CN106872015A - 一种光纤型振动传感测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种光纤型振动传感测量系统，特别涉及一种基于悬臂梁结构的刻槽型光纤振动传感系统。主要包括支撑结构、弹性悬臂梁、测试质量块、固定光纤梁、连接光纤、刻槽型光栅、可变光衰减器、平衡光探测器、电子频谱分析仪、偏振控制器；在悬臂梁末端施加测试质量块，测试质量块可以实现振动振幅及加速度信号的探测，采用光驱动的方式对测试模块进行驱动，加速度产生悬臂梁的相对位移变化来转换为光信号的变化，本发明主要通过检测光信号变化转换为测量载体的加速度及振幅，结构简单，工艺成本低且不会受到物体振动方向的限制，具有实际的应用价值。

Description

一种光纤型振动传感测量系统

技术领域

本发明涉及光纤型振动传感器测量领域，具体涉及一种光纤型振动传感测量系统。

背景技术

光纤型传感器作为一种波长调制型的光子器件，不仅具有质量轻、体积小、精度高、可复用性、抗腐蚀性和免电磁干扰等优点，且具有商业化的应用。振动是一种常见的现象，在工程实践中对于振动问题的合理解决方案，具有重要的工程应用价值。在结构应变监测或者传感器设计中，通常需将光纤光栅粘贴于被测对象或者弹性体表面或者埋入其中，进而实时感知被测体对应的振动应变值。为此粘贴层的效果直接决定了被测体应变测量的精度以及传感器测试的重复性，其广泛的应用于博物馆、体育馆、通信基站、油漆管等，具有非常重要的应用价值。

光纤型振动传感器依据其工作原理主要分为：光强度调制、模式调制、偏振态调制、相位调制及波长调制型。对于便于工程实现的光纤型振动传感器一般都是采用强度调制型。

传统型的光纤振动传感器的研究都基于被测体受到轴向力作用的假设，而在实际测量中许多被测件还会受到弯矩作用而产生应变，等臂悬臂梁振动测试点扰度并不对称，在一定程度上受扰度不同影响测试振动测试加速度及振幅的效果。本文针对应用于受弯件的刻槽型光纤光栅应变传递规律进行分析。这种传感器采用特殊悬臂梁结构，能够有效地减小因环境噪声和温度带来的信号噪声和失真，让测试效果更准确，灵敏度更高，此外还可以转动电动分度头，可以实现对物体角速率的检测，刚性悬臂梁在转动的过程中，由于质量块重力作用会产生周期性形变，检测周期性形变就可以得到周期性信号，解算周期性信号就得出刚性结构的转动角速度；

现有的光强调制型光纤振动传感系统一般原理为：入射光由于受到被测强度的调制，外壳与外部刚性连接，外部振动时外壳也随之振动，悬臂梁和质量块因惯性力的作用，相对外部位置会发生上下振动，当有外界扰动作用在光纤光栅上时，将引起光纤光栅折射率等光传输特性发生变化，从而引起光传输谐振波长及传输衰减发生变化，测得微弯程度可感测振幅及加速度。此类光纤振动传感器具有结构简单、便于实现等特点。现有的测量装置缺点是灵敏度低、成本高及稳定性差且不能测出受到弯矩作用而产生应变的情况。

基于以上所述，本发明提出了一种光纤型振动传感测量系统。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种同一精度水平上方便操作、平台简单、抗电磁干扰强、信息容量大、传输距离远、性能优异，降低试验平台成本，更具可行性的。本发明的技术方案如下：

一种光纤型振动传感测量系统，包括振动系统，所述振动系统包括支撑梁、悬臂梁，所述悬臂梁垂直设置于支撑梁上，所述支撑梁固定安装在支撑梁刚性梁上，所述悬臂梁上固定有一光纤，其在所述光纤上选择一位移和能量最敏感点作为刻槽光纤光栅的黏贴点，所述悬臂梁采用光敏感材料，通过在所述质量块上方采用全光脉冲使得悬臂梁振动，所述全光脉冲采用全光驱动系统，且在悬臂梁的末端位置处上下对称设置有质量块，通过设置一光检测系统测量振动加速度及振幅信号。

进一步的，所述全光驱动系统主要包括激光光源、将光束进行3DB分光的光耦合器、减少反射光对光谱输出功率稳定性产生不良影响的光隔离器、调节光相位的相位调制器、用于探测干涉条纹的光电探测器、用于感测外界变化的刻槽型光纤光栅与悬臂梁间形成的F-P干涉仪，所述刻槽光纤光栅在悬臂梁上粘贴位置的选取是通过对悬臂梁不同粘贴位置的应力、扰度进行分析，分别计算出悬臂梁自由端的扰度、作用力量程及光纤的最大微应变，选择最佳粘贴点；所述激光光源发出的激光通过3dB光耦合器耦合进光纤，以便光功率可以均等的分开到悬臂梁上，然后光功率在3dB耦合器里面进行传输并分别到达F-P干涉仪，一部分信号将进入光检测器，通过相应光纤光栅波长及衰减的变化可以测出振动的频率、幅度及加速度大小。

进一步的，所述振动系统还包括电动分度头，所述电动分度头不旋转时当作支撑块，在旋转时可以实现对物体角速率的检测，刚性悬臂梁在转动的过程中，由于质量块重力作用会产生周期性形变，检测周期性形变就可以得到周期性信号，通过光束与光路输出的光束经过光电探测器可以形成电信号，将电信号作为输入接入到频谱分析仪中通过两路信号之间的频率变化解算周期性信号就得出刚性结构的转动角速度。

进一步的，所述光检测系统包括激光器、分光镜、通过衰减传输光功率来实现对信号的实时控制的可变光衰减器、用于对光产生的不同偏振进行控制的光纤偏振控制器、用于提高光探测器接收信号的平衡光探测器和显示输入信号频谱特性的电子频谱分析仪；

所述激光器发射的光束通过光纤射入分光镜，所述分光镜将光束分成信号光和参考光；所述信号光传输至第一可变光衰减器衰减传输光功率后再传入光纤偏振控制器，经过信号变化后通过光电探测器进行测量；测量后通过光纤输入平衡光探测器并将光信号转化为电信号；所述参考光经过光纤传输至第二可变光衰减器后再传输至平衡光探测器将光信号转化为电信号；所述平衡光探测器将电信号传输至电子频谱分析仪。

进一步的，所述刻槽型光纤光栅主要是由光纤包层及纤芯构成，刻槽结构区只存在单侧区域，当施加一定的全光脉冲(9)驱动作用于敏感悬臂梁上时，悬臂梁上会导致相应振动，会导致悬臂梁发生弯曲，刻槽型光纤光栅在弯曲下会发生一定的褶皱型结构，从而激发包层模的耦合，使得光传输谱发生相应的变化。

进一步的，当高功率的脉冲激光束聚焦后辐射在所述悬臂梁(5)的敏感材料上时，由于辐射区内吸收了激光的能量，将在其表面产生一团高温高压的等离子体，这些离子体不断吸收来自激光的能量，并迅速向四周的介质中扩张，进而形成一道等离子冲击波，受反作用力的作用，辐射靶面将受到一个阵面陡峭的面冲击载荷，材料受到的峰值压力的计算公式：

在该式中，ρ₀(g/cm³)表示20摄氏度空气的密度，α为等离子体热能占内能的比例，通常取0.25；I₀(GW/cm²)为激光的功率密度，同时I₀与激光各参数的关系满足式

式中I₀(GW/cm²)为功率密度，P(GW)为平均功率，f(Hz)是激光频率，τ(s)为激光脉宽，A(cm²)为激光的光斑面积，若激光功率密度为I₀，激光单脉冲能量为E，脉宽为τ，光斑面积为A，则它们的关系将满足式(3):

将上述的参数带入式(3)中求得激光功率密度I_o，再将求得的I₀带入式(1)中可以求得材料受到的激光压力的峰值P_max(GP_a)。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明操作简单易于实现，在图1中悬臂梁结构上采用上下对称的测试质量块对振动加速度信号进行检测，能够增加振动扰动量和光纤光栅的微弯量，能够对振动加速度进行检测，具有方便操作、灵敏度高、抗电磁干扰等优点；振动系统采用全光脉冲冲击驱动的方式，高功率的脉冲激光束聚焦后辐射在所述悬臂梁(5)的敏感材料上时，由于辐射区内吸收了激光的能量，形成一道等离子冲击波，能够有效地减小因环境噪声和温度带来的信号噪声和失真，让测试效果更准确，性能更稳定；使用刻槽型光纤光栅，其具有特殊的刻槽型结构，对微小的振动量都能很灵敏的感测，能测出受到弯矩作用而产生应变的情况，使得测量精度提高；图2采用电动分度头可以实现对物体角速率的检测；

随着我国科技不断的向前发展，航空、军民安防、管道泄漏监测等领域对光纤振动传感性能的要求越来越高，传统型的光纤振动传感大多数是基于被测体受到轴向力作用的假设，在一定程度上受扰度不同影响测试振动测试性能的效果，且成本高，很难满足现代社会的需求。本发明主要通过检测光信号变化转换为测量载体的加速度及振幅，结构简单，工艺成本低且不会受到物体振动方向的限制，具有实际的应用价值。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例光纤型振动传感测量系统的示意图。

图2振动悬臂梁弯曲模型图。

图3全光驱动示意图。

图4刻槽型光纤光栅的结构示意图。

图5为光纤型振动传感器监测模块示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，

如图1所示为本发明的光纤型振动传感测量系统的工作原理。脉冲光源信号产生一定光信号，沿着传输光纤方向进行传递，信号光由光纤端传输至接口端，接口端将光信号分别传输至光纤段，其中经光纤段连接到电源端；光纤段的光信号会传输到可变光衰减器中，经过可变衰减器的光信号经过光纤传入到光纤偏振控制器中，经过相应的信号处理后进入光电探测模块进行测量。光驱动下使得悬臂梁产生振动，光信号通过光隔离器及耦合器后可以检测光纤端面，测试质量块可以实现振动振幅及加速度信号的探测，加速度产生悬臂梁的相对位移变化来转换为光信号的变化，检测光信号变化转换为测量载体的加速度及振幅。光纤型振动传感测试系统主要包括振动系统及检测系统，振动装置包括：通过上下对称的质量块6固定在敏感悬臂梁5的末端，悬臂梁的另外一段作为固定端，固定端连接支撑梁3进而构成一个振动结构，刻槽型光纤光栅4黏贴在悬臂梁的上面。振动系统通过悬臂梁与外部支撑结构体连接器7进行相应的衔接，光脉冲9所产生的压力可以达到驱动机械振动的作用，带动振动质量块在平衡位置附近进行振动，进而产生线动量。检测系统会对悬臂梁振动的振幅进行检测。单脉冲能量与振动梁的最大振幅成正相关的关系。敏感臂的长度主要通过质量块6大小及在受迫振动时的波长决定。振动部件因受到驱动工作在第一振动模态也称驱动模态；当在第一振动模态垂直方向有输入时，这时振动部件效应就会产生一个第一振动模态下的第二振动模态也称敏感模态，并且该模态与振动强度成正比关系。

所述的探测模块主要包括X轴方向及Z轴方向平面探测模块和支撑模块。

所述的支撑模块包括支撑梁3、悬臂梁5、支撑梁刚性梁7。

(1)如图2是振动悬臂梁弯曲模型图。首先对刻槽型光纤光栅4在悬臂梁的黏贴点进行分析。用ANSYS有限元软件对悬臂梁进行建模仿真计算，分析不同振动情况下悬臂梁位移和应力分布参数，对所得的参数进行整理分析从中得出位移和能量最敏感点作为光纤光栅的黏贴点；将光纤2在悬臂梁一端固定10，另一端施加一个应力，将有刻槽型光纤光栅的一端固定。通过仿真分析可知，无论悬臂梁自由端放置多大的质量块，其位移分布和应力分布都有相同的规律：离质量块6越近即离固定端越远的点，位移越大；离质量块越远即离固定端越近的黏贴点10，应力越大即弯曲形变越大；

(2)如图3为全光驱动系统示意图。当高功率的脉冲激光束聚焦后辐射在悬臂梁上时，由于辐射区内吸收了激光的能量，将在其表面产生一团高温高压的等离子体。这些离子体不断吸收来自激光的能量，并迅速向四周的介质中扩张，进而形成一道等离子冲击波，受反作用力的作用，辐射靶面将受到一个阵面陡峭的面冲击载荷。如图3所示。形成相应的冲击，激光冲击波的峰压和光斑面积、激光的频率、激光平均功率、脉宽、靶材的属性特征都有关系，合理选择激光的参数进行适当优化，将会极大地提高激光冲击波的驱动效果。

根据这个过程中的能量守恒定律，提出了材料受到的峰值压力的计算公式：

在该式中，ρ₀(g/cm³)表示20摄氏度空气的密度，α为等离子体热能占内能的比例，通常取0.25；I₀(GW/cm²)为激光的功率密度。同时I₀与激光各参数的关系满足式

式中I₀(GW/cm²)为功率密度，P(GW)为平均功率，f(Hz)是激光频率，τ(s)为激光脉宽，A(cm²)为激光的光斑面积。若激光功率密度为I₀，激光单脉冲能量为E，脉宽为τ，光斑面积为A，则它们的关系将满足式(3):

将上述的参数带入式(3)中求得激光功率密度I_o，再将求得的I₀带入式(1)中可以求得材料受到的激光压力的峰值P_max(GP_a)

激光的单脉冲能量6越大，产生的等离子团就越大，故诱导产生的冲击波也越强继而激发的振动幅度就越大。事实上，激光冲击波实验中很多导致振动发生突变的因素，首先，激光等离子体的作用本身就是一个高度的非线性过程，在等离子体产生和溃灭的前后不断发生着逆韧致吸收和共振吸收等光子和电子的能量交换，相当一部分能量转换为材料和空气的内能以及光波辐射。此外，激光对悬臂梁材料的作用也有不确定性，比如材料表面的氧化程度以及材料受到激光热效应后的变形程度等等。

(3)如图4所示为刻槽型光纤光栅的结构示意图。刻槽型光纤光栅主要是由光纤包层及纤芯构成，刻槽结构区只存在单侧区域，当外界施加一定的光驱动作用于敏感臂上，臂上会导致相应振动，会导致悬臂梁发生弯曲，刻槽型光纤光栅在弯曲下会发生一定的褶皱型结构，从而激发高阶包层模的耦合，使得光传输谱发生相应的变化。

(4)如图5位光纤型振动传感器监测模块示意图。激光器发射的光束通过第一段光纤射入分光镜，由分光镜分成两束并分别进入光纤段形成信号光、参考光，并形成信号臂、参考臂。信号光由光纤端传输至接口端，接口端将光信号分别传输至光纤段，其中经光纤段连接到电源端；光纤段的光信号会传输到可变光衰减器中，经过可变衰减器的光信号经过光纤传入到光纤偏振控制器中，经过相应的信号处理后进入探测模块进行测量。测量后光纤段输入平衡光探测器将光信号进行转化为电信号。最后将信号传输到电子频谱分析仪上。光隔离器是容易变的，可以通过光电二极管来实现，隔离器通过光纤连接到光耦合器中，主要通过检测光信号变化转换为测量载体的加速度及振幅。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种光纤型振动传感测量系统，包括振动系统，所述振动系统包括支撑梁(3)，悬臂梁(5)，光源(1)，所述悬臂梁(5)垂直设置于支撑梁(3)上，所述支撑梁(3)固定安装在支撑梁刚性梁(7)上，所述悬臂梁(5)上固定有一光纤(2)，其特征在于，在所述光纤(2)上选择一位移和能量最敏感点作为光纤光栅(4)的黏贴点，所述悬臂梁(5)采用光敏感材料，通过在所述质量块(6)上方采用全光脉冲(9)使得悬臂梁(5)振动，所述全光脉冲(9)采用全光驱动系统，且在悬臂梁(5)的末端位置处上下对称设置有质量块(6)，通过设置一光检测系统测量振动加速度及振幅信号。

2.根据权利要求1所述的光纤型振动传感测量系统，其特征在于：所述全光驱动系统主要包括激光光源、将光束进行3DB分光的光耦合器、减少反射光对光谱输出功率稳定性产生不良影响的光隔离器、调节光相位的相位调制器、用于探测干涉条纹的光电探测器、用于感测外界变化的刻槽型光纤光栅与悬臂梁间形成的F-P干涉仪，所述刻槽光纤光栅在悬臂梁上粘贴位置的选取是通过对悬臂梁不同粘贴位置的应力、扰度进行分析，分别计算出悬臂梁自由端的扰度、作用力量程及光纤的最大微应变，选择最佳粘贴点；所述激光光源发出的激光通过3dB光耦合器耦合进光纤，以便光功率可以均等的分开到悬臂梁上，然后光功率在3dB耦合器里面进行传输并分别到达F-P干涉仪，一部分信号将进入光检测器，通过相应光纤光栅波长及衰减的变化可以测出振动的频率、幅度及加速度大小。

3.根据权利要求1或2所述的光纤型振动传感测量系统，其特征在于：所述振动系统还包括电动分度头，所述电动分度头不旋转时当作支撑块，在旋转时可以实现对物体角速率的检测，刚性悬臂梁在转动的过程中，由于质量块重力作用会产生周期性形变，检测周期性形变就可以得到周期性信号，通过光束与光路输出的光束经过光电探测器可以形成电信号，将电信号作为输入接入到频谱分析仪中通过两路信号之间的频率变化解算周期性信号就得出刚性结构的转动角速度。

4.根据权利要求1或2所述的光纤型振动传感测量系统，其特征在于：所述光检测系统包括激光器、分光镜、通过衰减传输光功率来实现对信号的实时控制的可变光衰减器、用于对光产生的不同偏振进行控制的光纤偏振控制器、用于提高光探测器接收信号的平衡光探测器和显示输入信号频谱特性的电子频谱分析仪；

所述激光器发射的光束通过光纤射入分光镜，所述分光镜将光束分成信号光和参考光；所述信号光传输至第一可变光衰减器衰减传输光功率后再传入光纤偏振控制器，经过信号变化后通过光电探测器进行测量；测量后通过光纤输入平衡光探测器并将光信号转化为电信号；所述参考光经过光纤传输至第二可变光衰减器后再传输至平衡光探测器将光信号转化为电信号；所述平衡光探测器将电信号传输至电子频谱分析仪。

5.根据权利要求2所述的光纤型振动传感测量系统，其特征在于：所述刻槽型光纤光栅主要是由光纤包层及纤芯构成，刻槽结构区只存在单侧区域，当施加一定的全光脉冲(9)驱动作用于敏感悬臂梁上时，悬臂梁上会导致相应振动，会导致悬臂梁发生弯曲，刻槽型光纤光栅在弯曲下会发生一定的褶皱型结构，从而激发包层模的耦合，使得光传输谱发生相应的变化。

6.根据权利要求2所述的光纤型振动传感测量系统，其特征在于：当高功率的脉冲激光束聚焦后辐射在所述悬臂梁(5)的敏感材料上时，由于辐射区内吸收了激光的能量，将在其表面产生一团高温高压的等离子体，这些离子体不断吸收来自激光的能量，并迅速向四周的介质中扩张，进而形成一道等离子冲击波，受反作用力的作用，辐射靶面将受到一个阵面陡峭的面冲击载荷，材料受到的峰值压力的计算公式：

$P_{\max }\left({\mathrm{GP}}_a\right)=3.22\left(\frac{\mathrm{\α}}{2\mathrm{\α}+2}\right)\×{\mathrm{\ρ}}_0^{1/3}(g/{\mathrm{cm}}^3)\×I_0^{2/3}(GW/{\mathrm{cm}}^2)---\left(1\right)$

在该式中，ρ₀(g/cm³)表示20摄氏度空气的密度，α为等离子体热能占内能的比例，通常取0.25；I₀(GW/cm²)为激光的功率密度，同时I₀与激光各参数的关系满足式

$I_0(GW/{\mathrm{cm}}^2)=\frac{P\left(GW\right)}{f\left(Hz\right)\mathrm{\τ}\left(s\right)A\left({\mathrm{cm}}^2\right)}---\left(2\right)$

式中I₀(GW/cm²)为功率密度，P(GW)为平均功率，f(Hz)是激光频率，τ(s)为激光脉宽，A(cm²)为激光的光斑面积，若激光功率密度为I₀，激光单脉冲能量为E，脉宽为τ，光斑面积为A，则它们的关系将满足式(3):

$I_0=\frac{E}{\mathrm{\τ}A}---\left(3\right)$

将上述的参数带入式(3)中求得激光功率密度I_o，再将求得的I₀带入式(1)中可以求得材料受到的激光压力的峰值P_max(GP_a)。