CN103364070A

CN103364070A - 一种基于体相位光栅解调的光纤光栅振动传感系统

Info

Publication number: CN103364070A
Application number: CN2013103066542A
Authority: CN
Inventors: 魏鹏; 刘文涛
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Shandong Shuangshi Security Information Technology Industry Research Institute Co Ltd
Priority date: 2013-07-20
Filing date: 2013-07-20
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2033-07-20
Also published as: CN103364070B

Abstract

本发明公开了一种基于体相位光栅解调的光纤光栅振动传感系统，包括ASE宽带光源，环行器，光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器，FBGA（波长解调模块），其中FBG振动传感器粘贴于待测物件表面，FBGA利用全息体相位光栅解调方法，解调波长漂移的信息，从而求得光纤布拉格光栅振动传感器所处的应变变化，通过后续数据处理求出待测物件的共振频率或者谐振频率。本发明的意义在于若物件受迫振动的频率等于其固有振动频率时，将达到共振或者谐振状态，使物件承受很大的应变，长期工作在此状态下，会对物件造成巨大的损害，所以工作时应尽量使物件避开这些频率的振动。

Description

一种基于体相位光栅解调的光纤光栅振动传感系统

技术领域

本发明具体涉及一种基于体相位光栅解调的光纤光栅振动传感系统，属于光纤传感技术领域。

背景技术

我们的日常生活与工作中所遇到的各种现象几乎都伴随着振动，而这些振动若发生异常，则会对我们的生活造成意想不到的危害。例如：大型机械设备使用不当或使用时间过长产生的不良振动以致发生严重的机械故障；许多飞机、卫星、导弹等产生的事故也是由于其异常振动引起的；桥梁和房屋的振动则和我们的生命安全息息相关。因此选择合适的振动传感器对于损伤性质的振动信号的精确测量，对于监测大型结构的安全性和可靠性，减少安全事故的发生，提高生产效率等都具有积极而重要的意义。

目前振动测量的方法主要包括机械式、电气式和光学式三类。其中，机械式测量方法以杠杆原理为基础，将测得的振动信号放大后直接记录下来，这种方法抗干扰能力较强，但是测量的频率范围较窄，精度较低，多用于测量低频、大振幅振动；电气式测量方法目前应用比较广泛，它是用电气测试仪来测量振动信号，这种测量方法灵敏度较高，但是难以抵抗电磁场的干扰，很难确保生产的安全性；光学式测量方法是采用光学传感器，将振动信号的变化转换为光信号的变化来测量。这种测量方法弥补了机械式测量方法和电气式测量方法的缺陷，具有测量精度高、频带宽，响应速度快、抗干扰能力强、远距离测量等诸多优点。

二十世纪二十年代，大型机械设备的迅速发展使得机械式测振仪已经无法满足要求了，于是研究者们开始研究将非电量信号转换为电信号来测量的方法，这样就研究出磁电式传感器。二次大战结束后，研究者们又研究出体积小、测量频率宽、动态量程大的压电式传感器，直到现在仍广泛应用在许多工程项目中。近些年来，微电子技术大力发展，为使振动测量可在各种恶劣的环境下进行，又出现了集成电路式压电传感器、变电容传感器以及电涡流传感器，提高了测量精度和抗干扰能力。随着光纤传感技术的发展，为了利用其抗干扰能力强、传输距离远、灵敏度高的特点，研究者们又投入到光学式振动测量方法的研究中。尤其是在光纤光栅传感器出现以后，振动传感测试领域已经发生了巨大的变革．由于传统的电类传感器普遍存在传感元件寿命短、测试易受环境影响、不能进行分布测量等缺点，因此这一类振动测试技术已经不能满足高速度高精度、长期测试的需要；而光纤光栅传感器由于其具有体积小、对温度和应力敏感、抗干扰能力强、集传感与传输于一体和能够实现分布式测量等优点，已经成为目前振动测试领域里的研究热点。在光纤光栅传感系统中，由光纤光栅探测而得到的信号实际上是一个以其峰值反射波长为中心波长的光谱信号，这个信号被所探测的物理量(如振动)调制，如何实现解调即检测处理光栅中心波长的漂移量是这类传感器的关键技术。

由于传统的振动传感器具有以下缺点：(1)传统传感器的有效输出是由部分被测能量组成的，这使得传感器的输出能量较小、内阻较高且灵敏度很低；(2)有的传感器在使用之前需要先将其调零，这使得传感器的长期稳定性降低；(3)传统传感器的抗干扰能力都不太可观，对常见的随机干扰波都无法起到屏蔽或抑制的作用，并且测量频率范围较窄；(4)传统传感器不能实现测量的智能化。因此，采用新型振动传感器来改善现有振动监测系统中的缺陷是振动测量技术的关键问题。振动测量技术的迅速发展以及工程应用中对高精度测量技术的需求，使得研制高性能的振动传感器来进行振动信号的测量成为必然。光纤传感技术的出现使传感器领域有了突飞猛进的发展，目前国内外研究者们已经成功研制出了很多光纤振动传感器，克服了传统振动传感器的诸多缺陷，具有测量精度高、范围广、抗电磁干扰能力强、适合各种恶劣环境等优点，受到了业内人士的广泛重视。

光纤光栅在测量振动方面的专利很少，现有中国专利CN200910023528.X“光纤光栅法布里-珀罗腔振动传感器及其振动测量系统”，由于其采用F-P波长解调技术，而F-P腔部件需要高速移动，因此寿命有限，另外虽然精度较体相位解调稍微高一点，但是其传感器探测的频率最高只有几百赫兹，远远低于我们的5000Hz；中国专利CN201110145638.0“基于偏振态差分探测可多点定位的分布式光纤振动传感器”在现有光时域反射计基础上，利用偏振分束器对传感光纤中后向散射光的偏振态进行检测，实现沿光纤轴向分布多点微弱振动源的同时定位，由此可以看出，其是更侧重于检测振动源的位置，而且分辨率及灵敏度较低，而我们更侧重于检测某一振动源的固有频率（或者说谐振频率），分辨率灵敏度较高。

发明内容

本发明的目的是针对上面所述传统的振动传感器的缺点，提出了一种基于体相位光栅解调的光纤光栅振动传感系统。

本发明采用的技术方案为：一种基于体相位光栅解调的光纤光栅振动传感系统，包括光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器，光纤环形器，ASE宽带光源，FBG波长解调模块（FBGA），其中光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器粘贴于待测物件表面，ASE宽带光源的3dB带宽为40nm；ASE宽带光源与光纤环形器的A端口相连接；光纤环形器B端口经与光纤布拉格光栅振动传感器相连，光纤环形器的C端口与FBGA相连接；ASE宽带光源输出的光通过光纤环形器，从光纤环形器的A端口进B端口出，到达光纤布拉格光栅振动传感器，符合光纤布拉格光栅振动传感器光栅中心波长的光被光纤布拉格光栅振动传感器反射后，又从B端口返回光纤环形器，从光纤环形器C端口输出，进入FBGA进行快速的波长和功率测量；

其中光纤布拉格光栅振动传感器粘贴在待测物件表面，通过光纤布拉格光栅振动传感器测量物件所处的应变；

所述ASE宽带光源，中心波长为1550nm，3dB带宽为40nm；

FBG振动传感器是一个振动传感器，传感光纤光栅的波长变化区间能够覆盖待测物件因动态应变而导致的FBG振动传感器的中心波长变化范围，在全息体相位光栅结构中，由于没有任何活动部件，确保了稳定性和长期工作的可靠性；半导体InGaAs PIN光电二极管能够同时测量，无需扫描，从而确保了采样的高速性和信号的同时性；由于是内部校准，不需要外部的波长参考光路。

所述光纤环形器回波损耗大于等于50dB。

所述的FBGA为波长解调模块，包括光谱分析单元、探测单元和电子处理单元。

所述的光谱分析单元，它是对包含多个波长的复用信号进行波长成分的分离，采用透射型体相位光栅作为FBGA的光谱元件，实现连续的光谱测量。

所述的探测单元，它作为光电探测器实现光信号到电信号的转换，采用高效的512象元半导体InGaAs PIN型光电二极管探测阵列，能够同时测量，无需扫描，从而确保高速采样和信号的同时性。

所述的电子处理单元，它将前面获得的电信号进行处理输出，进而得到功率和波长的对应值，在其后所连接的计算机中进行存储显示。

本发明与传统的振动传感器相比优点在于：

1、本发明光纤光栅振动传感系统直接测量待测物件由于其动态应变而使光纤光栅产生的中心波长漂移，从结构上提高了精度以及灵敏度。

2、本发明由于用光纤光栅传感器不需要复杂的屏蔽电缆，具有很高的抗电磁干扰性能，且易于安装，适用于复杂的工程环境。

3、本发明实现对待测物件关键位置点实时的动态应变测量。

附图说明

图1是一种基于体相位光栅解调的光纤光栅振动传感系统的原理框图；

图2是一种基于体相位光栅解调的光纤光栅振动传感系统中FBG波长解调模块（FBGA）的原理框图；

图中标号：1为光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器，2为光纤环形器，3为ASE宽带光源，4为FBG波长解调模块（FBGA），5为反射波长，6为VPG（全息体相位光栅），7为InGaAsPIN型光电二极管，8为电处理单元，9为计算机；

图3是我们实验室做的一种基于体相位光栅解调的光纤光栅振动传感系统的实验图，其中10为解调设备+计算机，11为光纤光栅振动传感器，12为碳纤维片，其中光纤光栅振动传感器粘贴在碳纤维片上；

图4是利用图3所示设备，轻弹碳纤维片一次测得的反射波长的记录图，纵坐标中心波长的变化反映了轻弹碳纤维片后碳纤维片的振动变形情况，横坐标代表计数，无量纲（当采样率设为5KHz时，代表1秒钟采集5000个点，对应横轴上就是5000个计数点代表1秒）；纵坐标代表波长，单位nm。

具体实施方式：

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

本光纤光栅振动传感系统实施如图1、2所示，包括光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器1，光纤环形器2，ASE宽带光源3，FBG波长解调模块（FBGA）4，其中FBGA包括VPG（全息体相位光栅）6，InGaAs PIN型光电二极管7，电子处理单元8和计算机9。ASE宽带光源3发出的激光从光纤环形器A端口进，B端口出，进入到环形器B端口后串接的n个光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器1中，所串接的n个光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器1的工作波长区域均不相同，且分布在不同的测试位置，符合FBG振动传感器光栅中心波长的光信号被FBG振动传感器发射后，又从B端口返回光纤环形器2，返回的光信号经环形器C端口进入到FBG波长解调模块（FBGA）4，在FBG振动传感器中，返回的光信号经过VPG（全息体相位光栅）6后，多波长的光产生衍射色散，经由后面的InGaAs PIN型光电二极管7，将衍射光信号转变为电信号，通过后面的电子处理单元中控制电路读出信号，经由DSP处理获得要探测的波长功率信息，最后通过USB串口通信将原始数据和处理加工过的数据存储在计算机中。

ASE宽带光源3是以掺杂光纤中增益介质超荧光谱为基础的光源，它的激励源完全来自于受激原子的自发辐射，虽然光纤放大器中没有谐振腔镜，这些自发辐射不能形成激光束，但是，如果发生在光纤中的自发辐射能沿光纤传导，自发辐射就能被放大，就产生一种背景噪声，成为放大自发辐射，从而形成ASE光源。它有着易于和光栅传感系统耦合、温度稳定性好、3dB带宽比较宽、模式好等一系列优点。本发明所用的ASE宽带光源在光谱范围内平坦性好，3dB带宽为40nm。

FBG波长解调模块（FBGA）采用透射式衍射光栅（VPG）、探测器阵列等技术，能够对光谱进行实时快速、准确地测量，体积小、功耗低、操作简单、便于系统集成，性能卓越、可靠性高，是光纤光栅波长解调的理想选择。它测试速度快，振动所用FBGA采样速率能够达到5KHz，显示分辨率高，最小可探测波长漂移量为±1pm，波长范围宽，可选择带宽40nm或者75nm，选择灵活，由于其没有活动部件，可适用于飞机、轮船等不稳定平台上，长期工作可靠性高，另外该模块仅需要USB2.0数据线即可实现FBG波长解调模块（FBGA）的供电、控制和数据读取。

VPG（全息体相位光栅）VPG是具有高分辨能力的光谱元件，它是利用光折变材料的光折变特性，用光学全息的方法在存储材料中写入的一种光栅，多波长信号光中的各波长成份分别受到与之对应的光栅的Bragg衍射而分开，于是达到分波的目的。VPG具有坚固耐用，对振动、冲击不敏感等特点，特别适用于相对复杂苛刻环境条件下。

InGaAs PIN型光电二极管7为光电探测器，将光信号转化为电信号，是整个系统性能高低的关键之一。本实施例所述的传感系统，光信号从ASE宽带光源3经过一系列光纤通路、器件、接口后，光功率损耗比较大，入射到InGaAs PIN型光电二极管7的光功率通常很低；本实施例又要求高频高精度的光电转化。本实施例中用半导体InGaAs PIN光电二极管进行光电转化，它具有偏置电压低、频率响应高、光谱响应宽、光电转换效率高，稳定性好、噪声小等优点。

光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器1光纤光栅反射中心波长与温度和应变的关系为：Δλ/λ₀＝(α₀+ξ₀)ΔT+(1-P_e)Δε，其中：Δλ是中心波长漂移量，λ₀是中心波长，α₀是FBG的热膨胀系数，ξ₀是FBG的热光系数，ΔT是温度改变量，P_e是光纤的有效光弹系数，Δε是应变变化量。对于这种FBG振动传感器而言，由于其所处环境温度变化不大，因此光纤光栅振动传感器的中心波长改变量只与其应变有关，公式可简化为：Δλ/λ₀＝(1-P₀)Δε，对于典型的石英光纤，公式又可简化为Δλ/λ₀＝0.78Δε，即Δλ＝kΔε，对于中心波长为1550nm的典型FBG，k=1.2pm/με。待测物件产生动态应变的时候，粘贴在其上面的FBG振动传感器中心波长发生改变，从上面的公式可以看出，光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器1光纤光栅应变与中心波长的变化量可以看作简单的线性关系。

本发明采用透射式全息体相位光栅进行解调，光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器1是应变传感器，它粘贴于待测物件的关键位置，传感光纤光栅的波长变化区间能够覆盖待测物件发生应变而导致的光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器1的中心波长变化范围。在全息体相位光栅结构中，由于没有任何活动部件，确保了稳定性和长期工作的可靠性；半导体InGaAsPIN光电二极管能够同时测量，无需扫描，从而确保了采样的高速性和信号的同时性；由于是内部校准，不需要外部的波长参考光路。

利用图3所示的实验装置图，通过轻弹碳纤维片模拟物体的振动情况，之所以选择碳纤维片是因为其能够很快的恢复到振动原始状态，这样能够较好地演示物体在做受迫振动时的一个完整振动情况，从得到的振动数据绘制振动过程变形图如图4所示，可以看到碳纤维片在做受迫振动时的一个阻尼振荡过程，效果非常好，从而说明本系统装置的可靠性和实用性。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种基于体相位光栅解调的光纤光栅振动传感系统，其特征在于：包括光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器（1），光纤环形器（2），ASE宽带光源（3），FBG波长解调模块（FBGA）（4），其中光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器（1）粘贴于待测物件表面，ASE宽带光源（3）的3dB带宽为40nm；ASE宽带光源（3）与光纤环形器（2）的A端口相连接；光纤环形器（2）B端口经与光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器（1）相连，光纤环形器（2）的C端口与FBG波长解调模块（FBGA）（4）相连接；ASE宽带光源（3）输出的光通过光纤环形器，从光纤环形器的A端口进B端口出，到达光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器（1），符合光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器（1）光栅中心波长的光被光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器（1）反射后，又从B端口返回光纤环形器（2），从光纤环形器（2）C端口输出，进入FBG波长解调模块（FBGA）（4）进行快速的波长和功率测量；

其中光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器（1）粘贴在待测物件表面，通过光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器（1）测量物件所处的应变；

所述ASE宽带光源（3），中心波长为1550nm，3dB带宽为40nm；

光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器（1）是一个振动传感器，传感光纤光栅的波长变化区间能够覆盖待测物件因动态应变而导致的光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器（1）的中心波长变化范围，在全息体相位光栅结构中，由于没有任何活动部件，确保了稳定性和长期工作的可靠性；半导体InGaAs PIN光电二极管能够同时测量，无需扫描，从而确保了采样的高速性和信号的同时性；由于是内部校准，不需要外部的波长参考光路。

2.根据权利要求1所述的一种基于体相位光栅解调的光纤光栅振动传感系统，其特征在于：所述光纤环形器（2）回波损耗大于等于50dB。

3.根据权利要求1所述的一种基于体相位光栅解调的光纤光栅振动传感系统，其特征在于：所述的FBG波长解调模块（FBGA）（4）为波长解调模块，包括光谱分析单元、探测单元和电子处理单元。

4.根据权利要求3所述的一种基于体相位光栅解调的光纤光栅振动传感系统，其特征在于：光谱分析单元，它是对包含多个波长的复用信号进行波长成分的分离，采用透射型体相位光栅作为FBGA的光谱元件，实现连续的光谱测量。

5.根据权利要求3所述的一种基于体相位光栅解调的光纤光栅振动传感系统，其特征在于：探测单元，它作为光电探测器实现光信号到电信号的转换，采用高效的512象元半导体InGaAs PIN型光电二极管探测阵列，能够同时测量，无需扫描，从而确保高速采样和信号的同时性。

6.根据权利要求3所述的一种基于体相位光栅解调的光纤光栅振动传感系统，其特征在于：电子处理单元，它将前面获得的电信号进行处理输出，进而得到功率和波长的对应值，在其后所连接的计算机中进行存储显示。