CN101441103A - 一种光纤振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种光纤振动传感器，包括：光纤振动传感部分，用于测量外界的振动信号；阻尼部分，用于产生阻尼力，减小光纤振动传感系统自由振动的过程和幅度；阻尼部分和光纤振动传感部分之间通过连杆刚性连接，用于将阻尼力引入光纤振动传感部分。其中，光纤振动传感部分包括：悬臂梁、质量块和光纤光栅；阻尼部分为液体活塞阻尼部分且包括活塞、阻尼器外壳和阻尼液。液体活塞式阻尼可以提供较其他方式更大的阻尼力，而且能够方便地调节其大小；光纤振动传感部分，悬臂梁既可以是等截面梁，也可以是等强度梁等其他类似起换能作用的机械结构。

Description

一种光纤振动传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤振动传感器，具体涉及具有阻尼装置的光纤光栅振动传感器，可用于地震波检测、环境振动测量、设备振动测量等技术领域。

背景技术

振动测量早已经是现代工业生产、科学研究过程中非常重要的领域。传统的振动传感器一般是采用电学量传感器如压电或电磁式，而后经过电缆将信号传输至终端进行信号的处理。由于电子元器件对于恶劣环境的适应性差(温度每升高10℃就会使电子仪表的故障率成倍增加)、微弱的电信号容易收到电磁干扰(电磁测量的先天不足)、特殊测量地点的安全要求(电信号容易对易燃易爆场所造成安全威胁)以及远距离传输使得信号大幅损耗等要求一种新的测量方式来替代传统的电测试。

光纤传感技术是现代通信的产物，是随着光纤及通信技术的发展而逐步发展起来的一门崭新技术。光在传输过程中，光纤易受到外界环境的影响，如温度、压力等，从而导致传输光的强度、相位、频率、偏振态等光波量发生变化，从而通过监测这些量的变化可以获得相应的物理量。光纤传感器具有下列特点：不受潮湿环境影响，能避免电磁场的干扰，电绝缘性好；耐久性好，具有抵抗包括高温在内的恶劣环境及化学侵蚀的能力；质量轻，体积小，对结构影响小，易于布置；信号、数据可多路传输，单位长度上信号衰减小等优点，可以完全胜任在恶劣环境正常工作的任务。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在光纤纤芯内形成空间相位光栅。当多波长信号入射进入光纤时，满足光栅反射条件的某个波长信号(称为Bragg波长)，会被耦合成反向波并沿原光纤线路反向传输。光纤光栅传感的基本原理是：温度、应变和应力等物理量的变化会引起光纤光栅的栅距和有效折射率的变化，从而使光纤光栅反射的Bragg波长发生漂移，通过检测光纤光栅Bragg波长的变化就可以获得相应的温度、应变和应力的信息。光纤光栅传感器不仅拥有光纤传感器的优势，而且还拥有自身特殊的优点：测量动态范围只受光源谱宽的限制，不存在多值函数问题；检出量是波长信息，因此不受接头损失、传输损耗、弯曲损耗、光源功率起伏等因素的影响，对环境干扰不敏感，稳定性好；波长编码，可以方便实现被测量的绝对测量；输出线性范围宽，在10000微应变范围内波长移动与应变有良好的线性关系，频带宽，信噪比高；便于利用波分复用技术串联多个光纤光栅形成分布式传感网络，因此光纤光栅传感技术有着广阔的应用前景。

光纤光栅振动传感器中，以悬臂梁形式的居多，该类型的振动传感器结构简单、成本低廉、灵敏度高等诸多优点而受到欢迎。国内外关于此方面的文章如“一种布拉格光纤光栅加速度传感器，《激光杂志》，2005年第26卷第1期”、“新型光纤光栅加速度传感器的设计与实现，《仪器仪表学报》，2006年27卷第一期”以及“Unattended ground sensor based on fiberBragg grating technology Proceedings of SPIE Vol.5796”等等。

但是基于这种结构的传感器大多没有采取阻尼装置，于是在实用中特别是在高速动态信号作用下，传感器不能真实反映待测信号的实时特性。测振传感器在工作时，其动态响应为(《振动测试和分析》，人民铁道出版社，1979年，第83页)：

其中，u——

      w_B——强迫振动角频率，

      w₀——仪器自振角频率，

      D——

      C——阻尼力系数，

C_c——临界阻尼力系数，

——初始相位角

x_m——振动的最大幅值。

方程中第一项和第二项是振动系统的自振项，包括了由初始条件及强迫项所引起的自由振动，由于是有阻尼的衰减振动，经过一定时间后即衰减到可忽略不计。第三项是强迫振动部分。但实际情况是，没有采取阻尼系统的悬臂梁系统的阻尼力(空气阻尼)很小，其自由振动项时间历程常达数秒，会混迭在后续的强迫振动中，严重影响传感器的性能。如文献(Temperature-Insensitive Fiber Bragg Grating Accelerometer，IEEEPHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，VOL.15，NO.10，OCTOBER2003)表明未添加阻尼装置的悬臂梁传感器在冲击信号作用下，在传感器信号作用结束2秒后悬臂梁还未停止下来，这极其不利于对后续连续信号的接收。

发明内容

鉴于现有技术中存在的缺陷，完成了本发明。本发明的目的是提供一种具有阻尼装置的光纤振动传感器，该阻尼装置可以提供任意大小的阻尼，可以极大降低光纤振动传感部分10的自由振动的过程和幅度。

在本发明的一个方面，提出了一种光纤振动传感器，包括：光纤振动传感部分10，用于测量外界的振动信号；阻尼部分9，用于产生阻尼力，减小光纤振动传感系统自由振动的过程和幅度；阻尼部分9和光纤振动传感部分10之间通过连杆4连接，用于将阻尼力引入光纤振动传感部分。

进一步，光纤振动传感部分10包括：悬臂梁1、质量块2和光纤光栅8。

进一步，所述阻尼部分(9)为活塞式。进一步，为液体活塞式。

进一步，阻尼部分为液体活塞阻尼部分且包括活塞6、阻尼器外壳5和阻尼液7。液体活塞式阻尼可以提供较其他方式更大的阻尼力，而且能够方便地调节其大小。

进一步，阻尼部分9和光纤振动传感部分10之间通过连杆4的连接为刚性连接，且连杆在连接点3同悬臂梁刚性连接。

进一步，光纤振动传感部分，悬臂梁既可以是等截面梁，也可以是等强度梁等其他类似起换能作用的机械结构。

进一步，阻尼部分的阻尼力的大小控制是通过调整活塞的厚度和大小、阻尼液的粘滞系数以及活塞和外壳之间的间隙大小方法实现的。。

进一步，液体活塞阻尼部分外壳5和活塞6为圆形，矩形或多边形等形状。

进一步，合理设计光纤振动传感部分10的自振频率和液体活塞阻尼部分9的阻尼系数，可以实现对振动信号的加速度、位移、振速的分别测量。

本发明的有益结果是，添加了液体活塞式阻尼的光纤光栅振动传感器极大的缩短了传感器的自由振动的时间，通过设计合理的阻尼系统参数，如液体材料及粘滞系数，活塞大小以及活塞和外壳之间的间隙宽度，可以合理、方便地调节阻尼的大小，实现加速度、振速、位移的多种振动领域的测量使用，满足各种环境的应用需求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是振动传感器自振频率、阻尼大小与工作频段的相对关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为示出本发明的一实施例的结构示意图。

在振动的环境中，光纤振动传感部分10受到惯性力的作用，特别是质量块2在惯性力的作用下产生了相对于外壳的相对运动，即在悬臂梁1的顶端产生了作用力，振动信号转化为作用在悬臂梁1上的力的变化。悬臂梁1在上述作用下产生挠曲，进而在其表面产生相应的应变，使固定在上面的光纤光栅8产生了同步的拉伸或压缩，造成了光纤光栅中心波长的变化，即光纤光栅8的中心波长被外界振动信号所调制。

在上述过程中，当质量块2由于惯性力的作用而产生了相对于阻尼系统的相对位移，即通过固定在质量块2上的连杆4带动了活塞6，使活塞6同阻尼器外壳5之间产生了相对运动，根据流体力学的原理，活塞6上下表面由于相对运动时，一端的液体通过间隙流到另外一端，这样就在活塞两端形成了压力差，形成了阻碍上述相对运动的过程和幅度，即产生阻尼作用。

由力学知识，液体流量的大小为：

$Q=\frac{\mathrm{\π}\·R\·{\mathrm{\δ}}^3}{b\·\mathrm{\μ}\·l}\mathrm{\ΔP}$

又Q＝S·V， $\mathrm{\ΔP}=\frac{P}{S}.$

则   $P=\frac{6\mathrm{\π\μ}{\mathrm{lr}}^3}{{\mathrm{\δ}}^3}V=C\·V$

       $C=\frac{6\mathrm{\π\μ}{\mathrm{lR}}^3}{{\mathrm{\δ}}^3}$

其中，C是阻尼力系数；

      P是阻尼力；

      ΔP是活塞两端的压力差；

      μ是液体粘度；

      V是活塞运动速度；

      l是活塞的厚度；

      R是活塞的半径；

      δ是活塞和阻尼外壳之间的间隙宽度。

由上面的阻尼力的公式，可以明显看出，阻尼力的大小同液体的粘度系数、活塞的厚度、活塞半径的三次方成正比，同活塞和外壳间隙宽度的三次方成反比。增大液体的粘度系数如更换阻尼液、增大活塞的厚度和半径。缩小间隙宽度可以增大阻尼力的大小，反之亦然。因此，可以通过改上述参数实现对阻尼大小的调整。

由振动测量的相关知识，当振动传感器的自振频率远高于待测试频段的高频，传感器实现对振动加速度的测量；当振动传感器的自振频率远小于待测频段的低频的时候，传感器实现对振动信号的位移测量；当振动传感器的自振频率处在待测频段之内时，传感器实现对振动信号的振速的测量，如图2所示。而振动传感器的自振频率可以根据材料参数、几何参数等确定，以实现对自振频率的设定。所以，本发明所述的光纤振动传感器可以实现对不同频段的振动加速度、振速、位移的测量。

虽然参照上述实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变型。

Claims (9)

1.一种光纤振动传感器，其特征在于，包括：

光纤振动传感部分(10)，用于测量外界的振动信号；

阻尼部分(9)，用于产生阻尼力，减小光纤振动传感系统自由振动的过程和幅度；

阻尼部分(9)和光纤振动传感部分(10)之间通过连杆(4)连接，用于将阻尼力引入光纤振动传感部分。

2.如权利要求1所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述光纤振动传感部分(10)包括：悬臂梁(1)、质量块(2)和光纤光栅(8)。

3.如权利要求1所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述阻尼部分(9)为活塞式。

4.如权利要求3所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述阻尼部分(9)为液体活塞式。

5.如权利要求4所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述液体活塞阻尼部分包括活塞(6)、阻尼器外壳(5)和阻尼液(7)。

6.如权利要求1或2所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述阻尼部分(9)和光纤振动传感部分(10)之间通过连杆(4)的连接为刚性连接。

7.如权利要求2所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述光纤振动传感部分中的悬臂梁为悬臂等强度梁或等截面梁。

8.如权利要求5所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述阻尼部分的阻尼力的大小控制是通过调整活塞的厚度和大小、阻尼液的粘滞系数以及活塞和外壳之间的间隙大小方法实现的。

9.如权利要求3、4或5所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述活塞阻尼部分外壳(5)和活塞(6)为圆形，矩形或多边形。

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