CN108240858A - 一种光纤光栅振动传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤光栅振动传感器，包括基体、光纤、质量块，所述光纤包括刻有光栅的光纤和裸纤；所述基体的两侧设有凹槽，所述凹槽与所述质量块的中心在一条直线上；所述光纤穿过所述质量块的中心紧致固定在所述基体两侧的凹槽内，所述质量块与所述基体通过阻尼片固定连接，使所述光纤沿轴向方向振动。光纤光栅振动传感器质量块与所述基体通过阻尼片固定连接，使得该光纤光栅振动传感器的灵敏度高，同时保证了质量块沿光纤的轴线方向振动，可测量5‑500Hz的频率及0‑50g的加速度。另外本发明提供的光纤光栅振动传感器结构简单，制作工艺简单。本发明尤其适用于在光纤传感系统中进行三轴测量的应用。

Description

一种光纤光栅振动传感器
技术领域
本发明涉及涉及一种光纤光栅振动传感器，特别是涉及一种能适用于油浸变压器等大型结构的健康监测的光纤光栅振动传感器。
背景技术
大型油浸变压器在运行时，随着运行时间的不断变长，绕线的不断老化以及高电压下产生的漏磁现象都会使铁芯和绕组产生振动。而长时间的异常振动有可能使铁芯松动或绕组变形，一旦出现这种情况，将大大降低抗击短路电流的能力，甚至可能会击穿铁芯造成铁芯与绕组的损坏，严重影响变压器的绝缘能力与使用寿命。采用光纤光栅振动传感器进行监测则可及时发现异常，降低故障。
目前监测通常采用电类振动传感，但它们易受外界干扰，特别是被测对象在强电磁干扰，高温高湿，高电压大电流等恶劣环境下，传统的传感器甚至无法工作及产生安全隐患。
光纤传感器监测与光纤信号传输完全无电，其优良的绝缘性能，不引雷，即使受到雷击，该系统仍可正常工作。目前，光纤光栅振动传感器，大多基于悬臂梁结构设计，光纤易发生啁啾现象，且传感器灵敏度较低。也有人研制了基于L梁的光纤光栅振动传感器，同时用油来增加阻尼，但传感器工作时自由振动衰减慢，影响传感器的工作性能，而且结构复杂难以产品化。也有人研制了悬挂式光纤光栅振动传感器，但只能局限于垂直方向的测量。
发明内容
为了解决现有的光纤光栅振动传感器灵敏度低的技术问题，本发明提出一种灵敏度高的光纤光栅振动传感器。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：一种光纤光栅振动传感器，包括基体、光纤、质量块，所述光纤包括刻有光栅的光纤和裸纤；所述基体的两侧设有凹槽，所述凹槽与所述质量块的中心在一条直线上；所述光纤光栅穿过所述质量块的中心紧致固定在所述基体两侧的凹槽内，所述质量块与所述基体通过阻尼片固定连接，使所述光纤光栅沿轴向方向振动。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明提供的光纤光栅振动传感器质量块与所述基体通过阻尼片固定连接，使得该光纤光栅振动传感器的灵敏度高，同时保证了质量块沿光纤光栅的轴线方向振动，可测量5-500Hz的频率及0-50g的加速度。另外本发明提供的光纤光栅振动传感器结构简单，制作工艺简单。
附图说明
图1为本发明光纤光栅振动传感器的立体图。
图2为本发明光纤光栅振动传感器的内部结构示意图。
图3为本发明光纤光栅振动传感器的俯视图。
图4为本发明实施例中光纤光栅振动传感器的幅频特征曲线图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
实施例1
图1为一种光纤光栅振动传感器的立体图，具体内部结构如图2所示，包括基体7、光纤2、质量块5，所述基体7的两侧设有凹槽6，所述光纤包括刻有光栅的光纤和裸纤；所述凹槽6与所述质量块5的中心1在一条直线上，所述光纤2穿过所述质量块5的中心1紧致固定在所述基体7两侧的凹槽内，所述质量块5与所述基体7通过阻尼片4固定连接，使所述光纤2沿轴向方向振动；还包括保护套管8及螺旋保护管9，所述基体7一侧的凹槽穿出的光纤穿过所述保护套管8，所述螺旋保护管9套住所述保护套管8。
在本实施例中，所述阻尼片与所述基体垂直，阻尼片的阻尼比的调节标准为0.707，所述阻尼片的阻尼比为0.3，在某些实施例中，阻尼片的阻尼比为0.2-0.707。
在本实施例中，所述质量块在所述基体的中心位置上，所述质量块的中心为横向中心。
在本实施例中，所述质量块与所述基体通过阻尼片固定连接方式为一体成型；所述质量块的质量为1g，所述阻尼片的长度为2mm、宽度为1.2mm、厚度为0.4mm。
在本实施例中，所述光栅设置在所述质量块与所述基体的一侧之间；所述光纤的数量等于1，所述光栅的数量为1。
在本实施例中，所述质量块的形状为圆柱体。
在本具体实施例中，如图4所示，所述光纤光栅振动传感器在50-500Hz的区域内具有良好的幅频特性区域，说明所述光纤光栅振动传感器具有良好的幅频特性，本发明所设计的光纤光栅振动传感器具有优越的性能。
在其他的实施例中，光纤光栅振动传感器在5-500Hz的区域内也具有良好的幅频特性区域。
在其他实施例中，所述质量块与所述基体通过阻尼片固定连接方式还包括焊接；所述质量块的质量可以为1g-2g，所述阻尼片的长度可以为2-3mm、宽度可以为1.2-1.4mm、厚度可以为0.3-0.5mm。
在其他实施例中，所述光纤的数量可以大于等于1，所述光栅的数量为1。
具体地，所述光纤光栅振动传感器还可以包括上盖板和下盖板，用于将所述光纤光栅振动传感器密封起来。
在其他实施例中，所述质量块的形状还可以为球体。
实施例2
本发明还提供了一种如上述任一所述的光纤光栅振动传感器的制作方法，包括以下步骤：
S1、光纤均匀涂覆一层涂覆材料，将光纤对应的点胶位上所述的涂覆材料进行剥离；
S2、将所述光纤放置在基体的凹槽及质量块的中心位置，先将所述光纤的点胶位与所述质量块用胶水固定在一起，再对所述光纤沿所述基体两侧的凹槽方向施加一定的拉力，在所述基体两侧的凹槽处再点胶进行固定；
S3、所述基体一侧的凹槽穿出的光纤穿过保护套管，螺旋保护管套住所述保护套管，之后用上下盖板把光纤光栅振动传感器密封起来。
具体地，所述涂覆材料包括聚丙酸烯酯或聚酰亚胺。
本发明另外还提供了上述任一所述的光纤光栅振动传感器在光纤传感系统中进行三轴测量的应用。
实施例3
上述实施例1中的光纤光栅振动传感器是根据光纤光栅振动传感器的优化方法进行设计，所述纤光栅振动传感器的优化方法包括：
一种光纤光栅振动传感器的参数设计方法，所述光纤光栅振动传感器包括基体、光纤、振子，所述光纤包括刻有光栅的光纤和裸纤；所述基体的两侧设有凹槽；所述凹槽与所述振子的中心在一条直线上；所述光纤穿过所述振子的中心紧致固定在所述基体两侧的凹槽内；所述振子与所述基体通过阻尼片固定连接，使所述光纤沿轴向方向振动，包括步骤：S1、设定光纤光栅振动传感器的固有频率或所述光纤光栅振动传感器所需灵敏度；S2、选定所述光纤的种类，确定光纤杨氏模量和光纤横截面积；S3、结合步骤S2中确定的光纤杨氏模量和光纤横截面积，通过调整基体两侧光纤的数量及有效长度，获取光纤的等效弹性系数；S4、根据步骤S3中获取的所述光纤的等效弹性系数结合步骤S1中所述固有频率确定振子质量，或根据步骤S2中确定光纤杨氏模量和光纤横截面积及步骤S3中确定的基体一侧刻有光栅的光纤有效长度结合步骤S1中的灵敏度确定振子质量；S5、根据步骤S4中确定的振子质量获取所述固有频率或所述灵敏度。
具体地，所述光纤的种类包括石英单模光纤。
具体地，在步骤S3中，所述调整基体两侧光纤的数量及有效长度的步骤包括：
D1、设定所述基体两侧光纤的数量；
D2、调节所述基体两侧光纤的有效长度。
具体地，在步骤S3中，所述调整基体两侧光纤的数量及有效长度的步骤包括：
T1、设定所述基体两侧光纤的有效长度；
T2、调节所述基体两侧光纤的数量。
具体地，所述光纤的等效弹性系数的表达式为其中，E表示光纤的杨氏模量，S表示光纤的截面积，d表示基体一侧刻有光栅的光纤的数量，p表示基体另一侧无光栅的光纤的数量，x表示基体一侧刻有光栅的光纤有效长度,y表示基体另一侧无光栅的光纤有效长度，x≠0,y≠0，d≠0,p≠0。
具体地，所述振子质量的表达式为m＝k/[(2π)2×fn2]，其中，k为光纤的等效弹性系数，fn为光纤光栅振动传感器的固有频率。
具体地，所述灵敏度的表达式为其中，m表示振子质量，λB表示光纤初始波长，E表示光纤的杨氏模量，S表示光纤的截面积，g表示重力加速度，d表示基体一侧刻有光栅的光纤的数量。
进一步地，还包括调节阻尼片的阻尼比，用来提高所述光纤光栅振动传感器的幅频特性。
具体地，所述阻尼片的阻尼比ξ的调节标准为0.707，所述阻尼片的材料包括铜。
需要说明的是，本发明提供的光纤光栅振动传感器由质量-弹簧系统构成，进行振动检测时，通过安装孔将传感器固定在被测物件上，当发生振动时会使得传感器外壳和质量块之间发生相对运动，使光纤在其轴向受到应力的作用而产生拉伸或压缩，其光纤中心波长随之发生漂移。通过测量光纤中心波长的漂移量的大小和变化频率即可实现对振动频率及加速度的测量。具体地，采用高速解调仪采集光纤光栅振动传感器的波长后，用离散傅氏变换的快速算法(FFT)能解调出光纤光栅振动传感器当前频率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤光栅振动传感器，其特征在于：包括基体、光纤、质量块，所述光纤包括刻有光栅的光纤和裸纤；所述基体的两侧设有凹槽，所述凹槽与所述质量块的中心在一条直线上；所述光纤穿过所述质量块的中心紧致固定在所述基体两侧的凹槽内，所述质量块与所述基体通过阻尼片固定连接，使所述光纤沿轴向方向振动。
2.如权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述阻尼片与所述基体垂直，所述阻尼片的阻尼比以0.707为标准。
3.如权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述质量块在所述基体的中心位置上，所述质量块的中心包括横向中心或纵向中心。
4.如权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述质量块与所述基体通过阻尼片固定连接的方式包括一体成型或焊接；所述质量块的质量为1g-2g，所述阻尼片的长度为2-3mm、宽度为1.2-1.4mm、厚度为0.3-0.5mm。
5.如权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述光栅设置在所述质量块与所述基体的一侧之间；所述光纤的数量大于等于1，所述光栅的数量为1。
6.如权利要求5所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于：还包括保护套管及螺旋保护管，所述基体一侧的凹槽穿出的光纤穿过所述保护套管，所述螺旋保护管套住所述保护套管。
7.如权利要求1-6任一所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于：还包括上盖板和下盖板，用于将所述光纤光栅振动传感器密封起来。
8.如权利要求1-6任一所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述质量块的形状包括圆柱体或球体。
9.一种如权利要求1-8任一所述的光纤光栅振动传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、光纤光栅均匀涂覆一层涂覆材料，将光纤对应的点胶位上所述的涂覆材料进行剥离；
S2、将所述光纤放置在基体的凹槽及质量块的中心位置，先将所述光纤的点胶位与所述质量块用胶水固定在一起，再对所述光纤沿所述基体两侧的凹槽方向施加一定的拉力，在所述基体两侧的凹槽处再点胶进行固定。
S3、所述基体一侧的凹槽穿出的光纤穿过保护套管，螺旋保护管套住所述保护套管，之后用上下盖板把光纤光栅振动传感器密封起来。
10.一种如权利要求1-8任一所述的光纤光栅振动传感器在光纤传感系统中进行三轴测量的应用。
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