CN111256809A - 复合多功能光纤振动测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合多功能光纤振动测试装置，包括简支梁振动组件、基于FBG的光纤光栅振动传感测试模块、基于OFDR的分布式光纤振动传感测试模块、计算机、温湿度传感装置、锂电池组和触控显示屏；基于FBG的光纤光栅振动传感测试模块包括光纤光栅传感器和FBG数据采集仪；基于OFDR的分布式光纤振动传感测试模块包括分布式光纤传感器和OFDR数据采集仪；简支梁振动组件包括简支梁、夹具支座、激振装置、导轨、功率放大器和低频信号发生器。本发明通过FBG和OFD两种振动传感测试模块对简支梁长度方向不同点激振过程中的全段应变分布同时测试，通过两者的结合实现了对简支梁振动时梁上应变分布的动态测试，得出外力驱动简支梁振动时应变的两个测试结果并作差，实现了对光纤振动测试的互补。

Description

复合多功能光纤振动测试装置
技术领域
本发明涉及监测仪器领域中的光纤振动测试装置，尤其涉及一种复合多功能光纤振动测试装置。
背景技术
随着经济的快速稳定发展，在各类民用、工业设施的建设中，对各类设施、结构构件的实时动态监测也得到人们越来越多的重视，通过对各类对象如建筑中梁、柱、墙构件，市政工程中的管道的微弱振动测试，能够有效监控各类设施的工作健康状态，实现动态监测管理，有效预防各类设施的失效和破坏。
随着工业智能化的不断推进，新型传感技术得到越来越多的重视和应用。布拉格光纤光栅传感器FBG(Fiber Bragg Grating)作为新型传感器的一个重要分支，可实现对温度、应变的监测，由于其抗电磁干扰、耐腐蚀、单点精度高、体积小、易于测量的优势在各类工程技术领域得到广泛应用。同时，光频域反射技术OFDR(Optical Frequency DomainReflectometer)作为新兴技术，具有精度高、抗干扰能力强、测量范围大、监测距离长的优势，可对温度、振动、应变、断点损耗进行监测，也渐渐得到越来越多的应用。
基于FBG传感技术与基于OFDR的传感技术也有各自的限制因素，FBG监测位置单一，监测范围小；OFDR技术监测范围大，可实现分布式测量，但是一定范围内的单点敏感度低，但是目前尚没有对两种技术针对同一振动测试对象测试结果快速比较分析的装置出现。
发明内容
发明目的：本发明提供一种复合多功能光纤振动测试装置，以简支梁为测试对象，通过FBG和OFDR两种传感技术，对简支梁长度方向不同点激振过程中的全段应变分布进行同时测试，以解决现有技术中存在的不足之处。
技术方案：本发明复合多功能光纤振动测试装置，包括简支梁振动组件、基于FBG的光纤光栅振动传感测试模块、基于OFDR的分布式光纤振动传感测试模块、温湿度传感装置、计算机、锂电池组和显示屏；
基于FBG的光纤光栅振动传感测试模块包括光纤光栅传感器和FBG数据采集仪；光纤光栅传感器在简支梁表面长度方向布设；
基于OFDR的分布式光纤振动传感测试模块包括分布式光纤传感器和OFDR数据采集仪；分布式光纤传感器在简支梁表面长度方向U形布设；
简支梁振动组件包括简支梁、夹具支座、激振装置、导轨、功率放大器和低频信号发生器；简支梁位于夹具支座上；简支梁上布有刻度线和多个光纤光栅传感器定位点；导轨位于简支梁下方；激振装置与功率放大器和低频信号发生器连接；激振装置在导轨上横向往复移动时使简支梁产生振动，振动时基于FBG的光纤光栅振动传感测试模块对简支梁长度方向的特定测试点振动应变进行测量的同时，基于OFDR的分布式光纤振动传感测试模块实时测试简支梁上不同激振点作用下振动时应变分布数据，应变显著的特定测试点振动位置的应变数据通过计算机比对、作差后显示于显示屏上。
激振装置包括激振器和电动马达，激振器位于简支梁底部，激振器由电动马达驱动并通过轮子在导轨上横向移动。
激振装置的移动速度通过速度档位开关控制。
分布式光纤传感器包括应变传感光纤和温度补偿光纤，应变传感光纤和温度补偿光纤为单模裸纤，应变传感光纤和温度补偿光纤在简支梁上表面沿简支梁长度方向U形布设。
简支梁由金属薄片制作，简支梁两端由金属夹具固定。
温湿度传感装置包括温度传感器、湿度传感器和控制按钮组；温湿度传感装置通过控制按钮组控制温度和湿度范围。
计算机与显示屏连接，计算机内置命令模块，对基于FBG的光纤光栅振动传感测试模块和基于OFDR的分布式光纤振动传感测试模块应变测试结果比对、作差，并将两类测试结果及作差结果显示于显示屏上。
计算机连接有无线数据传输终端，将处理后的数据无线传输到其他设备。
振动测试装置内设有散热器，散热器由温度传感器和湿度传感装置控制。
锂电池组由电源开关控制，电池电量高于90％时电池电量显示灯绿色常亮，电池电量处于20％～90％时电池电量显示灯为黄色常亮，低于20％时电池电量显示灯为红色常亮，装置工作时工作状态显示灯为绿色常量。
工作原理：本发明复合多功能光纤振动测试装置，以简支梁为测试对象，激振器在简支梁下方匀速左右移动，通过FBG和OFDR两种光纤传感技术，对简支梁长度方向不同点激振过程中的全段应变分布进行同时测试，即基于FBG的光纤光栅振动传感测试模块对简支梁的特定测试点振动应变进行测量的同时，基于OFDR的分布式光纤振动传感测试模块实时测试简支梁上不同激振点作用下振动时的应变分布数据，进而得出外力驱动简支梁产生振动下应变分布的两类动态实时测试结果，并对两类动态测试结果进行作差，比较分析两类技术的差异，实现对光纤微弱振动测试的上述两类技术不足的互补。
有益效果：本发明具有以下优点：
(1)本发明基于FBG的光纤光栅振动传感测试模块和基于OFDR的分布式光纤振动传感对简支梁的振动过程中应变进行同时测试，通过两者的结合实现了对简支梁振动下应变分布的动态测试，得出外力驱动简支梁振动产生应变的两个测试结果并作差，分析比较两类技术的差异，实现了对光纤振动测试技术的互补。
(2)基于FBG的光纤光栅振动传感测试功能模块，通过粘贴于简支梁上表面的光纤光栅传感器，掌握精确测量简支梁振动下测试点应变，达到基于FBG的光纤光栅振动传感动态测试的目的。
(3)基于OFDR的分布式光纤振动传感测试功能模块能够大范围的实时测试梁上长度的应变分布，得到的测试结果全面实时。
(4)测试对象简支梁下激振器与轮子连接可在导轨上左右匀速移动，模拟车辆、行人过桥时桥梁振动状态，具有光纤监测移动荷载下振动的实际应用前景。
(5)装置的工作电源采用无线可充电电源锂电池组，采集处理后的数据可无线传输其他设备，工作场景适应性强，操作方便快捷，便于推广。
附图说明
图1为本发明光纤振动测试装置内部示意图；
图2为本发明的简支梁上传感器布设示意图；
图3为本发明光纤振动测试装置立体图。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明复合多功能光纤振动测试装置包括简支梁振动组件、基于FBG的光纤光栅振动传感测试模块、基于OFDR的分布式光纤振动传感测试模块、温湿度传感装置3、计算机8、锂电池组7和触控显示屏1。
其中，简支梁振动组件位于基座12上，包括简支梁14、金属夹具支座13、激振器17、功率放大器16、低频信号发生器15、电动马达18、导轨21、轮子19、功率放大器功率调节旋钮9、信号发生器功率调节旋钮10、信号发生器频率调节旋钮11；激振器17位于简支梁底部，且激振器与两轮子连接，由电动马达驱动进而在导轨21上匀速左右移动，激振器17与功率放大器16和低频信号发生器15连接。
基于FBG的光纤光栅振动传感测试模块包括光纤光栅传感器28和FBG数据采集仪30，光纤光栅传感器的感测数据由FBG数据采集仪采集。
基于OFDR的分布式光纤振动传感测试模块包括位于简支梁上的分布式光纤传感器20和OFDR数据采集仪32，传感器的感测数据由OFDR数据采集仪采集。
温湿度传感装置3包括温度传感器5和湿度传感器6和控制按钮组，可对仪器内部温度、湿度数据进行实时采集，并将数据结果显示于传感装置显示屏上。该传感装置内置计时器，有计时功能，并通过控制按钮组4控制温度和湿度范围，该控制按钮组包括开关按钮、计时清零按钮和计时开始/暂停按钮，打开开关按钮，温湿度传感装置开始工作；计时开始/暂停按钮中，按一次计时开始，再按一次计时暂停，计时清零按钮使计时清零。
计算机与触控显示屏1连接，计算机内置命令模块，可对基于FBG的光纤光栅振动传感测试模块和基于OFDR的分布式光纤振动传感测试模块应变测试结果比对、作差，并能将两类测试结果及作差结果显示于显示屏上。该计算机连接有无线数据传输终端，可将处理后的数据无线传输到其他设备。
简支梁14采用金属薄片制作，长60cm，宽5cm，简支梁两端由金属夹具13固定；简支梁上刻有刻度线27，以便于观察比较分布式光纤传感器20与光纤光栅传感器28测试位置数据以及激振器17的移动位置，同时简支梁上表面标定光纤光栅传感器定位点26，定位点每5cm设置一个。
激振器17位于简支梁底部，与两轮子19连接，由电动马达18驱动并在简支梁底部的导轨21上匀速左右横向移动，激振器在简支梁下的移动速度由速度档位开关2控制，档位0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ四档，分别对应停止、0.5cm/s、1cm/s、1.5cm/s，轮子到达终点后自动返回，做往复移动，直到档位旋至“0挡”停止。
激振器17与功率放大器16和低频信号发生器15连接，激振器功率由功率放大器16控制，具体功率大小由功率放大器16的功率调节旋钮9调节，激振器17的振动频率由低频信号发生器控制，低频信号发生器可提供0～100Hz振动频率，频率大小由信号发生器频率调节旋钮11调节，低频信号发生器功率大小由信号发生器功率调节旋钮10调节。
装置电源为无线可充电电源锂电池组7，电池组由电源开关23控制，电池电量高于90％时，电池电量显示灯24绿色常亮；电池电量处于20％～90％时，电池电量显示灯为黄色常亮；低于20％时，电池电量显示灯为红色常亮，装置处于工作状态时工作状态显示灯25为绿色常亮。
温湿度传感装置3与散热器29连接，当散热器开关由环境温度传感器和湿度传感器控制，当环境温度超过40℃时，散热器自动打开散热，否则处于关闭状态。
散热器为多叶片风冷散热器，测试装置外壳为盒状，上盖可打开，通过上盖连接支撑34以支撑住上盖，方便对装置内分布式光纤传感器和光纤光栅传感器与数据采集仪进行连接维修和检查。外壳内部设置有防尘网31，防尘网采用金属网丝，外壳侧部设置有散热板33，散热板为波纹状。
本发明的光纤振动的具体测试方法为：
(1)光纤光栅传感器与分布式光纤传感器布设
将简支梁振动组件连接好后，在简支梁上表面粘贴分布式光纤传感器20，该分布式光纤传感器20包括应变传感光纤和温度补偿光纤，应变传感光纤和温度补偿光纤均采用单模裸纤，将应变传感光纤和温度补偿光纤在简支梁上表面沿简支梁长度方向U形布置，用环氧树脂把裸纤轻轻沿简支梁长度方向粘贴于简支梁上表面进行全覆盖封装保护，然后将分布式光纤传感器连接到OFDR数据采集仪32上。
在简支梁上表面光纤光栅传感器定位点26处将多个光纤光栅传感器28与一个温度补偿传感器串联布设，用环氧树脂轻轻沿简支梁长度方向粘进行全覆盖封装保护，将光纤光栅传感器28连接到FBG数据采集仪30上。
(2)启动激振器与电动马达，调整激振器移动速度
将装置的电源打开，激振器17启动，电动马达18启动，激振器17在导轨21上匀速左右移动时，简支梁底部移动的激振器使简支梁产生振动，振动下简支梁产生的应变数据由光纤光栅传感器28及分布式光纤传感器20感测，其中激振点应变显著，应变显著位置变化将实时动态显示于触控显示屏1上，模拟出车辆过桥或行人过桥的类似效果。
(3)数据采集与处理
将FBG数据采集仪30与OFDR数据采集仪32连接计算机8，计算机将各自采集到的数据处理后显示于触控显示屏1上，并且计算机内部程序可对二者采集的简支梁振动过程中的应变分布数据作差，将二者差值显示于显示屏上，采集到动态数据实时存储，并通过无线数据传输终端22传输至其他设备上。

Claims (10)

1.一种复合多功能光纤振动测试装置，其特征在于：包括简支梁振动组件、基于FBG的光纤光栅振动传感测试模块、基于OFDR的分布式光纤振动传感测试模块、温湿度传感装置(3)、计算机(8)、锂电池组(7)和触控显示屏(1)；
所述基于FBG的光纤光栅振动传感测试模块包括光纤光栅传感器(28)和FBG数据采集仪(30)；所述光纤光栅传感器在简支梁表面长度方向布设，布设时需与一个温度补偿传感器串联布设；
所述基于OFDR的分布式光纤振动传感测试模块包括分布式光纤传感器(20)和OFDR数据采集仪(32)；所述分布式光纤传感器在简支梁表面长度方向U形布设；
所述简支梁振动组件包括简支梁(14)、夹具支座(13)、激振装置、导轨(21)、功率放大器(16)和低频信号发生器(15)；所述简支梁位于夹具支座上；所述简支梁上布有刻度线和多个光纤光栅传感器定位点；所述导轨位于简支梁下方；所述激振装置与功率放大器和低频信号发生器连接；所述激振装置在导轨上横向往复移动时使简支梁产生振动，振动时所述基于FBG的光纤光栅振动传感测试模块对简支梁长度方向的特定测试点振动应变进行测量的同时，所述基于OFDR的分布式光纤振动传感测试模块实时测试简支梁上不同激振点作用下振动时应变分布数据，应变显著的特定测试点振动位置的应变数据通过计算机比对、作差后显示于触控显示屏上。
2.根据权利要求1所述的复合多功能光纤振动测试装置，其特征在于：所述激振装置包括激振器(17)和电动马达，所述激振器位于简支梁底部，激振器由电动马达驱动并通过轮子(19)在导轨上横向移动。
3.根据权利要求1所述的复合多功能光纤振动测试装置，其特征在于：所述激振装置的移动速度通过速度档位开关控制。
4.根据权利要求1所述的复合多功能光纤振动测试装置，其特征在于：所述分布式光纤传感器包括应变传感光纤和温度补偿光纤，所述应变传感光纤和温度补偿光纤为单模裸纤，应变传感光纤和温度补偿光纤在简支梁上表面沿简支梁长度方向U形布设。
5.根据权利要求1所述的复合多功能光纤振动测试装置，其特征在于：所述简支梁由金属薄片制作，简支梁两端由金属夹具固定。
6.根据权利要求1所述的复合多功能光纤振动测试装置，其特征在于：所述温湿度传感装置包括温度传感器、湿度传感器和控制按钮组；所述温湿度传感装置通过控制按钮组控制温度和湿度范围。
7.根据权利要求1所述的复合多功能光纤振动测试装置，其特征在于：所述计算机与显示屏连接，计算机内置命令模块，对基于FBG的光纤光栅振动传感测试模块和基于OFDR的分布式光纤振动传感测试模块应变测试结果比对、作差，并将两类测试结果及作差结果显示于显示屏上。
8.根据权利要求1所述的复合多功能光纤振动测试装置，其特征在于：所述计算机连接有无线数据传输终端(22)，将处理后的数据无线传输到其他设备。
9.根据权利要求1所述的复合多功能光纤振动测试装置，其特征在于：所述振动测试装置内设有散热器(29)，散热器由温度传感器和湿度传感装置控制。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的复合多功能光纤振动测试装置，其特征在于：所述锂电池组由电源开关(23)控制，电池电量高于90％时电池电量显示灯(24)绿色常亮，电池电量处于20％～90％时电池电量显示灯为黄色常亮，低于20％时电池电量显示灯为红色常亮，装置工作时工作状态显示灯(25)为绿色常量。
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