CN105300507B - 光纤振动传感器及其m-z传感臂光路结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤振动传感器及其M‑Z传感臂光路结构，属于光纤传感技术领域。光纤振动传感器包括喇叭型腔壳（2）、上振动膜（3）、下振动膜（1）、柱状多层环圈传感光纤（5）、保护盖（4）、尾部光纤保护套管（6）。M‑Z传感臂光路结构由若干个振动测量单元串联组成，其中每个振动测量单元均由一个光开关（7）、一个光耦合器（8）、一个所述光纤振动传感器组成。这种设计有助于提高光纤振动传感器响应灵敏度，减小探头尺寸，简化光路设计，并降低监测成本。
Description
技术领域
本发明是一种光纤振动传感器及其M-Z传感臂光路结构，涉及光纤传感技术领域。
背景技术
振动检测最初应用于航天航空、桥梁关键部位等领域，现在已经应用到关乎国民经济发展的所有领域。近些年来，尤其在航天航空、电力、工业管道运输等领域，相关机械承载结构由于受到外部循环荷载作用、振动冲击、疲劳损伤以及酸碱腐蚀等因素干扰，经过长年累月的积累，易导致很多灾难事故的发生。
目前国内外在振动监测领域主要采用压电传感器粘贴于被测物体表面，利用压电效应将应力波引起的振动信号转化为电压、电流信号。如基于压电声发射和神经网络的复合材料冲击定位方法。压电式声发射传感器的优点是测量精度高，测量信号频率高，但其主要缺点是易受强磁场环境影响且测量系统需要大量辅助线缆。光纤型传感器相比于传统压电式传感器有着自身的优点：体积较小，其制作材料为绝缘性好的光导纤维，质量轻且便于安装，特别适用于在强电磁场、高电压、大电流恶劣环境下进行结构力学参量监测。此外，中国电子科技集团提出的耐高温光纤振动传感器及其探头，采用发射光纤、接收光纤与准直透镜组合形式，使得耐高温传感探头与发动机叶片之间测量距离有所增加。但是在实际机械结构振动监测领域，常需要采用传感探头直接接触方式，测量机械结构内部特定狭小空间位置的振动响应信息。
目前光纤传感技术在振动测量方面主要存在三个方面亟待解决的问题。首先，常规光纤振动传感器件本身往往直接被粘贴于被测结构表面，造成对瞬态小幅值振动信号的感知能力有限，因此需要设计相应的增敏封装，以提高光纤振动传感探头对振动信号的响应灵敏度。其次，为最大限度满足狭小空间结构振动监测需求并提高振动响应灵敏度，一方面需要尽量减小光纤M-Z探头尺寸，另一方面又需要增加构成M-Z探头的光纤长度，这就使得光纤M-Z探头的设计较为困难。最后，由于常规光纤M-Z传感系统传感臂仅能形成一个光纤振动感知探头，且一套系统只能测量一个位置的振动信号，无法实现时分复用。当探头损坏时系统将无法继续测量，造成其他硬件成本的浪费，因此需要设计一种基于时分复用原理的传感光路结构形式。
发明内容
为解决上述技术的不足，本发明设计了一种光纤振动传感器及由光开关控制的M-Z光纤传感臂光路结构。该光纤振动传感器有助于对振动信号进行放大，并且在减小光纤探头尺寸的同时增加了构成探头的光纤长度，有利于提高探头的振动响应灵敏度。该M-Z光纤传感臂光路结构是基于不同位置振动信号的分时复用测量原理。
一种基于喇叭型增敏结构和柱状多层环圈传感光纤的振动传感器，包括上小下大的喇叭型腔壳、上振动膜、下振动膜、柱状多层环圈传感光纤、保护盖、尾部光纤保护套管；其中喇叭型腔壳上方具有圆形开口，上振动膜布置于该圆形开口处；喇叭型腔下方具有圆形开口，下振动膜布置于该圆形开口处；上振动膜、下振动膜和喇叭型腔壳构成密封的喇叭型放大腔；保护盖安装于喇叭型腔壳上方形成密封的保护腔；上述柱状光纤传感器位于保护腔内，粘贴于上振动膜上表面；上述柱状多层环圈光纤传感器的两端从保护盖引出；尾部光纤保护套管套于柱状多层环圈传感光纤引出部位。
本发明的光纤振动传感器的下振动薄膜和喇叭型腔壳构成密封的喇叭型放大腔。可将其固定于被测物体表面，感知被测物体表面的振动。
本发明的光纤振动传感器的喇叭型腔壳，与上、下振动薄膜共同组成下大上小的封闭空腔。通过封闭的振动空腔将被测物体表面振动信号放大，便于位于上振动薄膜表面的柱状多层环圈传感光纤对微振动信号进行感知和测量。
本发明的光纤振动传感器的上振动薄膜，其上表面粘贴柱状多层环圈传感光纤，用于将被放大的振动信号传递到柱状多层环圈传感光纤上。
本发明的光纤振动传感器的保护盖，用于保护柱状多层环圈传感光纤及屏蔽外界因素对振动测量的干扰。
本发明的光纤振动传感器的柱状多层环圈传感光纤，贴于上振动薄膜，用于对被测振动信号进行感知。这种柱状多层环圈传感光纤探头是将传感光纤直接按照一定直径绕制成柱状多层环圈结构。
本发明的光纤振动传感器的尾部光纤保护套管，是与保护盖连接，用于保护柱状多层环圈传感光纤的尾部光纤。
基于喇叭型放大空腔和柱状多层环圈传感光纤的振动传感器的工作原理：当被测物体表面产生振动信号时，下振动薄膜与物体表面紧密相连，从而引起下振动薄膜振动。下振动薄膜振动，引起喇叭型放大空腔内空气振动。腔内空气的振动，引起上振动薄膜振动。由于喇叭结构下部大、上部小，因此有助于将下振动薄膜的振动信号放大。由于柱状多层环圈传感光纤紧贴于上振动薄膜，所以放大的振动信号经上振动薄膜传递给柱状多层环圈传感光纤，从而实现对结构振动信号的监测。
基于上述光纤振动传感器构成的光开关控制的M-Z传感臂光路结构。由若干个振动测量单元串联组成，其中每个振动测量单元均由一个光开关、一个光耦合器、一个所述光纤振动传感器组成；其中光开关的输入端作为该振动测量单元的输入端，光耦合器的输出端作为该振动测量单元的输出端，光开关的第一输出端串联所述光纤振动传感器后再与光耦合器的第一输入端相连，光开关的第二输出端与光耦合器的第二输入端相连；上述光开关的第二输出端、光耦合器的第二输入端之间的光纤总长度与光开关第一输出端、光耦合器第一输入端之间的光纤总长度相等。
由光开关控制的M-Z传感臂光路结构工作原理：
光传输到光纤M-Z振动监测系统的传感臂时，由此时光开关的状态决定该振动测量单元是否使用。当光开关选择第一输出端口，则光纤振动传感器被接入传感臂光路中，此时该光纤振动传感器可以实时测量该位置的振动信号。当光开关选择第二输出端口，则光通过光开关与耦合器间的光纤传输，则此时光纤振动传感器无法测量振动。N个类似的振动测量单元被粘贴于物体表面的不同的位置，通过相应N个光开关有助于实现不同位置振动信号的分时复用测量。
本发明的优点是：
首先，本文发明的光纤振动传感器，通过喇叭型放大密封空腔实现对振动信号的感知和放大，有助于提高光纤传感器的振动响应灵敏度。其次，光纤探头采用柱状多层环圈结构设计，可以根据实际监测场合情况和响应灵敏度设计需求，来确定柱状圈形探头的直径大小尺寸，再采用叠层绕线的方式将规定长度的光纤制造成符合相关尺寸要求的柱状圈形探头。在传感光纤长度相同的情况下，减小探头尺寸。最后，采用多个振动测量单元串联方式和由光开关控制的传感臂光路结构，有助于实现被测物体多位置振动信息的时分复用监测，利于提高整个系统测量的可靠性，并降低监测成本。
附图说明
图1喇叭型增敏结构光纤振动传感器封装探头；
图2柱状多层环圈传感光纤；
图3光纤M-Z振动传感系统；
1.下振动膜，2.喇叭型腔壳，3.上振动膜，4.保护盖，5.柱状多层环圈传感光纤，6.尾部光纤保护套管，7. 光开关，8. 光耦合器，9.偏振控制器，10. PZT相位调制器，11. 振动测量单元，12. 单模石英光纤。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
参见附图1，一种基于喇叭型放大密封空腔和柱状多层环圈传感光纤的振动传感器，包括上小下大的喇叭型腔壳2、上振动膜3、下振动膜1、柱状多层环圈传感光纤5、保护盖4、尾部光纤保护套管6；整个光纤振动传感器由上下两个相连腔体组成。上述柱状多层环圈传感光纤5是指一根光纤，它沿轴向布置了多层，同时在每一层上其周向上又绕了多圈；下部的腔体由上振动膜3、下振动膜1和喇叭型腔壳2构成密封的喇叭型放大腔。其中喇叭型腔壳2上方具有圆形开口，上述上振动膜3布置于该圆形开口处；喇叭型腔壳下方具有圆形开口，上述下振动膜1布置于该圆形开口处；上部腔体由喇叭型腔壳2、保护盖4、上振动薄膜3组成密封保护腔。其中保护盖4安装于喇叭型腔壳2上方；柱状多层环圈传感光纤5位于保护腔内，粘贴于上振动膜3上表面；上述柱状多层环圈传感光纤的两端从保护盖4引出；尾部光纤保护套管套6位于柱状多层环圈传感光纤引出部位。
参见附图2，一种柱状环圈探头，它是由一根光纤缠绕而成的。整个柱状环圈探头的制作过程如下：
首先，在宽胶带上缠出一层圈型结构的光纤环圈。其次，在该光纤环圈的上表面涂一层胶水，直到胶水大部分固化。接着，在其表面继续缠绕出一个相同尺寸的光纤环圈。接着，重复上述步骤，形成多个光纤环圈依次叠放的结构，进而构成柱状多层环圈光纤探头。这种绕线方式有助于减小光纤振动传感器探头尺寸。
参见附图3，利用上述的光纤振动传感器构成一种基于光开关控制的M-Z传感臂光路结构。主要包括激光光源、光开关7、光耦合器8、传输光纤12、偏振控制器9、PZT相位调制器10、光纤振动传感器、相位调制电路、光电探测器、数字采集卡、计算机组成。M-Z传感臂光路由N个振动测量单元11组成，每个振动测量单元由一个光开关7、一个光耦合器8以及一个上述的光纤振动传感器组成。由若干个振动测量单元串联组成，其中每个振动测量单元均由一个光开关7、一个光耦合器8、一个所述光纤振动传感器组成；其中光开关7的输入端作为该振动测量单元11的输入端，光耦合器8的输出端作为该振动测量单元11的输出端，光开关7的第一输出端串联所述光纤振动传感器后再与光耦合器8的第一输入端相连，光开关7的第二输出端与光耦合器8的第二输入端相连；上述光开关7的第二输出端、光耦合器8的第二输入端之间的光纤总长度与光开关7第一输出端、光耦合器8第一输入端之间的光纤总长度相等。M-Z光纤振动监测系统的参考臂为偏振控制器与PZT相位调制器串联，且PZT相位控制器与相位调制电路构成闭合的反馈回路。
Claims (1)
1.一种光纤振动传感器构成的光开关控制的M-Z传感臂光路结构，其特征在于：
由若干个振动测量单元串联组成，其中每个振动测量单元均由一个光开关（7）、一个光耦合器（8）、一个光纤振动传感器组成；
其中光开关（7）的输入端作为该振动测量单元的输入端，光耦合器（8）的输出端作为该振动测量单元的输出端，光开关（7）的第一输出端串联所述光纤振动传感器后再与光耦合器（8）的第一输入端相连，光开关（7）的第二输出端与光耦合器（8）的第二输入端相连；
上述光开关（7）的第二输出端、光耦合器（8）的第二输入端之间的光纤总长度与光开关（7）第一输出端、光耦合器（8）第一输入端之间的光纤总长度相等；
所述光纤振动传感器，包括上小下大的喇叭型腔壳（2）、上振动膜（3）、下振动膜（1）、柱状多层环圈传感光纤（5）、保护盖（4）、尾部光纤保护套管（6）；其中喇叭型腔壳（2）上方具有圆形开口，上述上振动膜（3）布置于该圆形开口处；喇叭型腔壳（2）下方具有圆形开口，上述下振动膜（1）布置于该圆形开口处；上振动膜（3）、下振动膜（1）和喇叭型腔壳（2）构成密封的喇叭型放大腔；上述保护盖（4）安装于喇叭型腔壳（2）上方形成密封的保护腔；上述柱状多层环圈光纤传感器（5）位于保护腔内，粘贴于上振动膜（3）的上表面；上述柱状多层环圈光纤传感器（5）的两端从保护盖（4）引出；上述尾部光纤保护套管（6）套于柱状多层环圈传感光纤（5）引出部位。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |