CN108362777B - 振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置，包括基于微纳光纤的光纤光栅，在基于微纳光纤的光纤光栅外包覆有碳纤维，碳纤维外设有银涂覆层。本发明振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置，具有不带电、抗电磁干扰、耐久性好、结构简单、布局紧凑、灵敏度高、响应范围广和实时监测等优点，对于声发射信号的探测可自行抑制噪声；可满足工程建设、结构健康监测、矿产开发、航空航天、精密测量等领域的振动或声发射信号的传感需求，特别是对传感器有长时间工作、防爆、小型化且抗电磁干扰的场合。
Description
技术领域
本发明涉及振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置，属于光电子测试及结构健康监测领域。
背景技术
大型土木工程结构、水利设施及各种机械在运行过程中经常会产生微小的振动，同时当结构、设施在异常运行状态时也会产生不同频率的微弱振动及声发射信号。很多情况下，需要对这些信号进行探测以充分了解结构、设施的运行状态，对出现的问题及时进行处理。此外，对声发射信号的探测也有利于对结构或设备的声发射特征进行研究，从而更加深入了解其声发射机理并加以利用。
采用光纤光栅对微振动或声发射信号进行感知的一种常见型式为，利用悬浮光纤光栅与待测部件的共振，对振幅进行放大，并通过对光纤光栅的谐振波长或输出光强进行探测，从而对待测部件的微振动进行测量。采用光纤光栅对微振动或声发射信号进行测量的另一种常见型式为，将光纤光栅粘贴在等强度悬臂梁表面作为传感部件，在外界振动的激励下等强度悬臂梁发生振动，从而导致光纤光栅产生轴向应变，对外界振动进行感知。这两种方法均可以测得较微弱的振动，但传感部件的构成均较为复杂，且尺寸较大，难以适应一些对传感部件尺寸有严格要求的场合。此外，传统的声发射传感器大多采用压电材料等作为传感部件，通过将振动信号转换为电信号进行感测。基于电信号进行传感的设备普遍存在受电磁干扰影响大、无法满足防爆要求等缺点。
目前常见的光纤光栅振动或声发射传感器通常采用间接测量的方法对外界振动进行传感，例如将光纤光栅粘贴在悬臂梁上作为传感部件感测外界振动的方法。悬臂梁振动过程中，其表面应变同时取决于悬臂梁的振幅及悬臂梁的厚度：悬臂梁厚度一定的情况下，振幅越大，则表面应变越大；悬臂梁振幅一定的情况下，厚度越大，则表面应变越大。因此可采用两种途径提高感测精度，即增大悬臂梁的振动幅度或增加悬臂梁的厚度。然而，对于某一特定频率和振幅的振动，若要提高感测精度，只能通过增大悬臂梁的厚度实现。为保持悬臂梁的自振频率与振动源的频率接近，增大悬臂梁厚度的同时必须增大悬臂梁的长度，这将导致传感部件尺寸的增大。同时，通过测量悬臂梁的表面应变对振动进行感知，实际上经过了振动源→悬臂梁振动→悬臂梁表面应变→光纤光栅轴向应变的多个转换过程，这势必将增大系统误差从而降低感测精度。相比于上述方法，本发明通过附有碳纤维及银涂覆层的基于微纳光纤的光纤光栅自身的振动，直接对信号进行测量，其测量过程为振动源→基于微纳光纤的光纤光栅轴向应变，该测量过程简单、直接，极大地降低了传感部件的复杂性，提高了传感精度。由于环境原因，传统振动传感器在长时间使用过程中，可能由于部件锈蚀等原因造成感测精度降低。本发明可通过信号发生器驱动压电陶瓷振动，带动基于微纳光纤的光纤光栅产生纵向振动，以对其传感性能进行评估并重新校验传感参数，降低了由于传感单元疲劳等原因对感测精度造成的影响。此外，本发明可通过信号发生器改变压电陶瓷的驱动电压，从而改变基于微纳光纤的光纤光栅的自振频率，实现响应范围的动态可调。由于声发射信号具有特定的频率范围，本发明在对声发射信号进行检测时，可先通过压电陶瓷调整基于微纳光纤的光纤光栅的自振频率，以实现对特定声发射信号的测量。而对于振动频率与声发射信号不同的噪声，则由于无法发生共振而被抑制。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置，极大地缩小了传感部件的尺寸、降低了系统误差、提高了感测精度。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置，包括基于微纳光纤的光纤光栅，在基于微纳光纤的光纤光栅外包覆有碳纤维，碳纤维外设有银涂覆层。
作为优选，所述基于微纳光纤的光纤光栅横跨U型支架凹槽，两端分别与U型支架的两壁可靠固定。
作为优选，所述基于微纳光纤的光纤光栅为微纳光纤布拉格光栅，即NFBG。
作为优选，所述第一光纤的一端a与光纤光栅解调仪连接，将第一光纤的另一端b与附有碳纤维及银涂覆层的NFBG一端a熔接，将第一光纤的端b与NFBG的端a的熔接点部位可靠固定在U型支架的一侧壁a上，将NFBG的另一端b可靠固定在U型支架的另一侧壁b上。将压电陶瓷通过导线与信号发生器连接，若使用场合不允许带电，则可不采用导线连接压电陶瓷。其中第一光纤为普通单模光纤。其感测原理为：NFBG的谐振波长变化与其轴向应变呈正比。将振弦固定于U形支架上，并使其横跨支架两侧壁。若待测振动与振弦的自振频率较为接近，则振弦与被测物体发生共振，从而对待测振动进行放大。由于振弦发生横向振动，NFBG将产生轴向应变，利用光纤光栅解调仪对反射光谱进行分析，通过测量反射或透射光谱波长的变化，对待测振动进行感测。
作为优选，第三光纤的一端a与单一频率激光器连接，将第三光纤的另一端b与光环形器的端口1连接，将光环形器的端口2与第一光纤的一端a连接，将第一光纤的另一端b与附有碳纤维及银涂覆层的NFBG一端a熔接，用第二光纤将光环形器的端口3与光功率仪连接，将第一光纤端b与NFBG端a的熔接点可靠固定在U型支架的一侧壁a上，NFBG的另一端b可靠固定在U型支架的另一侧壁b上。将压电陶瓷通过导线与信号发生器连接，若使用场合不允许带电，则可不采用导线连接压电陶瓷。其中第一光纤、第二光纤和第三光纤均为普通单模光纤。其感测原理为：NFBG对波长等于其谐振波长λ0的入射光反射率最高，当入射光波长略小于或略大于该谐振波长时，NFBG对其的反射率近似线性减小。当NFBG产生较小的应变使其谐振波长由λ0变为λt时，对波长仍为λ0的入射光反射率近似线性减小。该型式传感装置的灵敏度更高，但单次测量的响应范围较小，需不断调整压电陶瓷的驱动电压以实现较大频率范围内振动的感测。此外，采用光功率探测的方法亦具有感测结果易受环境影响的缺点。
作为优选，所述基于微纳光纤的光纤光栅为微纳长周期光纤光栅，即NLPFG。附有碳纤维及银涂覆层的NFBG和NLPFG的制作方法为采用磁控溅射法，分别在附有碳纤维的NFBG、NLPFG表面制作银涂覆层。附有碳纤维及银涂覆层的微纳光纤布拉格光栅或附有碳纤维及银涂覆层的微纳长周期光纤光栅(以下统称“振弦”)两端与两根不同的单模光纤熔接，将振弦横跨U形支架，可靠固定于支架两侧壁上，固定部位为振弦与单模光纤的熔接点。振弦与U形支架构成装置的传感部件。
作为优选，所述将第一光纤的一端a与光纤光栅解调仪连接，将第一光纤的另一端b与附有碳纤维及银涂覆层的NLPFG的一端a熔接，将附有碳纤维及银涂覆层的NLPFG的另一端b与第二光纤的一端a熔接，将第二光纤的另一端b连接至光纤光栅解调仪，将第一光纤端b与NLPFG端a的熔接点可靠固定在U形支架的一侧壁a上，将第二光纤端a与NLPFG端b的熔接点可靠固定在U形支架的另一侧壁b上，压电陶瓷安装在U形支架的壁上，将压电陶瓷通过导线与信号发生器连接。其感测原理为：NLPFG的谐振波长变化与其轴向应变呈正比。故通过测量其谐振波长的变化即可对待测振动进行感测。
作为优选，所述第一光纤的一端a与单一频率激光源连接，将第一光纤的另一端b与附有碳纤维及银涂覆层的NLPFG的一端a熔接，将附有碳纤维及银涂覆层的NLPFG的另一端b与第二光纤的一端a熔接，将第二光纤的另一端b与光功率仪连接，将第一光纤端b与NLPFG端a的熔接点可靠固定在U形支架的一侧壁a上，将第二光纤端a与NLPFG端b的熔接点可靠固定在U形支架的另一侧壁b上，压电陶瓷安装在U形支架的壁上，将压电陶瓷通过导线与信号发生器连接。其感测原理为：NLPFG对波长等于谐振波长λ0的入射光透射率最低，当入射光波长略小于或略大于该谐振波长时，该光栅对其透射率近似线性增大。当NLPFG产生较小的应变使其谐振波长由λ0变为λt时，对波长仍为λ0的入射光透射率近似线性增大。通过测量透射光的光功率变化即可对外界振动进行感测。该型式传感装置的灵敏度更高，但单次测量的响应范围较小，需不断调整压电陶瓷的驱动电压以实现较大频率范围内振动的感知。此外，采用光功率探测的方法亦具有感测结果易受环境影响的缺点。
作为优选，所述基于微纳光纤的光纤光栅的直径均不大于40μm。
作为优选，所述U形支架的一个侧壁与基于微纳光纤的光纤光栅连接的部位由压电陶瓷构成。
在本发明中，测量时，将该传感部件固定在待测结构物上，待测振动方向与振弦轴向垂直。若事先无法得知振动方向，则可布置两个传感部件并使其振弦的轴向相互垂直。待测结构物振动时带动振弦振动，若待测频率与振弦的自振频率一致或接近，则振弦的振动将被加强，从而产生较大的轴向应变。通过对NFBG和NLPFG的谐振波长或透射、反射光功率进行测量，即可实现对振动的感知。
本发明基于振弦与被测结构物共振的原理对振动放大并进行感测。当待测振动频率与振弦的自振频率相同或接近时，待测振动被放大，基于微纳光纤的光纤光栅产生较大的轴向应变进而其谐振波长发生改变。通过光纤光栅解调仪或光功率仪对基于微纳光纤的光纤光栅的谐振波长或光功率进行测量即可对待测振动进行感测。在考虑衰减的情况下，振动源的频率应满足下述条件：
其中Ω为待测振动的频率；T为振弦的张力；ρ为振弦的线密度；β为振弦在空气中自由振动时的衰减系数。通过式(1)即可计算出测量某频率范围内振动时所需振弦的长度，或通过调整振弦的张力来改变传感器的响应范围。本发明通过信号发生器调节压电陶瓷的伸缩来同时调整振弦的长度与张力，从而改变振弦的自振频率实现响应范围的动态可调。
通过理论分析，在实际应用中若需对振幅为50nm、频率为200kHz的声发射信号进行传感，则对材料的选择有严格的限制。若采用普通单模光纤，则传感用光纤光栅的长度将非常小(小于0.1mm)，这使其在制作上存在较大的困难。本发明通过采用直径均不大于40μm的基于微纳光纤的光纤光栅，利用碳纤维增大其的抗拉强度，并采用增加银涂覆层的方法，将振弦长度增大至约2mm，这大大简化了传感部件的制作工艺，且传感部件的结构更为紧凑，有利于传感部件的小型化、微型化。
本发明具有不带电、抗电磁干扰、耐久性好、结构简单、布局紧凑、灵敏度高、响应范围广和实时监测等优点，对于声发射信号的探测可自行抑制噪声。可满足工程建设、结构健康监测、矿产开发、航空航天、精密测量等领域的振动或声发射信号的传感需求，特别是对传感器有长时间工作、防爆、小型化且抗电磁干扰的场合。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明采用了基于微纳光纤的光纤光栅作为传感元件，具有体积小、不带电、抗电磁干扰、造价低等优点。
2、本发明采用基于微纳光纤的光纤光栅直接对振动进行测量，减小了系统误差，提高了测量的灵敏度；采用压电陶瓷对振弦自振频率进行调整，实现了响应范围的动态可调。
3、本发明可通过信号发生器驱动压电陶瓷振动，随时校验传感参数，从而降低传感部件疲劳等问题对传感精度造成的影响。
4、本发明通过共振原理放大振动信号，提高了传感器的测量进度。
附图说明
图1所示为本发明的振弦示意图。
图2所示为本发明的测量谐振波长变化的NFBG型传感装置示意图。
图3所示为本发明的测量反射光功率变化的NFBG型传感装置示意图。
图4所示为本发明的测量谐振波长变化的NLPFG型传感装置示意图。
图5所示为本发明的测量透射光功率的NLPFG型传感装置示意图。
图6所示为通过计算得到的振弦的振动模态图。
图7所示为振弦中点的振幅随时间的变化。
图8所示为振弦的应变随时间的变化。
各图中编号分别表示：1–基于微纳光纤的光纤光栅；2–碳纤维；3–银涂覆层；4–振弦；5–第一光纤；6–光纤光栅解调仪；7–U型支架；8–压电陶瓷(PZT)；9–导线；10–信号发生器；11–光环形器；12–单一频率激光源；13–光功率仪；14–第三光纤；15–第二光纤。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置，包括由微纳光纤光栅1、碳纤维2以及银涂覆层3组成的振弦。
如图2所示，测量谐振波长变化的NFBG型的装配方式为将第一光纤5的一端a与光纤光栅解调仪6连接，将第一光纤5的另一端b与附有碳纤维及银涂覆层的NFBG一端a熔接，将第一光纤5端b与NFBG端a的熔接点可靠固定在U型支架的一侧壁a上，将NFBG的端b可靠固定在U型支架的另一侧壁b上，将压电陶瓷8通过导线9与信号发生器10连接。
如图3所示，测量反射光功率变化的NFBG型的装配方式为将第三光纤14的一端a与单一频率激光源12连接，将第三光纤14的另一端b与光环形器11的端口1连接，将光环形器11的端口2与第一光纤5的一端a连接，将第一光纤5的另一端b与附有碳纤维及银涂覆层的NFBG一端a熔接，将第一光纤5端b与NFBG端a的熔接点可靠固定在U型支架的一侧壁a上，将NFBG的另一端b可靠固定在U型支架的另一侧壁b上，用第二光纤15将光功率仪与光环形器11的端口3连接，将压电陶瓷8通过导线9与信号发生器10连接。
如图4所示，测量谐振波长变化的NLPFG型的装配方式为将第一光纤5的一端a与光纤光栅解调仪6连接，将第一光纤5的另一端b与附有碳纤维及银涂覆层的NLPFG的一端a熔接，将附有碳纤维及银涂覆层的NLPFG的另一端b与第二光纤15的一端a熔接，将第二光纤15的另一端b连接至光纤光栅解调仪6，将第一光纤5端b与NLPFG端a的熔接点可靠固定在U型支架的一侧壁a上，将第二光纤15端a与NLPFG端b的熔接点可靠固定在U型支架的另一侧壁b上，将压电陶瓷8通过导线9与信号发生器10连接。
如图5所示，测量透射光功率的NLPFG型的装配方式为将第一光纤5的一端a与单一频率激光源连接，将第一光纤5的另一端b与附有碳纤维及银涂覆层的NLPFG的一端a熔接，将附有碳纤维及银涂覆层的NLPFG的另一端b与第二光纤15的一端a熔接，将第二光纤的另一端b与与光功率仪13连接，将第一光纤5端b与NLPFG端a的熔接点可靠固定在U型支架的一侧壁a上，将第二光纤15端a与NLPFG端b的熔接点可靠固定在U型支架的另一侧壁b上，将压电陶瓷8通过导线9与信号发生器10连接。
通过计算对振弦的振动进行分析，其计算参数如表1所示。由图6可见，在初始阶段(约0～500μs区间内)，由于能量积累，振弦的振幅随时间的增加而增大；随后由于能量的衰减，振弦的振幅逐渐减小。振弦中间位移最大，两端由于支架的限制，位移均为0。由图7可见，振幅的最大值大于1000nm，而振动源的振幅仅为50nm。由图8可见，振弦应变的最大值大于1με，若采用Micron Optics公司的si425产品，则可有效感知该量级的应变。
表1
Claims (1)
1.一种振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置，其特征在于：包括基于微纳光纤的光纤光栅，在基于微纳光纤的光纤光栅外包覆有碳纤维，碳纤维外设有银涂覆层，所述基于微纳光纤的光纤光栅直径不大于40μm，所述基于微纳光纤的光纤光栅的两端连接有第一光纤和第二光纤；所述基于微纳光纤的光纤光栅横跨U型支架凹槽，两端分别与U型支架的两壁可靠固定，所述U型支架的一个侧壁与基于微纳光纤的光纤光栅连接的部位由压电陶瓷构成，所述基于微纳光纤的光纤光栅为基于微纳光纤的光纤布拉格光栅，即NFBG，所述第一光纤的一端a与光纤光栅解调仪连接，将第一光纤的另一端b与附有碳纤维及银涂覆层的NFBG一端a熔接，将第一光纤的端b与NFBG的端a的熔接点部位可靠固定在U型支架的一侧壁a上，将NFBG的另一端b可靠固定在U型支架的另一侧壁b上，将压电陶瓷通过导线与信号发生器连接，若使用场合不允许带电，则不采用导线连接压电陶瓷，或者，第三光纤的一端a与单一频率激光器连接，将第三光纤的另一端b与光环形器的端口1连接，将光环形器的端口2与第一光纤的一端a连接，将第一光纤的另一端b与附有碳纤维及银涂覆层的NFBG一端a熔接，用第二光纤将光环形器的端口3与光功率仪连接，将第一光纤端b与NFBG端a的熔接点可靠固定在U型支架的一侧壁a上，NFBG的另一端b可靠固定在U型支架的另一侧壁b上，将压电陶瓷通过导线与信号发生器连接，若使用场合不允许带电，则不采用导线连接压电陶瓷；或者，所述基于微纳光纤的光纤光栅为微纳长周期光纤光栅，即NLPFG，所述将第一光纤的一端a与光纤光栅解调仪连接，将第一光纤的另一端b与附有碳纤维及银涂覆层的NLPFG的一端a熔接，将附有碳纤维及银涂覆层的NLPFG的另一端b与第二光纤的一端a熔接，将第二光纤的另一端b连接至光纤光栅解调仪，将第一光纤端b与NLPFG端a的熔接点可靠固定在U型支架的一侧壁a上，将第二光纤端a与NLPFG端b的熔接点可靠固定在U型支架的另一侧壁b上，压电陶瓷安装在U型支架的壁上，将压电陶瓷通过导线与信号发生器连接，若使用场合不允许带电，则不采用导线连接压电陶瓷，或者，所述第一光纤的一端a与单一频率激光源连接，将第一光纤的另一端b与附有碳纤维及银涂覆层的NLPFG的一端a熔接，将附有碳纤维及银涂覆层的NLPFG的另一端b与第二光纤的一端a熔接，将第二光纤的另一端b与光功率仪连接，将第一光纤端b与NLPFG端a的熔接点可靠固定在U型支架的一侧壁a上，将第二光纤端a与NLPFG端b的熔接点可靠固定在U形支架的另一侧壁b上，压电陶瓷安装在U型支架的壁上，将压电陶瓷通过导线与信号发生器连接，若使用场合不允许带电，则不采用导线连接压电陶瓷；所述振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置通过信号发生器调节压电陶瓷的伸缩来同时调整振弦的长度与张力，从而改变振弦的自振频率实现响应范围的动态可调。
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