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【摘要】光纤传感振动检测是光纤传感器的重要研究方向。该论文设计了一种由光纤传感器系统、光纤传感检测系统、信号处理系统等系统组成的一个振动检测系统。振动信号经光纤传感器转化为光信号，再由光纤传感检测系统转化为电信号，最终由信号处理系统识别出振动信号的位置和类型。
【关键词】振动检测;光纤传感器;信号处理;光纤干涉
中图分类号：TN929 文献标识码：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2020.21.029
随着国家经济结构进入深刻转型，对各方面的检测的要求都进入了新的高度，随之发展的传感器的应用也逐渐成为研究的热点问题。但是传统的基于电信号变化的传感器越来越难以适应一些高电磁干扰、温度变化剧烈的环境，这为使用其他类型信号的传感器的发展提供了研究发展方向和外部条件。
分布式光纤传感技术凭借在应用上传感探测距离长、光纤作为传感器成本低、无需外部供电和抗电磁干扰性能强等优点，成为传感器发展和智能检测等方面的重要发展方向。光纤传感技术适用于较低频频率的收集，在具有长距离监测任务的沿途安防监测、国境线防止入侵等重要领域具有广泛应用。
其中利用光纤振动信号的信息提取和分析也是重要的研究方向，振动是常见的物理现象，通过振动可以实现结构健康检测、灾害或者异常事件的预警。分布式光纤传感振动检测主要原理可以分为干涉型和瑞利散射型两类。
本文提供一种使用光源、光缆、耦合器和相应信号检测设备实现干涉型光纤传感振动系统的设计方法，对于整个光纤传感系统进行分步的说明和分析。
1. 系统整体框图
振动引起光纤传感器系统中的光纤产生振动，并由此引起光线中传输的光信号的变化。由此将振动信号转换为光信号，光信号经过振动检测系统将光信号变为电信号并且进行接收、分析，并且得出结果，最后由Labview显示系统将振动的类型和位置。
下图为系统的基本框图：
2. 光纤传感器系统
光纤传感器系统由以下部分组成
2.1 光源
本系统采用可调控的温控单色光激光源，可根据不同的工作距离相应的系统进行选择不同的光信号强度，以更好的适应不同应用场景的变化。
2.2 光分路器
光分路器又称分光器，是光纤链路中重要的无源器件之一，是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件。光分路器在本系统中的作用是将光源发出的单色光分为多路，将多路光信号分别经过不同的耦合器进入位于同一光缆中的不同的光纤传感器中进行传输，在接收端可以接受到多路光信号进行耦合干涉，从而使得到的结果更加可靠。
2.3 耦合器
耦合器是本系统光路中重要的光器件，它的主要作用是发送两束相同强度相位的光信号和接收经过光纤传感器光信号，并使光信号在其中进行干涉，同时将干涉的后的光信号进行输出。
2.4 光纤传感器
光纤传感器是系统中的基础零件，也是系统中充当传感器，还是振动信号进行传输的介质。
当光纤传感器的某个部位发生振动，光纤传感器的振动部位会产生形变，位于同一光缆的不同芯的光纤传感器将会产生不同的形变，这些形变的差异会导致光纤的传输距离发生相对的变化，从而影响光信号在耦合器中干涉的结果。
根据这种结果的不同来判断造成振动的对象和对象所处的位置。
实际的铺设效果如图：
下图为光纤传感器系统图：
3. 振动检测系统
振动检测系统由以下部分组成
3.1 PIN
PIN即光电转换二极管，光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。
在本系统中PIN的作用是将耦合其中干涉完成的光信号接收，并将光信号转换为电信号，以便于系统后期的检测分析和判断。
3.2 放大器
由于光信号光纤传感器中进行了长距离的传输，光信号已经产生了一定程度上的减弱，由光信号产生的电信号信号幅度更加弱小，因此需要将所转换的信號进行放大，放大器的作用是将接受到的电信号进行放大，以便于接下来的滤波器等模块的相关操作。
3.3 滤波器
在实际的环境中，除了需要检测的物体产生的振动外，环境中的其他因素也会导致光纤振动，需要将这些干扰信号滤除，只留下所需要的信号。所需要检测的信号一般是频率较低的信号，因此设计了一个低通滤波器，将自然中的那些高频信号滤除。
3.4 FPGA
FPGA在系统的任务是信号的AD采样和信号的FFT频谱分析，同时完成与Jetson Nano的通信。AD采样的作用是将滤波器中滤出的模拟信号转换为数字信号方便对信号进行频谱分析。FFT的作用是将信号从时域转换到频域，并且得到信号的频谱图。通过分析信号的时域波形和频谱图，可以得到需要的信息。与Jetson Nano的通信的目的是将频谱图和时域波形传输Jetson Nano中进行处理。
3.5 Jetson Nano
Jetson Nano是人工智能开发板，主要作用是收集和学习FPGA的FFT频谱数据，并且根据频谱数据来判定产生振动的位置和振动产生的类型。最后将所判定的结果经由网卡传输到网络中，进而传给上位机，并且由Labview最终显示出判定的结果。
下图为振动检测系统的系统框图：
4. labview显示系统
Labview从网络中接收到从Jetson Nano上传到网络的振动信号，经过显示模块显示出振动信号的类型和位置。并且将振动信号存储到数据库，以便于以后的读取和分析。
5. 结语
本文设计了一种使用光纤作为传感器的振动检测系统，它使用的原理是光纤干涉。本系统使用光纤传感器系统采集振动信号，经过振动检测系统的接收、分析等得出结果，并将最终结果发送到上位机，由Labview完成振动信号的类型、位置显示和数据库的存储。
参考文献：
[1]李振威，蒋思尝，栾敬钊，翟晖，骆健恒.基于双MZ干涉原理的光纤微振动传感器关键技术[J].光通信技术，2020，44（09）：45-47.
[2]祁耀斌，刘路杰，高雪清，王汉熙.基于端面反射的高频光纤振动传感系统研究[J].中国海洋大学学报（自然科学版），2020，50（11）：112-118.
[3]邸凌云.偏振干涉式全光纤振动传感器及其应用研究[D].东南大学，2019.
[4]梁铨廷.物理光学[M].北京：机械工业出版社，1980.24～27
[5]严瑛白.应用物理光学[M].北京：机械工业出版社，1990.85～86
[6]何毅.分布式相位调制型光纤振动传感器信号处理技术研究[D].华中科技大学，2006.
【关键词】振动检测;光纤传感器;信号处理;光纤干涉
中图分类号：TN929 文献标识码：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2020.21.029
随着国家经济结构进入深刻转型，对各方面的检测的要求都进入了新的高度，随之发展的传感器的应用也逐渐成为研究的热点问题。但是传统的基于电信号变化的传感器越来越难以适应一些高电磁干扰、温度变化剧烈的环境，这为使用其他类型信号的传感器的发展提供了研究发展方向和外部条件。
分布式光纤传感技术凭借在应用上传感探测距离长、光纤作为传感器成本低、无需外部供电和抗电磁干扰性能强等优点，成为传感器发展和智能检测等方面的重要发展方向。光纤传感技术适用于较低频频率的收集，在具有长距离监测任务的沿途安防监测、国境线防止入侵等重要领域具有广泛应用。
其中利用光纤振动信号的信息提取和分析也是重要的研究方向，振动是常见的物理现象，通过振动可以实现结构健康检测、灾害或者异常事件的预警。分布式光纤传感振动检测主要原理可以分为干涉型和瑞利散射型两类。
本文提供一种使用光源、光缆、耦合器和相应信号检测设备实现干涉型光纤传感振动系统的设计方法，对于整个光纤传感系统进行分步的说明和分析。
1. 系统整体框图
振动引起光纤传感器系统中的光纤产生振动，并由此引起光线中传输的光信号的变化。由此将振动信号转换为光信号，光信号经过振动检测系统将光信号变为电信号并且进行接收、分析，并且得出结果，最后由Labview显示系统将振动的类型和位置。
下图为系统的基本框图：
2. 光纤传感器系统
光纤传感器系统由以下部分组成
2.1 光源
本系统采用可调控的温控单色光激光源，可根据不同的工作距离相应的系统进行选择不同的光信号强度，以更好的适应不同应用场景的变化。
2.2 光分路器
光分路器又称分光器，是光纤链路中重要的无源器件之一，是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件。光分路器在本系统中的作用是将光源发出的单色光分为多路，将多路光信号分别经过不同的耦合器进入位于同一光缆中的不同的光纤传感器中进行传输，在接收端可以接受到多路光信号进行耦合干涉，从而使得到的结果更加可靠。
2.3 耦合器
耦合器是本系统光路中重要的光器件，它的主要作用是发送两束相同强度相位的光信号和接收经过光纤传感器光信号，并使光信号在其中进行干涉，同时将干涉的后的光信号进行输出。
2.4 光纤传感器
光纤传感器是系统中的基础零件，也是系统中充当传感器，还是振动信号进行传输的介质。
当光纤传感器的某个部位发生振动，光纤传感器的振动部位会产生形变，位于同一光缆的不同芯的光纤传感器将会产生不同的形变，这些形变的差异会导致光纤的传输距离发生相对的变化，从而影响光信号在耦合器中干涉的结果。
根据这种结果的不同来判断造成振动的对象和对象所处的位置。
实际的铺设效果如图：
下图为光纤传感器系统图：
3. 振动检测系统
振动检测系统由以下部分组成
3.1 PIN
PIN即光电转换二极管，光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。
在本系统中PIN的作用是将耦合其中干涉完成的光信号接收，并将光信号转换为电信号，以便于系统后期的检测分析和判断。
3.2 放大器
由于光信号光纤传感器中进行了长距离的传输，光信号已经产生了一定程度上的减弱，由光信号产生的电信号信号幅度更加弱小，因此需要将所转换的信號进行放大，放大器的作用是将接受到的电信号进行放大，以便于接下来的滤波器等模块的相关操作。
3.3 滤波器
在实际的环境中，除了需要检测的物体产生的振动外，环境中的其他因素也会导致光纤振动，需要将这些干扰信号滤除，只留下所需要的信号。所需要检测的信号一般是频率较低的信号，因此设计了一个低通滤波器，将自然中的那些高频信号滤除。
3.4 FPGA
FPGA在系统的任务是信号的AD采样和信号的FFT频谱分析，同时完成与Jetson Nano的通信。AD采样的作用是将滤波器中滤出的模拟信号转换为数字信号方便对信号进行频谱分析。FFT的作用是将信号从时域转换到频域，并且得到信号的频谱图。通过分析信号的时域波形和频谱图，可以得到需要的信息。与Jetson Nano的通信的目的是将频谱图和时域波形传输Jetson Nano中进行处理。
3.5 Jetson Nano
Jetson Nano是人工智能开发板，主要作用是收集和学习FPGA的FFT频谱数据，并且根据频谱数据来判定产生振动的位置和振动产生的类型。最后将所判定的结果经由网卡传输到网络中，进而传给上位机，并且由Labview最终显示出判定的结果。
下图为振动检测系统的系统框图：
4. labview显示系统
Labview从网络中接收到从Jetson Nano上传到网络的振动信号，经过显示模块显示出振动信号的类型和位置。并且将振动信号存储到数据库，以便于以后的读取和分析。
5. 结语
本文设计了一种使用光纤作为传感器的振动检测系统，它使用的原理是光纤干涉。本系统使用光纤传感器系统采集振动信号，经过振动检测系统的接收、分析等得出结果，并将最终结果发送到上位机，由Labview完成振动信号的类型、位置显示和数据库的存储。
参考文献：
[1]李振威，蒋思尝，栾敬钊，翟晖，骆健恒.基于双MZ干涉原理的光纤微振动传感器关键技术[J].光通信技术，2020，44（09）：45-47.
[2]祁耀斌，刘路杰，高雪清，王汉熙.基于端面反射的高频光纤振动传感系统研究[J].中国海洋大学学报（自然科学版），2020，50（11）：112-118.
[3]邸凌云.偏振干涉式全光纤振动传感器及其应用研究[D].东南大学，2019.
[4]梁铨廷.物理光学[M].北京：机械工业出版社，1980.24～27
[5]严瑛白.应用物理光学[M].北京：机械工业出版社，1990.85～86
[6]何毅.分布式相位调制型光纤振动传感器信号处理技术研究[D].华中科技大学，2006.