CN101441105A

CN101441105A - 一种光纤振动传感器

Info

Publication number: CN101441105A
Application number: CNA2007101777879A
Authority: CN
Inventors: 王永杰; 李芳�; 刘育梁
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2007-11-21
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2009-05-27

Abstract

本发明提出了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系统之间通过连杆连接，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，其中悬臂梁为悬臂等强度梁或等截面梁；阻尼部分为气缸活塞式且包括气缸活塞和气缸，其中空气为阻尼介质。因为空气的粘滞系数随温度变化影响很小，因此，温度的变化对于传感器性能的影响很小；阻尼部分和光纤振动传感部分之间通过连杆的连接为刚性连接。

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，可以避免传统电学量测量的种种弊端，发挥光纤传感器诸多优点，又能提供足够的阻尼，达到在恶劣环境下稳定工作的目的。

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9，用于测量外界的振动信号；阻尼部分8，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8和光纤振动传感系统9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9包括：悬臂梁1、质量块2和光纤光栅7，其中悬臂梁可以是等截面梁或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8为气缸活塞式且包括气缸活塞5和气缸6，其中空气为阻尼介质。因为空气的粘滞系数随温度变化影响很小，因此，温度的变化对于传感器性能的影响很小。

进一步，阻尼部分8和光纤振动传感部分9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，光纤振动传感部分中的悬臂梁为悬臂等强度梁或等截面梁。

进一步，空气阻尼部分包括气缸活塞5，气缸6等，且阻尼力的大小可以通过调整相关参数，如活塞气缸和外壳之间的间隙大小、气缸活塞5插入气缸6的深度等，可以合理、方便地调节阻尼的大小。

进一步，气缸活塞5和气缸6不仅可以是圆形，方形，多边形等形状等。

进一步，合理设计振动传感部分9的自振频率和气缸阻尼部分8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，添加了空气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荡的时间，通过设计合理的阻尼系统参数，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，且空气阻尼随温度变化影响小，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9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7产生了同步的拉伸或压缩，造成了光纤光栅7(FBG)中心波长的变化，即光纤光栅7的中心波长被外界信号所调制。

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带动了气缸活塞5，使气缸活塞5同气缸6产生了相对运动，根据流体力学的原理，气缸内外气体的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。由流体力学知识，空气阻尼系数的大小为：

C = \frac{6 πμl (R_{1}^{2} - R_{2}^{2})}{δ^{3} (R_{1} - R_{2})}

其中，C是阻尼力系数；

μ是空气的粘滞系数；

l是内活塞气缸进入外气缸的深度；

R₁是内气缸的内直径；

R₂是内气缸的外直径；

δ是内外气缸之间的间隙宽度。

由上面的阻尼力的公式，可以明显看出，阻尼力的大小同空气的粘度系数、活动气缸的插入深度、活动气缸的外内半径的平方差成正比，同活塞和外壳间隙宽度的三次方成反比。增大活塞的外半径减小内半径、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

1.一种光纤振动传感器，其特征在于，包括：

a)光纤振动传感部分(9)，用于测量外界的振动信号；

b)阻尼部分(8)，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；

c)阻尼部分(8)和光纤振动传感系统(9)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(9)包括：悬臂梁(1)、质量块(2)和光纤光栅(7)。

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(8)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(8)为气缸活塞式。

5.如权利要求4所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述气缸活塞阻尼部分包括气缸活塞(5)和气缸(6)，其中空气为阻尼介质。

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(8)和光纤振动传感部分(9)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，所述空气阻尼部分阻尼力的大小的控制是通过调整活塞气缸和外壳之间的间隙大小、气缸活塞(5)插入气缸(6)的深度实现的。

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，所述气缸活塞(5)和气缸(6)是圆形，方形或多边形。