CN105974154A - 一种不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。本发明包括聚四氟乙烯固定外壳、不锈钢毛细管、光纤Bragg光栅、导出光纤、弹性金属薄片；所述不锈钢毛细管外侧两边固定于聚四氟乙烯固定外壳空心圆筒中，把光纤Bragg光栅预拉伸后粘贴在弹性金属薄片上，粘贴有光纤Bragg光栅的弹性金属薄片放入不锈钢毛细管中央，导出光纤从不锈钢毛细管两边引出。本发明能够在较高的振动频率的基础上实现高灵敏度测量；本设计能够实现微小直径封装，可以适用于安装空间较小的测量对象中进行振动监测；通过采用光纤Bragg光栅，具有较强的抗电磁干扰能力和耐腐蚀能力适用于对变压器的长期监测；结构简单，便于操作。

Description

一种不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。

背景技术

电力变压器的工作环境恶劣，且其工作效率比较低，因此存在很大的漏磁，形成较强的电磁干扰，电力变压器的工作温度很高，即使是外壳也可能达到70度左右的高温。变压器的振动监测环境处于高电压、高磁场、高温度的恶劣环境中，变压器的振动频率范围大致在10～2000Hz。目前可用于变压器振动检测的传感器基本都是电磁式传感器，常见的有电涡流传感器、压电传感器等，其共同特点就是抗电磁干扰能力差，信号远程传输能力弱。

光纤传感器具有本质安全、具有抗电磁干扰、信号可远距离传输等优点，成为近年来学者研究的热点。光纤传感器虽然在强电磁环境中进行变压器振动在线监测具有天然的优势，但是目前的光纤传感器多用于静态量的检测，如火灾报警、应变测量等，能用于动态测量的传感器非常少，光纤光栅加速度传感器是目前的一个研究热点。各种光纤光栅加速度传感器发展迅速而且种类繁多。悬臂梁式光纤光栅加速度传感器因其结构简单性能稳定，得到了众多学者的青睐，从初期将光栅直接贴附于悬臂梁到其衍伸结构(如两点固定式)，但悬臂梁自身难以实现高频范围测量，多数只能在低频范围应用，阻碍了其发展。

通过采用光纤Bragg光栅高频加速度传感器对电力变压器进行实时在线振动监测时，需要考虑加速度传感器的构成、封装直径和材料。

发明内容

本发明提供了一种不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器及其使用方法，以用于解决对电力变压器振动实时在线检测及解决对变压器振动实时在线检测时光纤Bragg光栅高频加速度传感器的结构、安装的问题。

本发明的技术方案是：一种不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器，包括聚四氟乙烯固定外壳1、不锈钢毛细管2、光纤Bragg光栅3、导出光纤4、弹性金属薄片6；

所述不锈钢毛细管2外侧两边固定于外径为5mm的聚四氟乙烯固定外壳1空心圆筒中，把光纤Bragg光栅3预拉伸1000个微应变后粘贴在弹性金属薄片6上，粘贴有光纤Bragg光栅3的弹性金属薄片6放入内径为0.8mm的不锈钢毛细管2中央，导出光纤4从不锈钢毛细管2两边引出。

所述弹性金属薄片6两边分别嵌入到位于不锈钢毛细管2中两侧的Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7中。

所述Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7为从不锈钢毛细管2的两边灌入Polymer液体并固化。

一种不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器的使用方法，所述方法的步骤如下：

Step1、当传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，不锈钢毛细管2将带动Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7一起振动，Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7把振动信号传递到弹性金属薄片6并使光纤Bragg光栅3作应变变化，将导致光纤Bragg光栅3的中心波长产生相应的变化，光纤Bragg光栅3中心波长变化量为Δλ；

Step2、根据粘贴在的弹性金属薄片6上的光纤Bragg光栅3中心波长变化值Δλ与所测加速度a的关系的关系式计算出传感器被测对象的加速度变化；式中：l₁为弹性金属薄片6的长度，b为弹性金属薄片6的宽度，h为弹性金属薄片6的厚度，P_e为光纤Bragg光栅3的有效弹光系数，λ为光纤Bragg光栅3的中心波长，E₁为弹性金属薄片6的弹性模量，ρ₁为弹性金属薄片6的密度，s₁为弹性金属薄片6的横截面积。

本发明的工作原理是：

当传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，不锈钢毛细管2将带动左Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7一起振动，Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7把振动信号传递到弹性金属薄片6并使光纤Bragg光栅3作应变变化，将导致光纤Bragg光栅3的中心波长产生相应的变化，振动的加速度信号被调制为波长的变化信号，整个振动系统可简化为一个简支梁的受迫振动系统。传感器导出光纤4与FBG解码仪连接，构成光纤Bragg光栅高频加速度传感器。

本发明的数学模型分析如下：

根据材料力学对简支梁振动的计算分析，简支梁的固有频率f₀可表示为：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\left(\frac{\mathrm{\π}}{l}\right)}^2\sqrt{\frac{EI}{\mathrm{\ρ}s}}---\left(1\right)$

其中：l为不锈钢毛细管2的长度，E为不锈钢毛细管2弹性模量，I为惯性矩，ρ为不锈钢毛细管2密度，s为不锈钢毛细管2的横截面积。

不锈钢毛细管2带动Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7以及和Polymer连接的弹性金属薄片6一起振动，弹性金属薄片6导致光纤Bragg光栅3所产生的应变ε与所测加速度a的关系可表示为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{3{\mathrm{ml}}_1}{4{\mathrm{bh}}^2{E}_1}a---\left(2\right)$

式中：m为弹性金属薄片6的质量，l₁为弹性金属薄片6的长度，b为弹性金属薄片6的宽度，h为弹性金属薄片6的厚度，E₁为弹性金属薄片6的弹性模量。

粘贴在弹性金属薄片6上的光纤Bragg光栅3的应变ε与波长变化量Δλ的关系可表示为：

Δλ＝(1-P_e)λε(3)

式中：P_e为光纤Bragg光栅3的有效弹光系数，λ为光纤Bragg光栅3的中心波长。

联立式(2)、(3)传感器的灵敏度可表达为：

$S=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{a}=(1-P_e)\mathrm{\λ}\frac{3{\mathrm{ml}}_1}{4{\mathrm{bh}}^2{E}_1}---\left(4\right)$

(4)式可转化为：

$S=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{a}=(1-P_e)\mathrm{\λ}\frac{3l_1^2{\mathrm{\ρ}}_1{s}_1}{4{\mathrm{bh}}^2{E}_1}---\left(5\right)$

式中：ρ₁为弹性金属薄片6的密度，s₁为弹性金属薄片6的横截面积。

本发明的有益效果是：

1、当传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，不锈钢毛细管将带动Polymer填充物一起振动，Polymer填充物把振动信号传递到金属薄片并使FBG作应变变化，将导致光纤光栅的波长产生相应的变化，进而引起FBG布拉格波长的变化，振动的加速度信号被调制为波长的变化信号。本设计选择不锈钢毛细管并运用Polymer填充物与金属薄片进行振动传递，能够在较高的振动频率的基础上实现高灵敏度测量。

2、本设计能够实现微小直径封装，可以适用于安装空间较小的测量对象中进行振动监测。

3、通过采用光纤Bragg光栅，具有较强的抗电磁干扰能力和耐腐蚀能力适用于对变压器的长期监测。

4、结构简单，便于操作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中各标号：1-聚四氟乙烯固定外壳、2-不锈钢毛细管、3-光纤Bragg光栅、4-导出光纤、5-Polymer填充物Ⅰ、6-弹性金属薄片、7-Polymer填充物Ⅱ。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，一种不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器，包括聚四氟乙烯固定外壳1、不锈钢毛细管2、光纤Bragg光栅3、导出光纤4、弹性金属薄片6；

所述不锈钢毛细管2外侧两边固定于外径为5mm的聚四氟乙烯固定外壳1空心圆筒中，把光纤Bragg光栅3预拉伸1000个微应变后粘贴在弹性金属薄片6上，粘贴有光纤Bragg光栅3的弹性金属薄片6放入内径为0.8mm的不锈钢毛细管2中央，导出光纤4从不锈钢毛细管2两边引出。

所述弹性金属薄片6两边分别嵌入到位于不锈钢毛细管2中两侧的Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7中。

所述Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7为从不锈钢毛细管2的两边灌入Polymer液体并固化。

一种不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器的使用方法，所述方法的步骤如下：

Step1、当传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，不锈钢毛细管2将带动Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7一起振动，Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7把振动信号传递到弹性金属薄片6并使光纤Bragg光栅3作应变变化，将导致光纤Bragg光栅3的中心波长产生相应的变化，光纤Bragg光栅3中心波长变化量为Δλ；

Step2、根据粘贴在的弹性金属薄片6上的光纤Bragg光栅3中心波长变化值Δλ与所测加速度a的关系的关系式计算出传感器被测对象的加速度变化；式中：l₁为弹性金属薄片6的长度，b为弹性金属薄片6的宽度，h为弹性金属薄片6的厚度，P_e为光纤Bragg光栅3的有效弹光系数，λ为光纤Bragg光栅3的中心波长，E₁为弹性金属薄片6的弹性模量，ρ₁为弹性金属薄片6的密度，s₁为弹性金属薄片6的横截面积。

实施例2：如图1所示，一种不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器，包括聚四氟乙烯固定外壳1、不锈钢毛细管2、光纤Bragg光栅3、导出光纤4、弹性金属薄片6；

所述不锈钢毛细管2外侧两边固定于外径为5mm的聚四氟乙烯固定外壳1空心圆筒中，把光纤Bragg光栅3预拉伸1000个微应变后粘贴在弹性金属薄片6上，粘贴有光纤Bragg光栅3的弹性金属薄片6放入内径为0.8mm的不锈钢毛细管2中央，导出光纤4从不锈钢毛细管2两边引出。

所述弹性金属薄片6两边分别嵌入到位于不锈钢毛细管2中两侧的Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7中。

一种不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器的使用方法，所述方法的步骤如下：

Step1、当传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，不锈钢毛细管2将带动Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7一起振动，Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7把振动信号传递到弹性金属薄片6并使光纤Bragg光栅3作应变变化，将导致光纤Bragg光栅3的中心波长产生相应的变化，光纤Bragg光栅3中心波长变化量为Δλ；

Step2、根据粘贴在的弹性金属薄片6上的光纤Bragg光栅3中心波长变化值Δλ与所测加速度a的关系的关系式计算出传感器被测对象的加速度变化；式中：l₁为弹性金属薄片6的长度，b为弹性金属薄片6的宽度，h为弹性金属薄片6的厚度，P_e为光纤Bragg光栅3的有效弹光系数，λ为光纤Bragg光栅3的中心波长，E₁为弹性金属薄片6的弹性模量，ρ₁为弹性金属薄片6的密度，s₁为弹性金属薄片6的横截面积。

实施例3：如图1所示，一种不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器，包括聚四氟乙烯固定外壳1、不锈钢毛细管2、光纤Bragg光栅3、导出光纤4、弹性金属薄片6；

所述不锈钢毛细管2外侧两边固定于外径为5mm的聚四氟乙烯固定外壳1空心圆筒中，把光纤Bragg光栅3预拉伸1000个微应变后粘贴在弹性金属薄片6上，粘贴有光纤Bragg光栅3的弹性金属薄片6放入内径为0.8mm的不锈钢毛细管2中央，导出光纤4从不锈钢毛细管2两边引出。

实施例4：如图1所示，一种不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器的使用方法，所述方法的步骤如下：

Step1、当传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，不锈钢毛细管2将带动Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7一起振动，Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7把振动信号传递到弹性金属薄片6并使光纤Bragg光栅3作应变变化，将导致光纤Bragg光栅3的中心波长产生相应的变化，光纤Bragg光栅3中心波长变化量为Δλ；

Step2、根据粘贴在的弹性金属薄片6上的光纤Bragg光栅3中心波长变化值Δλ与所测加速度a的关系的关系式计算出传感器被测对象的加速度变化；式中：l₁为弹性金属薄片6的长度，b为弹性金属薄片6的宽度，h为弹性金属薄片6的厚度，P_e为光纤Bragg光栅3的有效弹光系数，λ为光纤Bragg光栅3的中心波长，E₁为弹性金属薄片6的弹性模量，ρ₁为弹性金属薄片6的密度，s₁为弹性金属薄片6的横截面积。

实施例5：如图1所示，一种不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器，包括聚四氟乙烯固定外壳1、不锈钢毛细管2、光纤Bragg光栅3、导出光纤4、弹性金属薄片6；

所述不锈钢毛细管2外侧两边固定于外径为5mm的聚四氟乙烯固定外壳1空心圆筒中，把光纤Bragg光栅3预拉伸1000个微应变后粘贴在弹性金属薄片6上，粘贴有光纤Bragg光栅3的弹性金属薄片6放入内径为0.8mm的不锈钢毛细管2中央，导出光纤4从不锈钢毛细管2两边引出。

一种不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器的使用方法，所述方法的步骤如下：

Step1、当传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，不锈钢毛细管2将带动Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7一起振动，Polymer填充物Ⅰ5、Polymer填充物Ⅱ7把振动信号传递到弹性金属薄片6并使光纤Bragg光栅3作应变变化，将导致光纤Bragg光栅3的中心波长产生相应的变化，光纤Bragg光栅3中心波长变化量为Δλ；

Step2、根据粘贴在的弹性金属薄片6上的光纤Bragg光栅3中心波长变化值Δλ与所测加速度a的关系的关系式计算出传感器被测对象的加速度变化；式中：l₁为弹性金属薄片6的长度，b为弹性金属薄片6的宽度，h为弹性金属薄片6的厚度，P_e为光纤Bragg光栅3的有效弹光系数，λ为光纤Bragg光栅3的中心波长，E₁为弹性金属薄片6的弹性模量，ρ₁为弹性金属薄片6的密度，s₁为弹性金属薄片6的横截面积。

其具体参数为：

1、不锈钢毛细管参数为：不锈钢毛细管2的长度l＝50mm，Young’s模量为E＝194GPa，ρ＝7.9*10³kg/m³，外径D＝1.4mm，内径d＝0.8mm；

2、弹性金属薄片参数为：弹性金属薄片的长度：l₁＝10mm，弹性金属薄片的宽度b＝0.05mm，弹性金属薄片的厚度h＝0.01mm，弹性金属薄片的横截面积s₁＝b*h，弹性金属薄片的密度ρ₁＝7.9*10³kg/m³。

3、光纤Bragg光栅的技术参数为：中心波长λ＝1550nm，S_ε＝1-P_e＝0.78*10(^-6)με^-1；

4、按附图1配置实验；

5、用光纤光栅解调仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长；

6、根据公式(5)，根据粘贴在金属薄片上光纤Bragg光栅的中心波长变化值Δλ可得到被测对象的加速度a：

$a=\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}4{\mathrm{bh}}^2{E}_1/\left(\right(1-P_e\left)\mathrm{\λ}3l_1^2{\mathrm{\ρ}}_1{s}_1\right)$

理论计算表明，传感器谐振频率为1775Hz，灵敏度系数为4pm/g，灵敏度计算值忽略了Polymer填充物对金属薄片所施加的外力作用，实际值要远大于理论计算值。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器，其特征在于：包括聚四氟乙烯固定外壳(1)、不锈钢毛细管(2)、光纤Bragg光栅(3)、导出光纤(4)、弹性金属薄片(6)；

所述不锈钢毛细管(2)外侧两边固定于聚四氟乙烯固定外壳(1)空心圆筒中，把光纤Bragg光栅(3)预拉伸后粘贴在弹性金属薄片(6)上，粘贴有光纤Bragg光栅(3)的弹性金属薄片(6)放入不锈钢毛细管(2)中央，导出光纤(4)从不锈钢毛细管(2)两边引出。

2.根据权利要求1所述的不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器，其特征在于：所述弹性金属薄片(6)两边分别嵌入到位于不锈钢毛细管(2)中两侧的Polymer填充物Ⅰ(5)、Polymer填充物Ⅱ(7)中。

3.根据权利要求2所述的不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器，其特征在于：所述Polymer填充物Ⅰ(5)、Polymer填充物Ⅱ(7)为从不锈钢毛细管(2)的两边灌入Polymer液体并固化。

4.一种根据权利要求1-3中任一项所述的不锈钢毛细管和Polymer增敏结构的高频FBG加速度传感器的使用方法，所述方法的步骤如下：

Step1、当传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，不锈钢毛细管(2)将带动Polymer填充物Ⅰ(5)、Polymer填充物Ⅱ(7)一起振动，Polymer填充物Ⅰ(5)、Polymer填充物Ⅱ(7)把振动信号传递到弹性金属薄片(6)并使光纤Bragg光栅(3)作应变变化，将导致光纤Bragg光栅(3)的中心波长产生相应的变化，光纤Bragg光栅(3)中心波长变化量为Δλ；

Step2、根据粘贴在的弹性金属薄片(6)上的光纤Bragg光栅(3)中心波长变化值Δλ与所测加速度a的关系的关系式计算出传感器被测对象的加速度变化；式中：l₁为弹性金属薄片(6)的长度，b为弹性金属薄片(6)的宽度，h为弹性金属薄片(6)的厚度，P_e为光纤Bragg光栅(3)的有效弹光系数，λ为光纤Bragg光栅(3)的中心波长，E₁为弹性金属薄片(6)的弹性模量，ρ₁为弹性金属薄片(6)的密度，s₁为弹性金属薄片(6)的横截面积。