CN100507486C - 可调谐匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器 - Google Patents

Abstract

一种可调谐匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器。由解调光栅、传感光栅串接在一起，分别刚性粘贴于主梁和辅梁上。由于两个梁采用相同的材料，具有相同的热膨胀系数，所以解调光栅和传感光栅中心波长随温度同步漂移，因而具有自动温度补偿功能，实现匹配滤波解调，通过检测传感光栅反射光的光强变化，监测被测物体振动频率、振动幅度等参数，最后通过计算机或单片机进行物体振动频谱的分析和处理。本发明结构简单、安装方便，适用于桥梁结构、大型机电设备等恶劣的环境中应用，对长期远程安全实时监测，具有稳定性高、传输距离远、抗电磁干扰等方面优点。

Description

可调谐匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器

技术领域

本发明涉及一种可调谐匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器，主要用于测量物体的振动频率和幅度，属于光电子测试类领域。

技术背景

振动传感器在很多领域有着重要的应用，例如，对大型机电设备、桥梁结构等的实时监测。振动传感器通过监测物体的振动状况，判断其工作状态，及时排除故障，避免发生重大事故。

传统的电类振动传感器输出的是弱电信号，不能进行长距离传输，并且这类传感器在室外恶劣环境中工作可靠性差，不适应在桥梁等长期远程安全监测系统中使用。另外，电类传感器易受电磁干扰，亦不适宜在大型机电设备等强电磁场环境中工作。光纤光栅传感采用光波长编码，具有传输距离远、抗电磁干扰、长期稳定性好等优点，在长期远程安全监测领域得到普遍关注。

专利号为200410066814.1的中国专利公开一篇“基于光纤光栅的光纤微振动传感器”，他采用的测振方法为：利用悬浮布拉格光纤光栅与被测物的共振来测量被测物的振动幅度和振动速度，可以采用两种解调结构，第一种结构是通过测量悬浮光纤光栅与定标光纤光栅的反射光中心波长漂移来确定振动状态，这种结构的传感器使用光谱仪进行波长解调，而光谱仪的扫描速度不能满足振动的高速波长解调要求。第二种结构不需要标定光纤光栅，通过测量周期内振动幅度最大状态的反射光功率和平衡态的反射光功率来确定振动状态。这种传感器频率响应带宽窄，只能实现对某种特定谐振频率的振动测量。同时，这种传感器结构只使用一个光纤光栅，它利用的是微弯损耗原理，而不是光纤光栅的波长解调原理，这种传感器信噪比小、测量精度差、灵敏度低。

发明内容

本发明是一种集传感和解调于一体的光纤光栅振动传感器，提出了光纤光栅绝对振动测量和可调谐匹配滤波解调方案。该方法利用粘贴在悬臂梁结构上的传感光栅感测物体的振动信息，将物体的振动参量(如频率和振幅等)转化为传感光栅反射光波长的改变，反射光通过解调光栅谱线的线性区域滤波，将传感光栅的波长信息转化为光强信息，再经过光电转换器将光强转化为电压，最后送入计算机进行物体振动频谱的分析和处理。

该方案将解调光栅和传感光栅同时放在振动传感器中，通过另一悬臂梁对解调光栅波长进行调谐，使得解调光栅和传感光栅波长达到最佳匹配，两个悬臂梁选用相同材质，解决了光纤光栅振动传感器的波长解调和温度补偿两个关键技术问题。另外，该传感器中还使用了阻尼介质，通过优化的结构设计和合适的阻尼介质的选择，可以达到在较宽频率范围内对物体振动的高灵敏度响应。

本发明的目的是通过如下措施达到的：

本发明设计的振动传感器采用材料相同的双悬臂梁结构，其中，一个悬臂梁的自由端固定一质量块，称为主梁；另一个悬臂梁的自由端可由螺杆调谐，称为辅梁。两个串接光纤光栅分别刚性粘贴于两个梁上。其中，粘贴在主梁上的光栅为传感光栅，另一个为解调光栅。要求这两个光纤光栅的中心波长差不超过0.15nm，通过辅梁上的螺杆调节，使得两个光栅的中心波长差达到恰当的位置。另外，由于两个梁采用相同的材料，具有相同的热膨胀系数，所以两个光栅的中心波长随温度同步漂移，因而具有自动温度补偿功能。两个梁固定在充满适当的阻尼液的圆筒内。把传感器固定在被测物体上，当被测物体发生振动时，传感器内的主梁在被测物体作用下做受迫振动，主梁振动会引起传感光栅的栅距周期性变化，从而导致传感光栅反射波长周期性地漂移，由于辅梁上的解调光栅的透射谱是固定不变的，因此当传感光栅反射光经过解调光栅滤波后，光强发生周期性的变化，通过测量光强的变化频率和幅度即可确定被测物体振动的频率和幅度。这就是本发明测量振动的基本原理。

本发明的光纤光栅振动传感器主要包括传感光栅、解调光栅、主梁、辅梁、阻尼液、圆筒、质量块、密封盖等。

本发明采用双梁结构，梁是片状弹性材料，双梁的一端均固定在密封盖上；其中，主梁的自由端刚性地固定一个质量块，可以自由振动；辅梁的自由端与螺杆连接，螺杆用于调谐辅梁的挠度。两个片状梁平面方向互相垂直，上面各刚性粘贴一个光纤光栅。这两个光栅是串接起来的。

本发明能够同时测量被测物体的振动频率和振动幅度，结构简单，安装方便，能够在恶劣的环境下进行远程实时监测，同时，在测量的稳定性、灵敏度和精确度方面有较大提高。

本发明和现有技术相比有如下突出优点：

1.该传感器集“传感”和“解调”功能于一体，采用“匹配光栅边沿滤波解调”，直接输出光强信号，对后端设备要求低。

2.把解调光栅和传感光栅连接在一起放在传感探头内，可以实现温度补偿。

3.主梁上固定质量块，通过主梁和质量块参数的合理配比，可以调整传感器的谐振频率，以提高传感器的响应灵敏度。

4.在传感探头内注入适当阻尼系数的阻尼液，抑制传感器自身的谐振，拓展频率响应带宽。

5.传感器采用单光纤输出连接，为远程传输降低成本。

附图说明

图1、为本发明可调谐匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器的结构示意图。

图2、为图1虚线位置的截面图。

其中：1—解调光栅、2—传感光栅、3—辅梁、4—主梁、5—圆筒、6—阻尼液、7—质量块、8—密封盖、9—调整架、10—螺杆、11—螺母、12-传输光纤、13-宽带光源、14-光功率计、15-型光纤耦合器

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明可调谐匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器的结构示意图如图1所示，包括解调光栅1，传感光栅2，辅梁3，主梁4，圆筒5，阻尼液6，质量块7，密封盖8，调整架9，螺杆10，螺母11。本发明的连接方式为：把解调光栅1和传感光栅2串接在一起，并将解调光纤1和传感光纤2分别刚性粘贴于辅梁3和主梁4，辅梁3和主梁4的一端固定在密封盖8上，两个梁的平面方向互相垂直，辅梁3和主梁4采用相同的片状刚性的材料(具有弹性)，主梁4的自由端固定一质量块7，质量快7可以自由振动，其平面方向与辅梁3的平面方向平行。在密封盖上还要固定一调整架9，调整架9与辅梁3通过螺杆10和螺母11连接，通过拧动螺母11可以调节辅梁3的挠度使其弯曲，改变解调光栅2的光栅周期，从而调节解调光栅1和传感光栅2的中心波长差达到适合的位置。传输光纤12穿过密封盖8并接Y型光纤耦合器15，Y型光纤耦合器15分别接宽带光源13和光功率14。往圆筒5中注入阻尼液6，盖上密封盖8，使阻尼液6不能漏出。

在实测过程中，将宽带光源和光功率计通过3dB耦合器与传感器的输出光纤连接，并把传感探头固定在被测物体上。宽带光源发出的光通过3dB耦合器入射到传感器中，经过传感器中的两个串接在一起的解调光栅和传感光栅反射后，再经过3dB耦合器入射到光功率计上。当主梁4没有振动时，传感器输出光强是恒定的；当被测物体振动引起主梁4受迫振动时，传感器输出光强产生周期性变化，其变化频率等于被测物体的振动频率，变化幅度间接反映了被测物体的振幅大小。光强信号通过光功率计将光信号转化为电信号，送入计算机或单片机进行处理，直接显示被测物体的振动频率、振动幅度等信息。

Claims (2)

1、可调谐匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器，其特征在于振动传感器由解调光栅(1)、传感光栅(2)、辅梁(3)、主梁(4)、圆筒(5)，阻尼液(6)、质量块(7)、密封盖(8)、调整架(9)、螺杆(10)、螺母(11)、传输光纤(12)、宽带光源(13)、光功率计(14)、Y型光纤耦合器(15)组成，将解调光栅(1)和传感光栅(2)串接在一起，分别刚性粘贴于辅梁(3)和主梁(4)上，辅梁(3)和主梁(4)与调整架(9)固定在密封盖(8)上，主梁(4)的自由端固定一可以自由振动质量块(7)，调整架(9)与辅梁(3)通过螺杆(10)和螺母(11)连接，通过拧动螺母(11)可以调节辅梁(3)的挠度使其弯曲，改变解调光栅(2)的光栅周期从而可以调节解调光栅(1)和传感光栅(2)的中心波长差，与传感光栅(2)和解调光栅(1)串连的传输光纤(12)穿过密封盖(8)接Y型光纤耦合器(15)，Y型光纤耦合器(15)分别接宽带光源(13)和光功率计(14)，往圆筒(5)中注入阻尼液(6)，盖上密封盖(8)。

2、根据权利要求1所述可调谐匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器，辅梁(3)与主梁(4)的平面方向互相垂直。

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