ( t) = A B cos( s cos ωst 0 ) ， ( 1) I2( t) = A B cos( scos ωst) ， ( 2)

式中 A 与 B 为正比于输入的光强，ωs 和 s 分别为光纤感受到的电机振动信号的角频率及其产生的两路相干光相位差的幅值，0 为无外界振动时， 两束相干光到达 6 位置时的固定相位差，对于图 1 所示系统中使用的均分 3 × 3 耦合器，0 = 23 π。通过光强 I1 ( t) 和 I2 ( t) 可以解调出与电机振动信号呈正比的信号 φs( t) [ 8] ，用于进一步的频谱分析 。

电机状态监测原理

电机在正常运行的状态下， 产生的振动信号具有一定的稳定性，因此，在频域上也表现出一定的稳定性。当电机由于老化、 磨损、 有异物、 松动等原因使得其运行不稳定时，它所产生的振动与稳定状态下相比有明显的区别。对电机故障诊断使用的传统方法是用频谱仪对信号的频谱进行分析。在正常状态下，振动信号的频谱大致由基频 f0 及其各次谐波 1f0 ，2f0 ，3f0…构成。基频 f0 的大小与电机的运转速度 v 有关，当转速 v 增大时，f0 也相应增大， 同时 f0 的各次谐波的位置也会相应的变化。基频 f0 及其各次谐波的幅度值不同，一般而言基频对应的幅值最大。当由于电机的故障导致电机转速降低、 振动加强时，信号的频谱上对应的会出现基频和各次倍频的移动及其幅值的改变 。传统的频谱分析主要借助的方法是离散傅里叶变换， 离散傅里叶变换的公式如式( 3) 所示

S( ω) = ∑N－1n = 0X( n) e － jnω ． ( 3)

其中，ω 为信号角频率，S( ω) 为信号的频谱，X( n) 为信号的离散采样值 。

为实现对电机运行状况是否良好的判断， 必须对电机正常运行时所辐射出的噪声进行频谱分析， 提取正常运行时的频谱特征， 如基频和各次倍频的位置和幅值。将每秒采集振动信号频谱中的特征与正常运行时的特征比较， 运行时的值与正常值之差大于阈值时， 则认为电机处于不正常状态 。

保偏光纤传输线偏振光，广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域。在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量。保偏光纤作为一种特种光纤，主要应用于光纤陀螺，光纤水听器等传感器和DWDM、EDFA等光纤通信系统。由于光纤陀螺及光纤水听器等可用于军用惯导和声呐，属于高新科技产品，而保偏光纤又是其核心部件，因而保偏光纤曾经被西方发达国家列入对我禁运的清单。国内部分光纤生产公司已能生产 。