CN104729668B - 分布式二维光纤光栅振动传感器及其制备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种分布式二维光纤光栅振动传感器,包括光纤和基座,光纤穿过基座并与基座固定,位于基座内的光纤部分设有光栅,所述的基座通过防松梁连接,所述的光栅为2个,2个光栅之间的光纤处固定有质量块,质量块与防松梁之间设有挡板,挡板固定在防松梁上且与质量块的间隙配合,挡板与所述的光纤相互垂直用于限制其在挡板方向上的振动。此外,本发明还提供了上述传感器的制备装置及制备方法,通过光纤传输光信号,具有更强的抗电磁干扰能力,并能实现分布式振动的动态检测,并且能够实时测量相互垂直的两个方向的振动加速度参量,并可以实现分布式振动检测;通过采用光纤作为弹性体,有效的减小了传感器的体积。
Description
技术领域
本发明涉及机械工业领域的分布式振动测试技术,具体属于分布式二维光纤光栅振动传感器及其制备。
背景技术
在机械工程领域,存在着大量的振动现象。这些振动会使机械设备产生损伤或出现故障,而这些损伤或故障往往会引起工程结构发生重大的事故,造成人员伤亡和财产损失。因此采用有效的检测和预防措施十分重要,它是提高机械设备安全运行可靠性、减少国民经济损失的重要保证。
与传统的电测传感器相比,光纤光栅(FBG)具有体积小、抗电磁干扰、动态分布式测量和远距离信号传输等优点,可应用于环境恶劣的工业环境振动测量。目前,许多基于光纤光栅设计的振动传感器主流为单向振动的测量,设计制备工艺繁琐,大多存在灵敏度较低和可测频带范围不大等缺点,不适用于一些机械工业领域的低幅值振动信号的检测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种高灵敏度,易于封装和安装,可实现分布式检测的分布式二维光纤光栅振动传感器及其制备。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种分布式二维光纤光栅振动传感器,包括光纤和基座,光纤穿过基座并与基座固定,位于基座内的光纤部分设有光栅,其特征在于:所述的基座通过防松梁连接,所述的光栅为2个,2个光栅之间的光纤处固定有质量块,质量块与防松梁之间设有挡板,挡板固定在防松梁上且与质量块的间隙配合,挡板与所述的光纤相互垂直用于限制其在挡板方向上的振动。
按上述方案,位于基座内的光纤部分表面涂有金属镀层。
按上述方案,所述的光纤与基座之间、光纤与质量块之间均通过焊接方式固定。
一种上述分布式二维光纤光栅振动传感器的制备装置,其特征在于:它包括直线导轨平台、预应力施加装置、激光位移传感器、传感器夹具和移动夹具;其中
直线导轨平台通过导轨固定夹具固定在实验台上,移动夹具与所述的直线导轨平台滑动连接;预应力施加装置通过预应力施加装置支撑板固定在所述的直线导轨平台上;
传感器夹具用于固定分布式二维光纤光栅振动传感器的基座,包括第一传感器夹具和第二传感器夹具,其中第一传感器夹具固定在所述的导轨固定夹具上,第二传感器夹具固定在所述的移动夹具上;
激光位移传感器通过激光位移传感器支撑板与直线导轨平台滑动连接,所述的导轨固定夹具上还设有激光位移传感器定位板。
按上述制备装置,所述的预应力施加装置包括底座、平台纵杆、平台横杆、光纤压紧模块、高度调整模块、定位光轴、螺旋测微头和第一导向光轴;
平台纵杆与移动夹具的滑动方向平行,其通过连杆与底座活动连接,且平台纵杆由高度调整模块调节高度;平台横杆固定在平台纵杆上,且与移动夹具的滑动方向垂直;
光纤压紧模块与螺旋测微头相连,第一导向光轴穿过光纤压紧模块的光孔,并与平台横杆相连;定位光轴穿过连杆的光孔,通过光轴固定件固定在底座上。
按上述制备装置,所述的光纤压紧模块包括光纤上压块、光纤下压块、第一圆柱形磁铁对和第二圆柱形磁铁对;光纤上压块和光纤下压块用于上下压紧光纤,第一圆柱形磁铁对和第二圆柱形磁铁对分别设置在光纤上压块和光纤下压块的两侧,并通过定位螺栓将光纤上压块和光纤下压块对齐合紧。
按上述制备装置,所述的高度调整模块包括高度调整滑块、侧板、盖板、高度调整螺柱和第二导向光轴;高度调整滑块通过螺栓与所述的平台纵杆相连,高度调整螺柱穿过高度调整滑块的螺栓孔使其在两块侧板中上下移动,盖板设置在侧板顶部;第二导向光轴穿过高度调整滑块的光孔保证其不随高度调整螺柱转动。
利用上述制备装置实现的制备方法,其特征在于:它包含以下步骤:
S1、通过调节直线导轨平台,结合激光位移传感器,移动移动夹具,直至使待封装的分布式光纤光栅二维振动传感器的基座恰好置于传感器夹具中并固定;
S2、采用焊接方式将带有2个光栅的光纤与质量块连为整体;
S3、将质量块置于挡板中,光纤一端置于光纤压紧模块中固定,手持绷紧另一端光纤,将含金属镀层光纤与固定在第一传感器夹具的基座焊接在一起;
S4、调整预应力施加装置的高度,使光纤处于水平姿态;通过光纤光栅解调仪实时获得2个光栅的波长漂移值,通过预应力施加装置施加光纤预应力,直至达到预定的光纤预应力,再将含金属镀层光纤与固定在移动夹具上的基座焊接在一起。
本发明的有益效果为:
1、本发明通过光纤传输光信号,具有更强的抗电磁干扰能力,并能实现分布式振动的动态检测,并且能够实时测量相互垂直的两个方向的振动加速度参量,并可以实现分布式振动检测;通过采用光纤作为弹性体,有效的减小了传感器的体积;
2、通过使用含表面金属镀层光纤改善了传感器的动态特性以及封装工艺;
3、通过调整螺旋测微头改变光纤的封装预应力,可改善传感器的性能以及抗交叉串扰能力。
附图说明
图1是本发明实施例的制备装置轴视图。
图2是本发明实施例的制备装置俯视图。
图3是本发明的传感器夹具基座装配轴视图。
图4是本发明实施例传感器的剖视图。
图5是本发明的预应力施加装置轴视结构图。
图6是本发明的光纤压紧模块轴视图。
图7是本发明的光纤压紧模块剖视图。
图8是本发明的高度调整模块主视图。
图9是本发明的高度调整模块侧视图。
图中:1-直线导轨平台,2和8-导轨固定夹具,3-预应力施加装置,4-预应力施加装置支撑板,5-激光位移传感器支撑板,6-激光位移传感器,7-激光位移传感器定位板,9和13-传感器夹具基座,10-分布式二维光纤光栅振动传感器,11-第一传感器夹具,12-第二传感器夹具,14-移动夹具,15-第一传感器基座固定螺杆,16-第二传感器基座固定螺杆;3.1-平台纵杆,3.2-第一平台横杆,3.3-光纤压紧模块,3.4-高度调整模块,3.5-第二平台横杆,3.6-连杆,3.7-定位光轴,3.8-光轴固定件,3.9-螺旋测微头,3.10-底座,3.11-第一导向光轴;3.3.1-光纤上压块,3.3.2-第一圆柱形磁铁对,3.3.3-定位螺柱,3.3.4-螺旋测微头连接件,3.3.5-光纤下压块,3.3.6-第二圆柱形磁铁对;3.4.1-高度调整滑块,3.4.2和3.4.5-侧板,3.4.3-盖板,3.4.4-高度调整螺柱,3.4.6-第二导向光轴;10.1-光纤,10.2-位于基座内的光纤部分,10.3-质量块,10.4-焊接层,10.5-基座,10.6-挡板,10.7-防松梁,10.8-第一光纤光栅,10.9-第二光纤光栅。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作进一步说明。
一种分布式二维光纤光栅振动传感器,如图4所示,包括光纤10.1和基座10.5,光纤10.1穿过基座10.5并与基座固定,位于基座内的光纤部分10.2设有2个光栅(本实施例中为第一光纤光栅10.8和第二光纤光栅10.9),基座10.5通过防松梁10.7连接,2个光栅之间的光纤处固定有质量块10.3,质量块10.3与防松梁10.7之间设有挡板10.6,挡板10.6固定在防松梁10.7上且与质量块10.3的间隙配合,挡板10.6与所述的光纤10.1相互垂直用于限制其在挡板方向上的振动。
位于基座内的光纤部分10.2表面涂有金属镀层。表面涂有金属镀层的光纤的物理特性决定了传感器最终性能,将一根无质量块的含表面金属镀层光纤采用与上述一样的方式固定于传感器基座,通过光纤光栅解调仪实时记录光纤光栅的中心波长值,结合激光位移传感器和激光位移传感器定位板,实时记录螺旋测微仪调整的位移,进而获得外部含表面金属镀层光纤的光纤光栅的应变与中心波长的关系,为传感器的性能优化与设计提供数据。
所述的光纤与基座之间、光纤与质量块之间均通过焊接方式固定,即光纤10.1与基座10.5通过焊接层10.4连接固定。
一种上述分布式二维光纤光栅振动传感器的制备装置,如图1至图3所示,包括直线导轨平台1、预应力施加装置3、激光位移传感器6、传感器夹具和移动夹具14;其中
直线导轨平台1通过导轨固定夹具2和8固定在实验台上,移动夹具14与所述的直线导轨平台1滑动连接;预应力施加装置3通过预应力施加装置支撑板4固定在所述的直线导轨平台1上;
传感器夹具用于固定分布式二维光纤光栅振动传感器10的基座10.5,包括第一传感器夹具11和第二传感器夹具12,其中第一传感器夹具11固定在所述的导轨固定夹具8上,第二传感器夹具12固定在所述的移动夹具14上;
激光位移传感器6通过激光位移传感器支撑板5与直线导轨平台1滑动连接,所述的导轨固定夹具8上还设有激光位移传感器定位板7。
所述的预应力施加装置如图5所示,包括底座3.10、平台纵杆3.1、平台横杆(本实施例中为第一平台横杆3.2和第二平台横杆3.5)、光纤压紧模块3.3、高度调整模块3.4、定位光轴3.7、螺旋测微头3.9和第一导向光轴3.11;
平台纵杆3.1与移动夹具14的滑动方向平行,其通过连杆3.6与底座3.10活动连接,且平台纵杆3.1由高度调整模块3.4调节高度;平台横杆固定在平台纵杆3.1上,且与移动夹具14的滑动方向垂直;
光纤压紧模块3.3与螺旋测微头3.9相连,第一导向光轴3.11穿过光纤压紧模块3.3的光孔,并与平台横杆相连;定位光轴3.7穿过连杆3.6的光孔,通过光轴固定件3.8固定在底座3.10上。
所述的光纤压紧模块如图6和图7所示,包括光纤上压块3.3.1、光纤下压块3.3.5、第一圆柱形磁铁对3.3.2和第二圆柱形磁铁对3.3.6;光纤上压块3.3.1和光纤下压块3.3.5用于上下压紧光纤10.1,第一圆柱形磁铁对3.3.2和第二圆柱形磁铁对3.3.6分别设置在光纤上压块3.3.1和光纤下压块3.3.5的两侧,并通过定位螺栓3.3.3将光纤上压块3.3.1和光纤下压块3.3.5对齐合紧。还设有螺旋测微头连接件3.3.4用于与螺旋测微头3.9连接。
所述的高度调整模块如图8和图9所示,包括高度调整滑块3.4.1、侧板3.4.2和3.4.5、盖板3.4.3、高度调整螺柱3.4.4和第二导向光轴3.4.6;高度调整滑块3.4.1通过螺栓与所述的平台纵杆3.1相连,高度调整螺柱3.4.4穿过高度调整滑块3.4.1的螺栓孔使其在两块侧板3.4.2和3.4.5中上下移动,盖板3.4.3设置在侧板3.4.2和3.4.5顶部;第二导向光轴3.4.6穿过高度调整滑块3.4的光孔保证其不随高度调整螺柱3.4.4转动。
利用上述分布式二维光纤光栅振动传感器的制备装置实现的制备方法,包含以下步骤:
S1、通过调节直线导轨平台,结合激光位移传感器,移动移动夹具,直至使待封装的分布式光纤光栅二维振动传感器的基座恰好置于传感器夹具中,本实施例中通过第一传感器基座固定螺杆15和第二传感器基座固定螺杆16固定;
S2、采用焊接方式将带有2个光栅的光纤与质量块连为整体;
S3、将质量块置于挡板中,光纤一端置于光纤压紧模块中固定,手持绷紧另一端光纤,将含金属镀层光纤与固定在第一传感器夹具的基座焊接在一起;
S4、调整预应力施加装置的高度,使光纤处于水平姿态;通过光纤光栅解调仪实时获得2个光栅的波长漂移值,通过预应力施加装置施加光纤预应力,直至达到预定的光纤预应力,再将含金属镀层光纤与固定在移动夹具上的基座焊接在一起。
本发明的工作原理主要包含三部分:传感器制备原理、含表面金属镀层光纤性能性能研究原理以及传感器工作原理。传感器制备原理:首先通过调节直线导轨平台,结合激光位移传感器,移动移动夹具,直至使待封装的分布式光纤光栅二维振动传感器基座恰好置于传感器夹具中,通过传感器基座固定螺杆将传感器基座固定,采用焊接将光纤光栅与质量块连为整体,然后将质量块置于挡板中,光纤一端置于光纤压紧模块中,四对圆柱形磁铁将光纤上压块与光纤下压块合起,固定光纤;此时手持绷紧另一端光纤,先将含金属镀层光纤与右传感器基座焊接在一起,调节高度调整模块中的高度调整螺柱,通过高度调整滑块上下带动预应力施加装置上下移动,使光纤处于水平姿态;调整螺旋测微头带动光纤压紧模块移动,通过光纤光栅解调仪实时获得光纤光栅的波长漂移值,进而施加预定的光纤预应力,再将含金属镀层光纤与左传感器基座焊接在一起。
含表面金属镀层光纤性能研究原理:含表面金属镀层光纤的物理特性决定了传感器最终性能,将一根无质量块的含表面金属镀层光纤采用与上述一样的方式固定于传感器基座,通过光纤光栅解调仪实时记录光纤光栅的中心波长值,结合激光位移传感器和激光位移传感器定位板,实时记录螺旋测微仪调整的位移,进而获得外部含表面金属镀层光纤的光纤光栅的应变与中心波长的关系,为传感器的性能优化与设计提供数据。
传感器工作原理:将该分布式光纤光栅二维振动传感器安装在被测体上,当被测体发生振动时,由于挡板限制微型质量块Z方向的自由度,为此传感器可以感知x/y方向的振动。在y向振动作用下,质量块左右两侧的光纤都处于同拉/同压状态,为此第一和第二光纤光栅的中心波长发生同状态漂移;在x向振动作用下,质量块左右两侧的光纤处于拉压相对的状态,为此第一和第二光纤光栅的中心波长发生相对状态漂移;为此将第一和第二光纤光栅的中心波长相加或差分处理,即可实现x/y方向振动的解耦,获得对应分别获得y/x方向的振动加速度。
对被测体振动加速度检测时,通过光纤光栅中心波长漂移与加速度的对应关系最终获得被测体的振动量。本发明振动测量方法的原理为:
对于y方向振动时,根据几何学,可知y方向光纤应变εy和y方向的固有频率wy分别为:
其中为等效刚度,E1,E2分别为光纤的弹性模量和表面金属镀层的弹性模量,A1,A2分别为光纤的横截面面积和表面金属镀层的横截面面积,ε0为预应力下的初始应变,Δε0为质量块施加后光纤的应变,m为质量块质量,l为两个焊接点距离的1/2,ay为传感器y方向(垂直于光纤光栅方向)加速度。
对于x方向振动时,根据材料力学与振动学,可知x方向受拉段的光纤应变εx与x方向加速度ax的分别为:
wx为x方向(光纤光栅的轴向)的固有频率。
结合光纤Bragg光栅的工作原理,当传感器在受到x,y方向振动作用时,第一和第二光纤光栅同时x/y方向的应变耦合,为此可知第一和第二光纤光栅中心波长漂移量与应变的关系如下:
Δλ1为第一光纤光栅波长漂移量,λ1为第一光纤光栅的中心波长,Δλ2为第一光纤光栅波长漂移量,λ2为第一光纤光栅的中心波长,ρe为光纤有效光弹效应。
式(5)+(6)可得光纤光栅波长漂移与y方向加速度的关系:
为此根据式(7)可根据第一和第二光纤光栅的中心波长漂移实现对被测体y方向振动加速度实时检测。
式(6)-(5)可得光纤光栅波长漂移与x方向加速度的关系:
为此根据式(8)可根据第一和第二光纤光栅的中心波长漂移实现对被测体x方向振动加速度实时检测。
Claims (8)
1.一种分布式二维光纤光栅振动传感器,包括光纤和基座,光纤穿过基座并与基座固定,位于基座内的光纤部分设有光栅,其特征在于:所述的基座通过防松梁连接,所述的光栅为2个,2个光栅之间的光纤处固定有质量块,质量块与防松梁之间设有挡板,挡板固定在防松梁上且与质量块的间隙配合,挡板与所述的光纤相互垂直用于限制其在挡板方向上的振动。
2.根据权利要求1所述的分布式二维光纤光栅振动传感器,其特征在于:位于基座内的光纤部分表面涂有金属镀层。
3.根据权利要求1或2所述的分布式二维光纤光栅振动传感器,其特征在于:所述的光纤与基座之间、光纤与质量块之间均通过焊接方式固定。
4.一种权利要求1所述的分布式二维光纤光栅振动传感器的制备装置,其特征在于:它包括直线导轨平台、预应力施加装置、激光位移传感器、传感器夹具和移动夹具;其中
直线导轨平台通过导轨固定夹具固定在实验台上,移动夹具与所述的直线导轨平台滑动连接;预应力施加装置通过预应力施加装置支撑板固定在所述的直线导轨平台上;
传感器夹具用于固定分布式二维光纤光栅振动传感器的基座,包括第一传感器夹具和第二传感器夹具,其中第一传感器夹具固定在所述的导轨固定夹具上,第二传感器夹具固定在所述的移动夹具上;
激光位移传感器通过激光位移传感器支撑板与直线导轨平台滑动连接,所述的导轨固定夹具上还设有激光位移传感器定位板。
5.根据权利要求4所述的分布式二维光纤光栅振动传感器的制备装置,其特征在于:所述的预应力施加装置包括底座、平台纵杆、平台横杆、光纤压紧模块、高度调整模块、定位光轴、螺旋测微头和第一导向光轴;
平台纵杆与移动夹具的滑动方向平行,其通过连杆与底座活动连接,且平台纵杆由高度调整模块调节高度;平台横杆固定在平台纵杆上,且与移动夹具的滑动方向垂直;
光纤压紧模块与螺旋测微头相连,第一导向光轴穿过光纤压紧模块的光孔,并与平台横杆相连;定位光轴穿过连杆的光孔,通过光轴固定件固定在底座上。
6.根据权利要求5所述的分布式二维光纤光栅振动传感器的制备装置,其特征在于:所述的光纤压紧模块包括光纤上压块、光纤下压块、第一圆柱形磁铁对和第二圆柱形磁铁对;光纤上压块和光纤下压块用于上下压紧光纤,第一圆柱形磁铁对和第二圆柱形磁铁对分别设置在光纤上压块和光纤下压块的两侧,并通过定位螺栓将光纤上压块和光纤下压块对齐合紧。
7.根据权利要求5所述的分布式二维光纤光栅振动传感器的制备装置,其特征在于:所述的高度调整模块包括高度调整滑块、侧板、盖板、高度调整螺柱和第二导向光轴;高度调整滑块通过螺栓与所述的平台纵杆相连,高度调整螺柱穿过高度调整滑块的螺栓孔使高度调整滑块在两块侧板中上下移动,盖板设置在侧板顶部;第二导向光轴穿过高度调整滑块的光孔保证高度调整滑块不随高度调整螺柱转动。
8.利用权利要求4所述的分布式二维光纤光栅振动传感器的制备装置实现的制备方法,其特征在于:它包含以下步骤:
S1、通过调节直线导轨平台,结合激光位移传感器,移动移动夹具,直至使待封装的分布式光纤光栅二维振动传感器的基座恰好置于传感器夹具中并固定;
S2、采用焊接方式将带有2个光栅的光纤与质量块连为整体;
S3、将质量块置于挡板中,光纤一端置于光纤压紧模块中固定,手持绷紧另一端光纤,将含金属镀层光纤与固定在第一传感器夹具的基座焊接在一起;
S4、调整预应力施加装置的高度,使光纤处于水平姿态;通过光纤光栅解调仪实时获得2个光栅的波长漂移值,通过预应力施加装置施加光纤预应力,直至达到预定的光纤预应力,再将含金属镀层光纤与固定在移动夹具上的基座焊接在一起。
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20171208 Termination date: 20210410 |
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