CN107677398A - 一种双光纤光栅振动/应力复合传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双光纤光栅振动/应力复合传感器，包括弹性夹层，光纤光栅一和光纤光栅二。光纤光栅一黏贴在弹性夹层的上表面，光纤光栅二黏贴在弹性夹层下表面。光纤光栅一和光纤光栅二的长度、布拉格波长、3dB带宽相同。该双光纤光栅振动/应力复合传感器工作时，弹性夹层底部黏贴在待测零部件的表面。本发明能够避免环境温度变化带来的干扰，同时测量振动信号和应力信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种双光纤光栅振动/应力复合传感器，尤其是在温度环境变化的情况下，实现振动及应力信号测量的光纤光栅传感器。
背景技术
光纤传感器作为传感器的一种类别，有着繁多的种类，能够监测温度、振动、应力、应变、压力和化学溶剂的浓度等物理化学参量，因此可根据不同的使用场合、要求，选用不同类型的传感器。
光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、抗腐蚀等优点。除此之外，光纤光栅传感器还具有体积小、重量轻，纤细柔软，容易制成简单的传感器结构，容易实现分布式测量等优点，在很多工程领域中有着重要的应用。以航空航天领域为例，卫星所在的外太空环境存在较强的电磁干扰，并且昼夜温差较大，使用传统的压电或压阻式传感器时需对其进行特殊的封装设计以保证传感器能够正常工作，而光纤光栅传感器抗电磁干扰能力强，使用时无需特殊的封装结构，因此能够进一步减小卫星的总质量，减小卫星的制造、发射成本。光纤光栅传感器体积小、质量轻、抗电磁干扰能力和抗腐蚀能力强，因此适用于航空、航天发动机中极端环境下对振动、应力等重要参量的测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够避免环境温度变化带来的干扰，同时测量振动信号和应力信号的双光纤光栅传感器。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种双光纤光栅振动/应力复合传感器，包括弹性夹层，光纤光栅一和光纤光栅二。光纤光栅一黏贴在弹性夹层的上表面，光纤光栅二黏贴在弹性夹层下表面。
光纤光栅一和光纤光栅二的长度、布拉格波长、3dB带宽相同。
该双光纤光栅振动/应力复合传感器工作时，弹性夹层底部黏贴在待测零部件的表面。
当该双光纤光栅振动/应力复合传感器所处的环境存在竖直方向上的振动或沿光纤光栅一和光纤光栅二轴向上的应力时，振动或应力引起待测零部件表面产生应变，光纤光栅一和光纤光栅二均随之产生相应的应变，反射回的光信号强度产生变化，但由于弹性夹层的存在，光纤光栅一和光纤光栅二产生的应变量不同，且成固定比例，经光纤光栅一和光纤光栅二反射回的光强变化量不同，且成固定比例。而环境温度变化引起的光纤光栅一和光纤光栅二应变量相同，即由温度变化引起的经光纤光栅一和光纤光栅二反射回的光强变化量相同。因此经光纤光栅一和光纤光栅二反射回的光强变化量只包含振动、应力信号。又因为应力变化频率低于振动的频率，对光纤光栅一和光纤光栅二反射回的光强变化量之间的差值进行低通滤波即可得到环境中沿光纤光栅一和光纤光栅二轴向应力的信号，而对该差值进行高通滤波，即可得到垂直于双光纤光栅振动/应力复合传感器方向上的振动的信号。由此即可分别得到零部件表面的振动、应力信息。
本发明与现有技术相比，具有以下技术优势：
1、用于测量的两个光纤光栅的空间位置几乎重合，能够极大地提高测量的空间分辨率。
2、相比于传统振动、应力传感器，该双光纤光栅振动/应力复合传感器能够同时测量振动和应力信号，所占空间更小，且布置方便，有利于传感器件的集成化发展。
3、能够有效排除环境温度的变化对振动信号、温度信号测量结果的干扰。
4、该双光纤光栅振动/应力复合传感器允许使用光强式的后端探测解调设备，成本较低，使用方便，结果直观。
附图说明
图1是传感器测量时的光路布置示意图；
图2是传感器结构示意图；
图3是传感器结构右视图；
图4是传感器结构后视图。
具体实施方式
该双光纤光栅振动/应力复合传感器工作时，弹性夹层1-1底部黏贴在待测零部件的表面。
单色光源4产生的光信号的波长在光纤光栅一1-2和光纤光栅二1-3反射谱的线性区域内。单色光源4产生的光信号通过光纤传输到光纤耦合器二2-2中，通过光纤耦合器二2-2的光线号，其强度被平均分为两部分，分别射入光纤耦合器一2-1和光纤耦合器三2-3，然后射入双光纤光栅振动/应力复合传感器1中。光纤光栅一1-2反射的光信号通过光纤耦合器三2-3后射入光强解调器二3-2中。光纤光栅二1-3反射的光信号通过耦合器一2-1后射入光强解调器一3-1中。光纤光栅一1-2和光纤光栅二1-3的长度、布拉格波长、3dB带宽相同。
当光纤光栅一1-2和光纤光栅二1-3不存在轴向应变时，经光纤光栅一1-2、光纤光栅二1-3反射后进入光强解调器二3-2、光强解调器一3-1的光强大小相同。
当测量环境中存在温度变化时，因光纤光栅一1-2和光纤光栅1-3的长度、布拉格波长、3dB带宽均相同，所以光纤光栅一1-2和光纤光栅二1-3由于温度变化引起的反射谱中心漂移量相同，光强解调器二3-2和光强解调器一3-1接收到的光强变化量相同。
当该双光纤光栅振动/应力复合传感器1所处的环境存在竖直方向上的振动时，振动引起待测零部件表面产生周期性挠曲，并带动紧贴在零部件表面的光纤光栅二1-3沿光纤轴向产生相应的周期性应变。由于拉伸作用和光弹效应，光纤光栅二1-3的反射谱中心随之改变，经光纤光栅二1-3反射后进入光强解调器一3-1的光强大小随之产生周期性变化。光纤光栅一1-2黏贴在弹性夹层1-1的上表面，零部件表面的挠曲经过弹性夹层1-1衰减后传递给光纤光栅一1-1的挠曲减小，即光纤光栅一1-2由振动信号引起的轴向应变量小于光纤光栅二1-2产生的应变量，且光纤光栅一1-2和光纤光栅二1-3产生的应变量在每个时刻均成固定比例，每个时刻光强解调器一3-1和光强解调器二3-2接收到的光强的变化量成固定比例。由于单色光源4产生的单色光的波长在光纤光栅一1-2和光纤光栅二1-3反射谱的线性区域内，光强解调器一3-1和光强解调器3-2接收到的光强变化量的幅值和待测零部件的振幅成线性关系。
当待测零部件存在沿光纤光栅一1-2和光纤光栅二1-3轴向上的应力时，该应力引起工件表面产生拉伸或压缩，光纤光栅一1-2和光纤光栅二1-3随之产生拉伸或压缩。由于弹性夹层1-1对应力的衰减作用，光纤光栅一1-2的轴向应变量小于光纤光栅二1-3产生的应变量，且光纤光栅一1-2和光纤光栅二1-3的应变量成固定比例，光强解调器一3-1和光强解调器二3-2接收到的光强变化量成固定比例。由于单色光源4产生的单色光的波长在光纤光栅一1-2和光纤光栅二1-3反射谱的线性区域内，光强解调器一3-1和光强解调器3-2接收到的光强变化量和待测零部件表面应力大小成线性关系。
当测量环境中同时存在垂直于双光纤光栅振动/应力复合传感器1方向上的振动，沿光纤光栅一1-2和光纤光栅二1-3轴向的应力以及温度变化时，因温度变化引起的射入光强探测器一3-1和光强探测器二3-2的光强变化量相同，而由于振动或应力信号引起的射入光强探测器一3-1和光强探测器二3-2的光强变化量不同，因此光强探测器一3-1显示的光强和光强探测器二3-2显示的光强之间的差值只反应振动、应力信号，由此即可实现测量零部件表面振动、应力时，避免环境温度变化的干扰。
又因为应力变化频率低于振动的频率，对光强探测器一3-1和光强探测器二3-2探测到的光强变化量之间的差值进行低通滤波即可得到环境中沿光纤光栅一1-2和光纤光栅二1-3轴向应力的信号，而对该差值进行高通滤波，即可得到垂直于双光纤光栅振动/应力复合传感器1方向上振动的信号。由此即可分别得到零部件表面的振动、应力信息。
Claims (4)
1.一种双光纤光栅振动/应力复合传感器，其特征在于，包括弹性夹层(1-1)，光纤光栅一(1-2)和光纤光栅二(1-3)，光纤光栅一(1-2)黏贴在弹性夹层(1-1)的上表面，光纤光栅二(1-3)黏贴在弹性夹层(1-1)下表面与光纤光栅一(1-2)对应的位置，弹性夹层(1-1)底部黏贴在待测零部件的表面，光纤光栅二(1-3)紧贴待测零部件表面。
2.根据权利要求1所述的一种双光纤光栅振动/应力复合传感器，其特征在于，光纤光栅一(1-2)和光纤光栅二(1-3)的长度、布拉格波长、3dB带宽相同。
3.根据权利要求1所述的一种双光纤光栅振动/应力复合传感器，其特征在于，在黏贴到弹性夹层(1-1)时，光纤光栅一(1-2)和光纤光栅二(1-3)的轴向相同。
4.根据权利要求1所述的一种双光纤光栅振动/应力复合传感器，其特征在于，弹性夹层(1-1)的沿光纤轴向的尺寸大于光纤光栅一(1-2)和光纤光栅二(1-3)的栅区长度，在环境温度变化时，弹性夹层(1-1)的弹性模量基本不变。
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