CN103728009A - 一种检测振动的光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测振动的光纤传感器，属于光纤传感技术领域。该光纤传感器包括传导光纤、光纤光栅、简支梁和带有开口的非金属保护外壳；光纤光栅和简支梁置于非金属保护外壳中，光纤光栅粘贴在简支梁上，且光纤光栅的中心点与简支梁的中心点对齐；非金属保护外壳的一个侧壁上开有开口，简支梁的一端从开口中穿出，另一端固定在非金属保护外壳的另一个侧壁上。本发明所述的光纤传感器不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响；避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要；能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布拉格光栅进行分布式测量，形成一个分布式的传感网络。

Description

一种检测振动的光纤传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种检测振动的光纤传感器。

背景技术

测量振动位移早期采用杠杆或齿轮/齿条放大，如最初的机械纪录是振动表和目前在现场有时仍能见到的千分表式振动表。这类仪器由于存在磨损、读数不便、精度差、振动信号不能传送等缺点，目前已被淘汰。电器式振动表具有集中控制和处理振动信号并且可以将振动信号远距离传送的特点，因此目前得到了一定使用，但它主要由振动传感器和仪表本体两个部分组成。振动传感器把机械振动转换成电信号，输入仪表本体进行处理后，指示振幅、位相、频率或频谱等。因此，在很多场合要求微振动的测量传感探头不能带电，能在电测干扰的环境下工作，有一些要求必须是在线检测。

基于上述原因，目前光纤光栅振动传感器成为了研究热点。例如，在涉及大型发电机的场合，由于强大的电磁场环境，在这种情况下，传统的传感器就显得无能为力。这就需要研究一种抗强电磁场干扰的新型传感器。而光纤光栅振动传感的好处在于，测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响；避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要；能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布拉格光栅进行分布式测量，形成一个分布式的传感网络。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种检测振动的光纤传感器，该传感器易于组网，结构简单，成本低的特点，而且检测精度高。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种检测振动的光纤传感器，包括传导光纤1、光纤光栅3、简支梁2和带有开口的非金属保护外壳4；光纤光栅3和简支梁2置于非金属保护外壳4中，光纤光栅3粘贴在简支梁2上，且光纤光栅3的中心点与简支梁2的中心点7对齐；非金属保护外壳4的一个侧壁上开有开口9，简支梁2的一端从开口9中穿出，另一端固定在非金属保护外壳4的另一个侧壁上。

进一步，所述非金属保护外壳4上的开口9的形状为三角形。

进一步，所述非金属保护外壳4上的开口9的形状为圆形。

进一步，所述简支梁2采用有机聚合物塑料制成，这样就具有了很高的弹性和机械强度。

进一步，采用粘贴固定的方式将简支梁2的固定端固定在非金属保护外壳4的一个侧壁上。

本发明的有益效果在于：本发明所述的光纤传感器不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响；避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要；能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布拉格光栅进行分布式测量，形成一个分布式的传感网络。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明侧面结构示意图；

图3为开口形状为三角形的本发明的结构示意图；

图4为开口形状为圆形的本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明的结构示意图，如图所示，该光纤传感器，包括传导光纤1、光纤光栅3、简支梁2和带有开口的非金属保护外壳4；光纤光栅3和简支梁2置于非金属保护外壳4中，光纤光栅3粘贴在简支梁2上，且光纤光栅3的中心点与简支梁2的中心点对齐；非金属保护外壳4的一个侧壁上开有开口9，简支梁2的一端从开口9中穿出，另一端固定在非金属保护外壳4的另一个侧壁上。

在本实施例中，简支梁采用一根具有很高弹性和机械强度的有机聚合物塑料做成的矩形长条，将自由伸展状态的光纤光栅粘贴在上面，光纤光栅的中心与简支梁的中心对齐。

保护外壳由非金属材料制成，保护外壳的长度大于光纤光栅的长度并且小于简支梁的长度；保护外壳的一面上有一个开口，使得有机塑料长条正好从保护外壳的这个开口中穿过，而且开口壁做成楔形5（三角形）或圆形10来支撑简支梁；简支梁的一端6粘贴固定在保护外壳，另一端8可以在开口中伸缩移动；简支梁的厚度小于保护外壳中的矩形空间，空间足够保证简支梁可以自由移动。

当振动静止时,光纤传感器检测到的光栅反射光谱有一定的宽度，当检测到振动时，简支梁会向上先下做周期性的振动。简支梁向上运动时光谱会变宽，这个宽度跟向上运动的高度有关系，也就是跟振动的大小有关系，跟温度无关。也就是说，光谱的宽度跟振动的大小相关，与温度无关；反之，简支梁向下运动是光谱会变窄，变窄的量跟振动大小有关系。如果温度变化，只是光谱中心产生位移，对光谱的带宽无影响。

具体说明如下：当沿梁的轴线方向压缩简支梁时，简支梁产生弯曲，光栅随之弯曲并被压缩，从而使布拉格波长向短波长方向移动。当简支梁横向弯曲较小时，梁的挠度曲线可以近似看作圆弧，相应的调谐量也可以利用圆弧来计算，这就是圆弧近似法，也叫曲率近似法。

设简支梁原长为L，沿着梁的最初轴线方向（x轴负方向）缩短长度为ΔL，梁弯曲后圆弧的半径为R，Δh为简支梁的横向弯曲量，θ为圆弧对应的圆心角，d为光栅力量中性面的距离。则由图及材料力学知识，我们可以得到如下的公式：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{d}{R}=\frac{\mathrm{d\θ}}{L}$

由上式我们可以得到光纤光栅应变与圆心角的关系，但由于在实验过程中无法做到精确测量θ角，也无法将ΔL或Δh和波长调谐量有效地联系起来，因此是只能当做原理公式定性的指导，而不能定量计算，或者只能通过数值逼近进行估算。

为了能够便于计算，可以对算法进行改进。可以得到

$\mathrm{\ΔL}=L[1-\frac{\sin (\mathrm{\θ}/2)}{\mathrm{\θ}/2}]$

由sinx在x=0处的泰勒展式

因此可得，

$\begin{array}{c}\mathrm{\ΔL}=L[1-\frac{\mathrm{\θ}/2-\frac{{(\mathrm{\θ}/2)}^3}{3!}+\frac{{(\mathrm{\θ}/2)}^5}{5!}}{\mathrm{\θ}/2}]\\ \mathrm{\ΔL}=L[{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}^2/6-{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}^4/120]\end{array}$

那么可以得到

${\mathrm{\θ}}^2=40-8\sqrt{25-30\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}}$

则光纤光栅应变与Δl的关系为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{d\θ}}{L}=2\frac{d}{L}\sqrt{10-2\sqrt{25-30\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}}}$

那么FBG波长调谐量公式为

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B=0.78{\mathrm{\λ}}_B\frac{2d}{L}\sqrt{10-2\sqrt{25-30\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}}}$

由此可以得到波长的带宽增加量与振动大小之间的关系，而温度的变化只是改变光栅的中心波长，对带宽没有影响。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种检测振动的光纤传感器，其特征在于：所述光纤传感器包括传导光纤（1）、光纤光栅（3）、简支梁（2）和带有开口的非金属保护外壳（4）；光纤光栅（3）和简支梁（2）置于非金属保护外壳（4）中，光纤光栅（3）粘贴在简支梁（2）上，且光纤光栅（3）的中心点与简支梁（2）的中心点对齐；非金属保护外壳（4）的一个侧壁上开有开口（9），简支梁（2）的一端从开口（9）中穿出，另一端固定在非金属保护外壳（4）的另一个侧壁上。

2.根据权利要求1所述的一种检测振动的光纤传感器，其特征在于：所述非金属保护外壳（4）上的开口（9）的形状为三角形。

3.根据权利要求1所述的一种检测振动的光纤传感器，其特征在于：所述非金属保护外壳（4）上的开口（9）的形状为圆形。

4.根据权利要求1所述的一种检测振动的光纤传感器，其特征在于：所述简支梁（2）采用有机聚合物塑料制成。

5.根据权利要求1所述的一种检测振动的光纤传感器，其特征在于：采用粘贴固定的方式将简支梁（2）的固定端固定在非金属保护外壳（4）的一个侧壁上。

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