CN110470375A - 光纤光栅振动传感器的标定装置及其不确定度分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤光栅振动传感器的标定装置及其不确定度分析方法，属于振动传感器的标定技术领域。将被校的光纤Bragg光栅振动传感器与标准的光纤Bragg光栅振动传感器背靠背固定在振动台中心，由信号发生器发出正弦振动信号，经功率放大器进行信号放大，此信号使振动台做一定频率的振动，两光纤Bragg光栅振动传感器将承受相同的振动信号，但输出量不同，通过对比分析两组输出量，利用弹性系统中加速度与光纤光栅波长改变量的线性变化关系，计算出被校的光纤Bragg光栅振动传感器的灵敏度，实现对光纤Bragg光栅振动传感器的标定。再对A类不确定度和B类不确定度分析且合成，从而实现对光纤Bragg光栅振动传感器的不确定度分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅振动传感器的标定装置及其不确定度分析方法，属于振动传感器的标定技术领域。
背景技术
光纤Bragg光栅振动传感器作为测试技术中的关键部件之一，它具有成本低、灵敏度高、工作稳定可靠等优点，可测量位移(振幅)、速度、加速度等多种物理量。已经被广泛应用于工业设备检测、医疗检查、地质勘测等多方面领域。对于新研制的传感器，必须经过校准才能使用于实际工程中。目前，国内对于振动传感器的标定方法主要有绝对法。绝对法是通过高精度标准振动台输入振动信号，由激光干涉仪检测输出信号。绝对校准法校准数据精确性高，但操作困难，实验过程繁琐，实验难度高。
发明内容
本发明涉及一种光纤光栅振动传感器的标定装置及其不确定度分析方法采用简单式的相对校准法对一种光纤Bragg光栅振动传感器进行标定实验，并进行了不确定度的分析。
本发明采用的技术方案是：一种光纤光栅振动传感器的标定装置，包括质量块1、弹性钢片Ⅰ2、弹性钢片Ⅱ3、钢管6、底座7、光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5、振动台、信号发生器、功率放大器、示波器、光纤光栅解调仪、PC；质量块1固定于钢管6的顶部，钢管6的底部固定于底座7上，弹性钢片Ⅰ2、弹性钢片Ⅱ3置于钢管的左右两边，下端都固定于底座7上，上端连接固定到质量块1的左右两端，光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5串联焊接后分别粘贴到弹性钢片Ⅰ2、弹性钢片Ⅱ3上，将质量块1、弹性钢片Ⅰ2、弹性钢片Ⅱ3、钢管6、底座7、光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5组成装置整体放置于振动台上，此时光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5分别作为被校的光纤Bragg光栅振动传感器和标准的光纤Bragg光栅振动传感器；信号发生器输出端与功率放大器输入端连接，功率放大器输出端与振动台连接，光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5分别都与示波器和光纤光栅解调仪输入端连接，光纤光栅解调仪输出端与PC连接。
一种所述的光纤光栅振动传感器的标定装置的不确定度分析方法，包括如下步骤：
A、首先根据实验要求将质量块1固定于钢管6的顶部，钢管6的底部固定于底座7上，弹性钢片Ⅰ2、弹性钢片Ⅱ3置于钢管的左右两边，下端都固定于底座7上，上端连接固定到质量块1的左右两端，光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5串联焊接后分别粘贴到弹性钢片Ⅰ2、弹性钢片Ⅱ3，将其组成装置放置于振动台，此时光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5分别作为被校的光纤Bragg光栅振动传感器、标准的光纤Bragg光栅振动传感器；
B、然后将信号发生器与功率放大器连接，功率放大器与振动台连接，光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5分别都与示波器和光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪与PC连接，由信号发生器发出正弦振动信号或方波信号，经功率放大器进行信号放大，此信号作为激励使振动台做一定频率的振动，质量块1发生振动，质量块1带动弹性钢片Ⅰ2、弹性钢片Ⅱ3、钢管6发生形变，使得粘贴在两弹性钢片上的两个光纤Bragg光栅FBG和两弹性钢片一起发生形变，从而两个光纤Bragg光栅FBG的栅距发生改变，也就会导致光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5的波长产生相应的变化；
C、因而光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5也就是被校的光纤Bragg光栅振动传感器、标准的光纤Bragg光栅振动传感器将输出不同的输出量，PC通过对比分析这两组输出量，利用质量块1、弹性钢片Ⅰ2、弹性钢片Ⅱ3、钢管6组成的弹性系统中加速度与光纤光栅波长改变量的线性变化关系，PC计算出被校的光纤Bragg光栅振动传感器的灵敏度，从而实现对被校的光纤Bragg光栅振动传感器的标定。
D、根据JJF1059.1-2012的规定，标准不确定度依据其评定方法分为A、B两类，对A类不确定度uA和B类不确定度uB分析并通过公式进行合成，uC为被校的光纤Bragg光栅振动传感器的不确定度，从而实现对被校的光纤Bragg光栅振动传感器的不确定度分析。
本发明的有益效果是：采用简单式的相对校准法对一种光纤Bragg光栅振动传感器进行标定实验，并通过对A类不确定度和B类不确定度分析且合成，从而实现对光纤Bragg光栅振动传感器的不确定度分析。实验结果表明，被校的光纤Bragg光栅振动传感器满足光纤Bragg光栅振动传感器的标定要求，保证了数据的准确性，该传感器能够被使用于实际工程中。
附图说明
图1是本发明光纤光栅振动传感器的标定装置的部分结构图；
图2是本发明光纤光栅振动传感器的标定装置的系统连接结构框图。
图中各标号为：质量块-1、弹性钢片Ⅰ-2、弹性钢片Ⅱ-3、钢管-6、底座-7、光纤Bragg光栅FBGⅠ-4、光纤Bragg光栅FBGⅡ-5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地说明。
实施例1：如图1-2所示，一种光纤光栅振动传感器的标定装置，包括质量块1、弹性钢片Ⅰ2、弹性钢片Ⅱ3、钢管6、底座7、光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5、振动台、信号发生器、功率放大器、示波器、光纤光栅解调仪、PC；质量块1固定于钢管6的顶部，钢管6的底部固定于底座7上，弹性钢片Ⅰ2、弹性钢片Ⅱ3置于钢管的左右两边，下端都固定于底座7上，上端连接固定到质量块1的左右两端，光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5串联焊接后分别粘贴到弹性钢片Ⅰ2、弹性钢片Ⅱ3上，将质量块1、弹性钢片Ⅰ2、弹性钢片Ⅱ3、钢管6、底座7、光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5组成装置整体放置于振动台上，此时光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5分别作为被校的光纤Bragg光栅振动传感器和标准的光纤Bragg光栅振动传感器；信号发生器输出端与功率放大器输入端连接，功率放大器输出端与振动台连接，光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5分别都与示波器和光纤光栅解调仪输入端连接，光纤光栅解调仪输出端与PC连接。
一种所述的光纤光栅振动传感器的标定装置的不确定度分析方法，包括如下步骤：
A、首先根据实验要求将质量块1固定于钢管6的顶部，钢管6的底部固定于底座7上，弹性钢片Ⅰ2、弹性钢片Ⅱ3置于钢管的左右两边，下端都固定于底座7上，上端连接固定到质量块1的左右两端，光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5从底座7的两侧伸入底座7中，光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5串联焊接后分别粘贴到弹性钢片Ⅰ2、弹性钢片Ⅱ3，将其组成装置放置于振动台，此时光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5分别作为被校的光纤Bragg光栅振动传感器、标准的光纤Bragg光栅振动传感器；
B、然后将信号发生器与功率放大器连接，功率放大器与振动台连接，光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5分别都与示波器和光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪与PC连接，由信号发生器发出正弦振动信号或方波信号，经功率放大器进行信号放大，此信号作为激励使振动台做一定频率的振动，质量块1发生振动，质量块1带动弹性钢片Ⅰ2、弹性钢片Ⅱ3、钢管6发生形变，使得粘贴在两弹性钢片上的两个光纤Bragg光栅FBG和两弹性钢片一起发生形变，从而两个光纤Bragg光栅FBG的栅距发生改变，也就会导致光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5的波长产生相应的变化；
C、因而光纤Bragg光栅FBGⅠ4、光纤Bragg光栅FBGⅡ5也就是被校的光纤Bragg光栅振动传感器、标准的光纤Bragg光栅振动传感器将输出不同的输出量，PC通过对比分析这两组输出量，利用质量块1、弹性钢片Ⅰ2、弹性钢片Ⅱ3、钢管6组成的弹性系统中加速度与光纤光栅波长改变量的线性变化关系，PC计算出被校的光纤Bragg光栅振动传感器的灵敏度，从而实现对被校的光纤Bragg光栅振动传感器的标定。
D、在标定实验过程中，实验测得的灵敏度与实际灵敏度之间必然存在一定的误差，使得测得的灵敏度值存在着不确定性，这种情况下就需要引入不确定度的概念对其进行分析。根据JJF1059.1-2012的规定，标准不确定度依据其评定方法分为A、B两类。A类不确定度来源于实际测得的数据，经过标准偏差法进行计算。B类评定则需要根据经验或有关材料来分析计算。对A类不确定度uA和B类不确定度uB分析并通过公式进行合成，uC为被校的光纤Bragg光栅振动传感器的不确定度，从而实现对被校的光纤Bragg光栅振动传感器的不确定度分析。
本发明光纤Bragg光栅振动传感器的标定与不确定度分析装置，标定系统的信号的激励方式有正弦信号和方波信号两种，频率范围为5～4000Hz。标定实验中，根据实际情况设定相应参数大小。光纤光栅解调仪工作波长为1527～1566nm，中心波长分辨率为1pm，频率为5KHz。本实施例中由信号发生器发出正弦振动信号，经功率放大器进行信号放大，此信号作为激励使振动台做一定频率的振动，被校的光纤Bragg光栅振动传感器、标准的光纤Bragg光栅振动传感器将承受的相同的振动信号输出不同的输出量，PC通过对比分析这两组输出量，利用利用质量块1、弹性钢片Ⅰ2、弹性钢片Ⅱ3、钢管6组成的弹性系统中加速度与光纤光栅波长改变量的线性变化关系，计算出实验中被校的光纤Bragg光栅振动传感器的灵敏度为82pm/g，从而实现了对光纤Bragg光栅振动传感器的标定。并通过对A类不确定度和B类不确定度分析且合成，求得合成不确定度为0.0038g，从而实现了对光纤Bragg光栅振动传感器的不确定度分析。
本发明实现了对光纤Bragg光栅振动传感器的标定和不确定度分析，被校的光纤Bragg光栅振动传感器满足光纤Bragg光栅振动传感器的标定要求，保证了数据的准确性，该传感器能够被使用于实际工程中。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，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 (2)
1.一种光纤光栅振动传感器的标定装置，其特征在于：包括质量块(1)、弹性钢片Ⅰ(2)、弹性钢片Ⅱ(3)、钢管(6)、底座(7)、光纤Bragg光栅FBGⅠ(4)、光纤Bragg光栅FBGⅡ(5)、振动台、信号发生器、功率放大器、示波器、光纤光栅解调仪、PC；质量块(1)固定于钢管(6)的顶部，钢管(6)的底部固定于底座(7)上，弹性钢片Ⅰ(2)、弹性钢片Ⅱ(3)置于钢管的左右两边，下端都固定于底座(7)上，上端连接固定到质量块(1)的左右两端，光纤Bragg光栅FBGⅠ(4)、光纤Bragg光栅FBGⅡ(5)串联焊接后分别粘贴到弹性钢片Ⅰ(2)、弹性钢片Ⅱ(3)上，将质量块(1)、弹性钢片Ⅰ(2)、弹性钢片Ⅱ(3)、钢管(6)、底座(7)、光纤Bragg光栅FBGⅠ(4)、光纤Bragg光栅FBGⅡ(5)组成装置整体放置于振动台上，此时光纤Bragg光栅FBGⅠ(4)、光纤Bragg光栅FBGⅡ(5)分别作为被校的光纤Bragg光栅振动传感器和标准的光纤Bragg光栅振动传感器；信号发生器输出端与功率放大器输入端连接，功率放大器输出端与振动台连接，光纤Bragg光栅FBGⅠ(4)、光纤Bragg光栅FBGⅡ(5)分别都与示波器和光纤光栅解调仪输入端连接，光纤光栅解调仪输出端与PC连接。
2.一种光纤光栅振动传感器的标定装置的不确定度分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、首先根据实验要求将质量块(1)固定于钢管(6)的顶部，钢管(6)的底部固定于底座(7)上，弹性钢片Ⅰ(2)、弹性钢片Ⅱ(3)置于钢管的左右两边，下端都固定于底座(7)上，上端连接固定到质量块(1)的左右两端，光纤Bragg光栅FBGⅠ(4)、光纤Bragg光栅FBGⅡ(5)串联焊接后分别粘贴到弹性钢片Ⅰ(2)、弹性钢片Ⅱ(3)，将其组成装置放置于振动台，此时光纤Bragg光栅FBGⅠ(4)、光纤Bragg光栅FBGⅡ(5)分别作为被校的光纤Bragg光栅振动传感器、标准的光纤Bragg光栅振动传感器；
B、然后将信号发生器与功率放大器连接，功率放大器与振动台连接，光纤Bragg光栅FBGⅠ(4)、光纤Bragg光栅FBGⅡ(5)分别都与示波器和光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪与PC连接，由信号发生器发出正弦振动信号或方波信号，经功率放大器进行信号放大，此信号作为激励使振动台做一定频率的振动，质量块(1)发生振动，质量块(1)带动弹性钢片Ⅰ(2)、弹性钢片Ⅱ(3)、钢管(6)发生形变，使得粘贴在两弹性钢片上的两个光纤Bragg光栅FBG和两弹性钢片一起发生形变，从而两个光纤Bragg光栅FBG的栅距发生改变，也就会导致光纤Bragg光栅FBGⅠ(4)、光纤Bragg光栅FBGⅡ(5)的波长产生相应的变化；
C、因而光纤Bragg光栅FBGⅠ(4)、光纤Bragg光栅FBGⅡ(5)也就是被校的光纤Bragg光栅振动传感器、标准的光纤Bragg光栅振动传感器将输出不同的输出量，PC通过对比分析这两组输出量，利用质量块(1)、弹性钢片Ⅰ(2)、弹性钢片Ⅱ(3)、钢管(6)组成的弹性系统中加速度与光纤光栅波长改变量的线性变化关系，PC计算出被校的光纤Bragg光栅振动传感器的灵敏度，从而实现对被校的光纤Bragg光栅振动传感器的标定；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20191119 |