CN105371939A

CN105371939A - 光纤光栅振动传感器及其振动测量元件

Info

Publication number: CN105371939A
Application number: CN201410419902.9A
Authority: CN
Inventors: 毛献辉; 姜婷; 翟江兰; 丛宇殊
Original assignee: Nuctech Co Ltd
Current assignee: Nuctech Co Ltd
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2014-08-25
Publication date: 2016-03-02
Also published as: JP2017507334A; JP6271031B2; EP3187841A4; WO2016029814A1; EP3187841B1; EP3187841A1

Abstract

本发明涉及光纤光栅振动传感器及其振动测量元件，提供了一种光纤光栅振动传感器(100),包括：基座（120）；和振动测量元件（141、142、143）；以及光纤光栅(171、172、173);其中，振动测量元件在轴向上安装在基座的安装面（131、132、133）上；振动测量元件包括第一凸台和第二凸台（211、212）；振动测量元件的第一凸台侧的一端固定安装在安装面上，振动测量元件的第二凸台侧的一端悬空；并且光纤光栅在轴向上封装在振动测量元件上，用于感测在该轴向上的振动。本发明的技术效果至少在于：能够分别调解轴向的振动灵敏度，以适应不同场合的测量需要。

Description

光纤光栅振动传感器及其振动测量元件

技术领域

本发明涉及一种振动传感器，特别地涉及一种光纤光栅振动传感器及其振动测量元件。

背景技术

振动测量是指测定能表征物体振动特性的有关参数的过程。振动测量在故障监测、结构健康监测方面有着重要的意义。振动测量需要选择灵敏度和频率响应能满足测量要求的振动传感器。目前振动传感器的种类很多，包括压电式，磁电式以及光纤振动传感器等。

光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而另辟新径的一种崭新的传感技术。自从1978年发明在光纤中形成光致布喇格光栅以来，光纤光栅（FBG:FiberBraggGrating）在光纤通信和传感中已得到广泛应用。光纤光栅首次被用于应变和温度传感实验以来，光纤光栅传感器技术得到了持续的和快速的发展，成为光纤传感领域中发展最快、被关注度最高的技术。这是因为光纤光栅构成的传感器与其他光纤传感器相比具有很多突出的优点。其主要的优点包括：传感元件体积小、轻巧隐蔽，可以把它置于很小的空间，甚至嵌入到复合材料中；结合波分复用（WDM:WavelengthDivisionMultiplexing）和时分复用（TDM:TimeDivisionMultiplexing）以及空分复用(SDM，SpaceDivisionMultiplexing)技术，每个光纤通道中可以设置多个光纤光栅构成准分布式的传感点，便于空间组网，分辨精度高；光纤光栅作为传感元件，输出的是绝对波长量(它具有内在的波长度量刻度)，可以作为绝对量的测量；利用复合子结构光纤光栅的特殊光谱特性，可以制备多参数智能传感元件等。因此，光纤光栅传感器特别适合于对大型市政工程、管道设施、航天器、飞机、轮船、工业和生产设备等进行健康安全监测和自动控制。

光纤光栅传感具有抗电磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀、可进行分布式测量、便于组网等诸多优点，特别适合应用在一些特殊的场合，光纤光栅传感技术的应用已经发展到了电力、石油、石化、交通和建筑等各个工业领域。在公共安全、国防、工农业安全生产、环保等重大安全监测领域也有着重要应用。

发明内容

本发明的目的是：提供一种灵敏度高，频率范围宽的，能选择性地同时测量三轴方向或其任一轴方向的振动的光纤光栅振动传感器。

在本发明的第一个方面，提供了一种光纤光栅振动传感器,包括：基座；和振动测量元件；以及光纤光栅;其中，振动测量元件在轴向上安装在基座的安装面上；振动测量元件包括第一凸台和第二凸台；振动测量元件的第一凸台侧的一端固定安装在安装面上，振动测量元件的第二凸台侧的一端悬空；并且光纤光栅在轴向上封装在振动测量元件上，用于感测在该轴向上的振动。

在一个优选实施例中，所述基座被加工有三个相互垂直的安装面，每个安装面在轴向上均安装有一个振动测量元件；三个安装面上的三个振动测量元件被安装成在空间上相互垂直；并且三个振动测量元件所封装的三个光纤光栅串接在一起。

在上述优选实施例中，三个振动测量元件其中至少之一的凸台的高度被不同地设置，以便为光纤光栅振动传感器在相应的轴向上提供相对应的灵敏度。

在上述优选实施例中，所述光纤光栅通过引出光纤连接到光纤光栅解调仪，用于传递所述光纤光栅感测到的振动，以便光纤光栅解调仪计算各轴向的振动量。

在所述光纤光栅振动传感器的应用中，所述光纤光栅振动传感器被安装在铁轨下，用于测量铁轨在三个轴向的振动。

在本发明的第二个方面，还提供了一种用于光纤光栅振动传感器的振动测量元件,其中所述振动测量元件在轴向上安装在光纤光栅振动传感器的基座的安装面上；所述振动测量元件包括：悬臂梁弯曲中心层；第一凸台和第二凸台，位于悬臂梁弯曲中心层上；和光纤光栅；其中所述光纤光栅在轴向上封装在第一凸台和第二凸台上，用于感测在该轴向上的振动；振动测量元件的第一凸台侧的一端用于固定安装在安装面上，振动测量元件的第二凸台侧的一端悬空。

在本发明的第一个方面和第二个方面的一个优选实施例中，其中第一凸台和第二凸台高度相同，且根据不同的灵敏度需求选取不同的高度值，其中所述高度确定光纤光栅振动传感器在轴向上的灵敏度的放大系数。

在本发明的第一个方面和第二个方面的又一个优选实施例中，第一凸台和第二凸台的高度δ是振动测量元件的悬臂梁的厚度h的N倍：，其中N为大于零的数值。

在本发明的第一个方面和第二个方面的再又一个优选实施例中，所述N的取值范围在1-3之间。

在本发明的第一个方面和第二个方面的另一个优选实施例中，所述振动测量元件的悬臂梁的弯曲所引起的光纤光栅上的应变表示为：

（6）

其中:

h为悬臂梁的厚度；

δ为凸台的高度；

ρ为悬臂梁的曲率半径；

M为惯性力的力矩；

E为悬臂梁材料的杨氏模量；

J为悬臂梁的惯性矩；

L为悬臂梁长度；

F为悬臂梁受到的惯性力；

b为悬臂梁的宽度；

m为悬臂梁的末端等效质量；

a为外界振动的加速度；

N为凸台的高度δ除以悬臂梁的厚度h的比值。

在本发明三个振动方向中，任意一个方向单独使用，可以实现单方向振动的测量。

本发明的技术效果是：在一个基座上同时安装互相垂直的振动测量元件，能选择性地同时测量三个方向上的振动，能全面的测量到空间振动情况。另外，三个轴上的振动灵敏度可以选择性地设置成不同，能适应不同场合的测量需要。

附图说明

图1是本发明的一种光纤光栅振动传感器的结构图。

图2是本发明的光纤光栅振动传感器中的振动测量元件的结构图。

图3是本发明在铁轨振动测量应用中的一个示意图。

图中：振动传感器标记为100；振动传感器外壳标记为110；基座标记为120；安装面标记为131、132、133；振动测量元件标记为141、142、143；导线柱标记为151、152；安装孔标记为161、162、163；光纤光栅标记为171、172、173；引出孔标记为180；引出光纤标记为190；悬臂梁标记为200；凸台标记为211、212；悬臂梁安装孔标记为231；悬臂梁弯曲中心层标记为242；光纤光栅标记为206;铁轨标记为313;安装螺钉标记为314;抱装件标记为315;光纤光栅振动传感器标记为316。

具体实施方式

为使本发明的目的、结构和优点更加清楚，下面结合附图对本发明进一步地进行详细的描述。

图1是根据本发明的实施例的光纤光栅振动传感器100的结构图。光纤光栅振动传感器100被固定在外壳110中。光纤光栅振动传感器100包括：基座120；振动测量元件141、142、143和光纤光栅171、172、173。

为了便于说明，在以下的实施例中，光纤光栅振动传感器100包括有三个振动测量元件141、142、143，但是光纤光栅振动传感器100未必是必须要同时包括这三个振动测量元件141、142、143。在一个实施例中，光纤光栅振动传感器100可以被配置成仅包括X轴方向，Y轴方向和Z轴方向中一个方向上的振动测量元件。在另一个实施例中，光纤光栅振动传感器100可以被配置成包括X轴方向，Y轴方向和Z轴方向中任意两个方向上的振动测量元件。在又一个实施例中，光纤光栅振动传感器100可以被配置成同时包括X轴方向，Y轴方向和Z轴方向这三个方向上的振动测量元件。在这种情况下，光纤光栅振动传感器100称为三轴光纤光栅振动传感器100，它可以用于同时测量X轴方向，Y轴方向和Z轴方向上的振动，也可以用于测量任意的一个或者两个轴向上的振动。

基座120被固定在外壳110中。

基座120被加工成具有三个相互垂直的安装面131、132、133。例如，基座120由三个长方体构成，这三个长方体例如在左端最齐。第一和第三长方体水平放置并且相互平行且对准，它们之间的间距恰好在宽度方向上放置第二长方体。第二长方体被垂直放置。三个相互垂直的安装面131、132、133例如分别选择第一长方体的顶面、第二长方体的底面、和第三长方体的左侧面。

基座120例如通过安装孔161、162等使用安装螺栓或者螺丝等或者其他方式被固定在外壳110的底面上。

三个振动测量元件141、142、143各自的一端被分别在X轴方向，Y轴方向和Z轴方向上安装在三个相互垂直的安装面131、132和133上。例如，三个振动测量元件141、142、143各自的悬臂梁的一端通过安装孔使用安装螺栓或者螺丝被分别固定在三个相互垂直的安装面131、132和133上。三个振动测量元件141、142、143在三个相互垂直的安装面131、132和133上被安装成相互之间在空间上也是相互垂直的。三个振动测量元件141、142、143自身也分别平行于X轴方向，Y轴方向和Z轴方向。如上所述，振动测量元件141、142、143各自的悬臂梁的一端被安装在三个相互垂直的安装面131、132和133上，而振动测量元件141、142、143各自的悬臂梁的另一端悬空，起到质量块的作用,从而振动测量元件141、142、143均形成悬臂梁结构，以下简称悬臂梁。

三个振动测量元件141、142、143中的每个振动测量元件141、142和143测量一个轴向的振动。振动测量元件141、142、143分别测量X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的振动。在这里，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向不是固定限定的，只要三个方向在空间上保持相互垂直。

振动测量元件141、142、143各自的悬臂梁分别封装光纤光栅171、172、173。光纤光栅171、172、173分别感测X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上的振动。

振动测量元件141、142、143各自的悬臂梁均具有调节该光纤光栅振动传感器100的灵敏度的两个凸台。该两个凸台的高度总是相同。该凸台的高度确定了灵敏度的放大倍数。根据不同的灵敏度需求选取不同的高度值。该凸台在生产加工过程中，根据不同的灵敏度需求而可以加工成具有不同的高度。光纤光栅171、172、173例如分别在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上被粘贴在振动测量元件141、142、143的表面的凸台上。振动测量元件141、142、143的表面上的凸台的结构将在下面结合附图2介绍。

振动测量元件141、142、143各自所封装的光纤光栅171、172、173被串接在一起。例如，该串接的光纤光栅通过引出光纤190与光纤光栅解调仪（图中未标出）相连，通过外壳110的一个引出孔180进入外壳110，然后按照顺序分别被第一、第二和第三振动测量元件141、142、143各自所封装。该光纤光栅的末端通过外壳110的另一个引出孔180引出，然后通过引出光纤190与光纤光栅解调仪（图中未标出）连接。该光纤光栅引出孔180优选地设置在远离第二振动测量元件142，但是均与第一和第三振动测量元件141和143的延长线相垂直的外壳110的一个侧面上。

为了便于光纤光栅的安排和稳定，在一个实施例中，该光纤光栅分别在第一振动测量元件141和第二振动测量元件142之间和/或在第二振动测量元件142和第三振动测量元件143之间绕过导线柱151和152而前行。因为这两个导线柱151和152是选择性的，所以可以只有一个导线柱，也可以同时有两个，也可以都没有。导线柱151和152分别固定在第一和第三安装面131和133上并且分别与第一和第三安装面131和133垂直。第一和第三安装面131和133上可以根据具体需要分别固定更多导线柱。

当在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上各自的轴向上分别有振动产生时，由于三个振动测量元件141、142、143各自的悬臂梁的另一端起到质量块的作用，所以使三个振动测量元件141、142、143各自的悬臂梁在振动方向上产生挠度变化。所述挠度变化分别引起光纤光栅171、172、173各自的应变变化。这个应变变化被光纤光栅171、172、173感测到之后，通过引出光纤190传递到光纤光栅解调仪（图中未标出）。光纤光栅解调仪（图中未标出）然后解算而求出光纤光栅171、172、173各自的波长变化，从而间接地测量到X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的各自振动轴向的振动量。

图2是本发明的光纤光栅振动传感器中的振动测量元件的结构图。图1所示的振动测量元件形成悬臂梁200。

悬臂梁200包括：第一凸台211、第二凸台212、悬臂梁弯曲中心层242和光纤光栅206。光纤光栅206粘贴于悬臂梁200的第一凸台211和第二凸台212表面上。优选地，光纤光栅206安置成在宽度方向上均分第一凸台211和第二凸台212表面。

悬臂梁200通过第一凸台211中的两个悬臂梁安装孔231而固定在它所对应的安装面（未示出）上。例如，在所述两个悬臂梁安装孔231中使用安装螺栓或者螺丝而把悬臂梁200的第一凸台211的一端固定在安装面上。

假设悬臂梁200的长度为L；悬臂梁200的厚度为h；悬臂梁200的宽度为b；悬臂梁200的第一凸台211、第二凸台212的相同高度δ均为悬臂梁200的厚度h的N倍:，（其中N为大于零的数值）；悬臂梁200的等效末端质量块的质量为m。理论上，该N值越大，光纤光栅振动传感器的灵敏度越高。不过，考虑到传感器尺寸的限制，该N值的取值范围优选在1~3之间。由于第一和第二凸台211、212的高度增加了光纤光栅206到悬臂梁弯曲中心层242的距离，所以本发明的光纤光栅振动传感器的灵敏度得到大幅提高。

图2所示的悬臂梁200的第二凸台212侧的一端没有固定在安装面上而保持悬空,而起到质量块的作用。悬臂梁200在惯性力作用下产生弯曲，其弯曲的曲率半径为。悬臂梁200的弯曲引起光纤光栅206上的应变表示为。根据材料力学的知识，有如下的等式：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

其中：

h为悬臂梁的厚度，单位：m；

δ为凸台的高度，单位：m；

ρ为悬臂梁的曲率半径，单位：m；

M为惯性力的力矩，单位：Nm；

E为悬臂梁材料的杨氏模量，单位：Gpa；

J为悬臂梁的惯性矩，单位：；

L为悬臂梁长度，单位：m；

F为悬臂梁受到的惯性力，单位：N；

b为悬臂梁的宽度，单位：m；

m为悬臂梁的末端等效质量，单位：g；

a为外界振动的加速度，单位：；

N为凸台的高度除以悬臂梁的厚度的比值。

其中，M：为惯性力的力矩，可以通过公式（3）计算，是由惯性力F乘以悬臂梁臂长L的结果。

E:悬臂梁材料的杨氏模量,是由材料决定的，当悬臂梁材料选定后，E可查表得到。

J：悬臂梁的惯性矩，通过公式（4）计算，当悬臂梁的宽度b，厚度h确定后，J就可计算出来。

F：悬臂梁受到的惯性力，通过公式（5）计算，等效质量乘以加速度，这里的加速度就是最终要测量的量。

m：悬臂梁的等效质量，当悬臂梁结构和材料确定后，等效质量也确定了，这是中间量，不需要真正就算出来，只是在推导公式的过程中使用。

a：外界振动的加速度，是传感器要测量的量，即被测量。

从公式（1）～（5）可以得出：悬臂梁200的弯曲所引起的光纤光栅206上的应变表示为：

（6）。

假设悬臂梁200没有凸台211、212，其他参数与有凸台情况一样，光纤光栅206封装在悬臂梁200的表面。在这种情况下，N值为零，于是悬臂梁200的弯曲所引起的光纤光栅206上的应变则变为：

（7）。

对比公式（6）和（7），可以明显看到：有凸台时光纤光栅上的应变是没有凸台时光纤光栅上的应变的（1+2N）倍。因此，当振动测量元件的其他尺寸确定时，增大N值可以提高一个加速度a产生的应变ε，从而提高光纤光栅振动传感器的灵敏度。光纤光栅振动传感器在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向这三个方向上的振动测量元件的凸台的高度可以分别被选择，从而在这三个方向上的灵敏度分别都能够得到提高。凸台在生产加工过程中，根据不同的灵敏度需求而可以加工成具有不同的高度，但是第一凸台和第二凸台的高度总是保持相同。因此，可以提供一系列高度不同的凸台，以提供具有一系列灵敏度的光纤光栅振动传感器。

由于根据实际需要在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上的测量灵敏度可能要求不同，也可能相同，所以在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向这三个方向上的振动测量元件各自的凸台的高度可以相互独立地选择设置成相同或者不同，从而分别适应不同方向上的振动测量灵敏度的需求。

尽管本发明的三轴光纤光栅振动传感器可以同时测量三个振动方向上的振动量，但是可以应用该三轴光纤光栅振动传感器仅仅测量任一方向上的振动量。

图3是本发明的三轴光纤光栅振动传感器316在铁轨振动测量应用中的一个应用的示意图。

该图是安装有三轴光纤光栅振动传感器316的铁轨的侧视图。铁轨313两侧分别通过安装螺钉314固定到轨枕上。三轴光纤光栅振动传感器316通过抱装件315安装在铁轨313的下方。铁路沿线的落石会冲击轨枕系统而引起振动，三轴光纤光栅振动传感器316可以测量铁路方向的振动。由于落石冲击轨枕系统的角度和落点不同，会引起铁轨在三个轴方向的振动不同，因此需要从铁轨的三个轴向振动情况来综合判定落石情况。如果判定是落石引起的振动，就及时报警。三轴光纤光栅振动传感器316可以同时测量铁轨在三个轴向的任一方向的振动情况。

本发明的三轴光纤光栅振动传感器316还可以应用在电力、石油、石化、交通和建筑等各个工业领域。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光纤光栅振动传感器(100),包括：

基座（120）；和

振动测量元件（141、142、143）；以及

光纤光栅(171、172、173);

其中，

振动测量元件在轴向上安装在基座的安装面（131、132、133）上；

振动测量元件包括第一凸台和第二凸台（211、212）；

振动测量元件的第一凸台侧的一端固定安装在安装面上，振动测量元件的第二凸台侧的一端悬空；并且

光纤光栅在轴向上封装在振动测量元件上，用于感测在该轴向上的振动。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器(100)，其中第一凸台和第二凸台高度相同，且根据不同的灵敏度需求选取不同的高度值，其中所述高度确定光纤光栅振动传感器在轴向上的灵敏度的放大系数。

3.根据权利要求2所述的光纤光栅振动传感器(100)，其中第一凸台和第二凸台的高度δ是振动测量元件的悬臂梁的厚度h的N倍：，其中N为大于零的数值。

4.根据权利要求3所述的光纤光栅振动传感器(100)，其中所述N的取值范围在1-3之间。

5.根据权利要求3所述的光纤光栅振动传感器(100)，其中振动测量元件的悬臂梁（200）的弯曲所引起的光纤光栅（171、172、173、206）上的应变表示为：

（6）

其中:

h为悬臂梁的厚度；

δ为凸台的高度；

ρ为悬臂梁的曲率半径；

M为惯性力的力矩；

E为悬臂梁材料的杨氏模量；

J为悬臂梁的惯性矩；

L为悬臂梁长度；

F为悬臂梁受到的惯性力；

b为悬臂梁的宽度；

m为悬臂梁的末端等效质量；

a为外界振动的加速度；

N为凸台的高度δ除以悬臂梁的厚度h的比值。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的光纤光栅振动传感器(100)，其中

所述基座被加工有三个相互垂直的安装面，每个安装面在轴向上均安装有一个振动测量元件；

三个安装面上的三个振动测量元件被安装成在空间上相互垂直；并且

三个振动测量元件所封装的三个光纤光栅串接在一起。

7.根据权利要求6中所述的光纤光栅振动传感器(100)，其中

三个振动测量元件其中至少之一的凸台的高度被不同地设置，以便为光纤光栅振动传感器在相应的轴向上提供相对应的灵敏度。

8.根据权利要求6所述的光纤光栅振动传感器(100)，其中

所述光纤光栅通过引出光纤（190）连接到光纤光栅解调仪，用于传递所述光纤光栅感测到的振动，以便光纤光栅解调仪计算各轴向的振动量。

9.根据权利要求6所述的光纤光栅振动传感器(100)，其中

所述光纤光栅振动传感器被安装在铁轨下，用于测量铁轨在三个轴向的振动。

10.一种用于光纤光栅振动传感器(100)的振动测量元件(141、142、143),其中所述振动测量元件在轴向上安装在光纤光栅振动传感器的基座的安装面（131、132、133）上；

所述振动测量元件包括：

悬臂梁弯曲中心层（242）；

第一凸台和第二凸台（211、212），位于悬臂梁弯曲中心层上；和

光纤光栅；

其中所述光纤光栅在轴向上封装在第一凸台和第二凸台上，用于感测在该轴向上的振动；

振动测量元件的第一凸台侧的一端用于固定安装在安装面上，振动测量元件的第二凸台侧的一端悬空。

11.根据权利要求10所述的振动测量元件，其中第一凸台和第二凸台高度相同，且根据不同的灵敏度需求选取不同的高度值，其中所述高度确定光纤光栅振动传感器在轴向上的灵敏度的放大系数。

12.根据权利要求11所述的振动测量元件，其中第一凸台和第二凸台的高度δ是振动测量元件的悬臂梁的厚度h的N倍：，其中N为大于零的数值。

13.根据权利要求12所述的振动测量元件，其中所述N的取值范围在1-3之间。

14.根据权利要求12所述的振动测量元件，其中振动测量元件的悬臂梁（200）的弯曲所引起的光纤光栅（171、172、173、206）上的应变表示为：

（6）

其中:

h为悬臂梁的厚度；

δ为凸台的高度；

ρ为悬臂梁的曲率半径；

M为惯性力的力矩；

E为悬臂梁材料的杨氏模量；

J为悬臂梁的惯性矩；

L为悬臂梁长度；

F为悬臂梁受到的惯性力；

b为悬臂梁的宽度；

m为悬臂梁的末端等效质量；

a为外界振动的加速度；

N为凸台的高度δ除以悬臂梁的厚度h的比值。