CN111504219B - 一种少模光纤光栅三参量复合传感器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种少模光纤光栅三参量复合传感器及其工作方法，包括第一基座及第二基座，第一基座及第二基座相对的一端分别设置有第一支撑梁及第二支撑梁，中间设置有弹簧梁；第二基座正中设置有L‑悬臂梁，L‑悬臂梁、第一支撑梁、第二支撑梁、第一基座及第二基座顶部正中开设有凹槽，光纤粘贴于凹槽正中位置，光纤悬空处分别刻有少模光纤光栅和光纤光栅；少模光纤与单模光纤形成F‑P腔，通过对F‑P腔和少模光纤光栅信号的联合解调，得到温度和应变信号；在测量振动时，L‑悬臂梁产生受迫振动，压缩或拉伸光纤光栅，通过对光纤光栅输出信号进行快速傅里叶变换，即可排除温度信号的干扰，得到振动信号。本发明具有结构简单、灵敏度及测量精度高及实用高效的优点。

Description

一种少模光纤光栅三参量复合传感器及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种复合传感器，尤其涉及一种少模光纤光栅三参量复合传感器及其工作方法。
背景技术
温度、振动和应变是工程领域中非常重要的参量，往往反应了该设备或某些重要零部件的工作运行状态，以便于操作人员对其进行了解和调控，这对正确使用、保养，延长设备或重要零部件的使用寿命有着重要的意义。
相对于传统压电、压阻式传感器，光纤传感器不受环境中电、磁场的影响，在一些高温、高电压、电子噪声等苛刻环境中，存在明显优势。光纤传感器种类繁多、可根据不同的使用场合和要求，选用不同种类的结构形式和检测方法。光纤传感器灵敏度高，信号频带宽，传输容量大；现有光纤传感器主要以单参量测量为主，复合型光纤传感器研究较少，且对于光纤振动传感器，大部分传感器带有较大质量块，或具有较低的谐振频率，不利于振动的测量；光纤光栅传感器作为一种光学传感器，具有灵敏度高、抗电磁干扰、体积小、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。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种少模光纤光栅三参量复合传感器及其工作方法，能够在同时存在温度、振动、应变不断变化的情况下，实现温度、振动及应变信号的测量，具有结构简单、灵敏度及测量精度高及实用高效的优点。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种少模光纤光栅三参量复合传感器，包括同一水平高度设置的第一基座1与第二基座2，所述第一基座1及第二基座2的两侧设有通孔3，第一基座1及第二基座2相对的一端分别设置有第一支撑梁4及第二支撑梁5，第一支撑梁4及第二支撑梁5之间连接有弹簧梁6；第二基座2正中设置有L-悬臂梁7，L-悬臂梁7、第一支撑梁4、第二支撑梁5、第一基座1及第二基座2顶部正中开设有凹槽9，光纤8粘贴于凹槽9底部正中。
所述光纤8包括一段少模光纤8-1及与少模光纤8-1的两端嵌接在一起的单模光纤8-2组成，少模光纤8-1的纤芯直径大于单模光纤8-2纤芯直径。
所述少模光纤8-1在弹簧梁6间悬空设置，单模光纤8-2在L-悬臂梁7与第二基座2间悬空设置，少模光纤8-1及单模光纤8-2的悬空处分别刻有少模光纤光栅10和单模光纤光栅11。
所述L-悬臂梁7包括连接于第二基座2的连接梁7-1及连接梁7-1顶部悬空设置的质量梁7-2。
所述少模光纤光栅10和单模光纤光栅11的反射光谱不相互重叠。
基于上述少模光纤光栅三参量复合传感器的工作方法，具体操作步骤如下：
步骤一、将少模光纤光栅三参量复合传感器通过通孔3用螺钉固定在待测物体表面；
步骤二、测量应变信号及温度信号
测量应变时，弹簧梁6发生弯曲，对少模光纤8-1和少模光纤光栅10产生压缩或拉伸作用力，同时少模光纤8-1和少模光纤光栅10也收到环境温度变化影响，因少模光纤8-1的纤芯直径大于单模光纤8-2纤芯直径，由此在少模光纤8-1的前后端面形成F-P腔，F-P腔受到温度或应力作用时，F-P腔腔长发生变化，导致形成的F-P干涉条纹发生变化，F-P腔对温度或应变的敏感系数与少模光纤光栅10不同，因此通过对F-P腔信号和少模光纤光栅10信号的联合解调，即可同时得到温度和应变信号；
步骤三、测量振动信号
测量振动时，L-悬臂梁7随之产生振动，进而传递给单模光纤光栅11；相对于振动，环境中的温度变化缓慢，因此对单模光纤光栅11信号进行快速傅里叶变换即可将温度信号排除，得到振动信号。
所述步骤二中对F-P腔信号和少模光纤光栅10信号的联合解调，同时得到温度和应变信号的方法为：
假设F-P腔对温度和应变的灵敏系数分别为αT、αε，少模光纤光栅10对温度和应变的灵敏系数分别是βT、βε，在受到温度和应变影响时，输出信号可表示为：
Figure BDA0002477358330000031
其中，λF-P代表F-P腔信号，λFBG代表少模光纤光栅10信号，通过对方程组(1)的求解，即可得到温度和应变信号。
本发明与现有技术相比，具有以下技术优势：
1、使用少模光纤8-1嵌入单模光纤8-2，形成F-P腔，通过对少摸光纤光栅10和F-P腔信号的同时测量，实现对温度、应变信号的联合解调。
2、测量振动时使用L-悬臂梁7牵引单模光纤光栅11，而非粘贴在悬臂梁表面，以保持单模光纤光栅11形变的均匀性。相对于传统悬臂梁，L-悬臂梁7能在保持测量灵敏度的前提下，提高可测量的频率范围。
3、弹簧梁6受力时易弯曲，在测量应变时对被测物体产生的反作用力较小，不影响被测物体的应变分布。
4、光纤8上刻写两个光纤光栅，且两个光纤光栅之间距离较近，有利于实现传感器的小型化、集成化。
综上，本发明具有结构简单、灵敏度及测量精度高及实用高效的优点。
附图说明
图1为本发明传感器的立体结构图。
图2为本发明的L-悬臂梁7的剖视图。
图3为本发明的光纤8的结构图。
图中：1、第一基座；2、第二基座；3、通孔；4、第一支撑梁；5、第二支撑梁；6、弹簧梁；7、L-悬臂梁；7-1、连接梁；7-2、质量梁；8、光纤；8-1、少模光纤；8-2、单模光纤；9、凹槽；10、少模光纤光栅；11、单模光纤光栅。
具体实施方式
下面参照附图对本发明做详细说明。
参见图1、图2，一种少模光纤光栅三参量复合传感器，包括同一水平高度设置的第一基座1与第二基座2，所述第一基座1及第二基座2的两侧设有通孔3，第一基座1及第二基座2相对的一端分别设置有第一支撑梁4及第二支撑梁5，第一支撑梁4及第二支撑梁5之间连接有弹簧梁6；第二基座2正中设置有L-悬臂梁7，L-悬臂梁7、第一支撑梁4、第二支撑梁5、第一基座1及第二基座2顶部正中开设有凹槽9，光纤8粘贴于凹槽8底部正中。
参见图3，所述光纤8包括一段少模光纤8-1及与少模光纤8-1的两端嵌接在一起的单模光纤8-2组成，少模光纤8-1的纤芯直径大于单模光纤8-2纤芯直径。
所述少模光纤8-1在弹簧梁6间悬空设置，单模光纤8-2在L-悬臂梁7与第二基座2间悬空设置，少模光纤8-1及单模光纤8-2的悬空处分别刻有少模光纤光栅10和单模光纤光栅11。
所述L-悬臂梁7包括连接于第二基座2的连接梁7-1及连接梁7-1顶部悬空设置的质量梁7-2。
所述少模光纤光栅10和单模光纤光栅11的反射光谱不相互重叠。
基于上述少模光纤光栅三参量复合传感器的工作方法，具体操作步骤如下：
步骤一、将光纤光栅温度/振动/应变复合传感器通过通孔3用螺钉固定在待测物体表面；
步骤二、测量应变信号及温度信号
测量应变时，弹簧梁6发生弯曲，对少模光纤8-1和少模光纤光栅10产生压缩或拉伸作用力，同时少模光纤8-1和少模光纤光栅10也收到环境温度变化影响，因少模光纤8-1的纤芯直径大于单模光纤8-2纤芯直径，由此在少模光纤8-1的前后端面形成F-P腔，F-P腔受到温度或应力作用时，F-P腔腔长发生变化，导致形成的F-P干涉条纹发生变化，F-P腔对温度或应变的敏感系数与少模光纤光栅10不同，因此通过对F-P腔信号和少模光纤光栅10信号的联合解调，即可同时得到温度和应变信号；
步骤三、测量振动信号
测量振动时，L-悬臂梁7随之产生振动，进而传递给单模光纤光栅11；相对于振动，环境中的温度变化缓慢，因此对单模光纤光栅11信号进行快速傅里叶变换即可将温度信号排除，得到振动信号。
所述步骤二中对F-P腔信号和少模光纤光栅10信号的联合解调，同时得到温度和应变信号的方法为：
假设F-P腔对温度和应变的灵敏系数分别为αT、αε，少模光纤光栅10对温度和应变的灵敏系数分别是βT、βε，αT、αε、βT、βε均为已知，在受到温度和应变影响时，输出信号可表示为：
Figure BDA0002477358330000061
其中，λF-P代表F-P腔信号，λFBG代表少模光纤光栅10信号。通过对方程组(1)的求解，即可得到T、ε，即温度和应变信号。
本发明的工作原理为：
该少模光纤光栅三参量复合传感器工作时，通过通孔3固定在待测物体表面；由于少模光纤8-1的纤芯直径大于单模光纤8-2纤芯直径，由此少模光纤8-1的前后端面形成F-P腔，当F-P腔受到温度或应力作用时，F-P腔腔长发生变化，导致形成的F-P干涉条纹发生变化；
测量应变时，弹簧梁6发生弯曲，对少模光纤8-1和少模光纤光栅10产生压缩或拉伸作用力，同时少模光纤8-1和少模光纤光栅10也会受到环境温度变化的影响；由于F-P腔对温度或应变的敏感系数与少模光纤光栅10不同，因此通过对F-P腔信号和少模光纤光栅10信号的联合解调，即可同时得到温度和应变信号；
测量振动时，L-悬臂梁7随之产生振动，进而传递给单模光纤光栅11；由于相对于振动，环境中的温度变化缓慢，因此对单模光纤光栅11信号进行快速傅里叶变换即可将温度信号排除，得到振动信号。
显然，以上具体实施方式中实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述具体实施方式对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种少模光纤光栅三参量复合传感器，包括同一水平高度设置的第一基座(1)与第二基座(2)，其特征在于：所述第一基座1及第二基座(2)的两侧设有通孔(3)，第一基座(1)及第二基座(2)相对的一端分别设置有第一支撑梁(4)及第二支撑梁(5)，第一支撑梁(4)及第二支撑梁(5)之间连接有弹簧梁(6)；第二基座(2)正中设置有L-悬臂梁(7)，L-悬臂梁(7)、第一支撑梁(4)、第二支撑梁(5)、第一基座(1)及第二基座(2)顶部正中开设有凹槽(9)，光纤(8)粘贴于凹槽(9)底部正中；
所述L-悬臂梁(7)包括连接于第二基座(2)的连接梁(7-1)及连接梁(7-1)顶部悬空设置的质量梁(7-2)；
所述光纤(8)包括一段少模光纤(8-1)及与少模光纤(8-1)的两端嵌接在一起的单模光纤(8-2)组成，少模光纤(8-1)的纤芯直径大于单模光纤(8-2)纤芯直径；少模光纤(8-1)与单模光纤(8-2)连接的两个端面之间形成F-P腔，F-P腔受到温度或应力作用时，F-P腔腔长发生变化，导致形成的F-P干涉条纹发生变化，F-P腔对温度或应变的敏感系数与少模光纤光栅10不同，因此通过对F-P腔信号和少模光纤光栅10信号的联合解调，即可同时得到温度和应变信号；
所述少模光纤(8-1)在弹簧梁(6)间悬空设置，单模光纤(8-2)在L-悬臂梁(7)与第二基座(2)间悬空设置，少模光纤(8-1)及单模光纤(8-2)的悬空处分别刻有少模光纤光栅(10)和单模光纤光栅(11)。
2.根据权利要求1所述的一种少模光纤光栅三参量复合传感器，其特征在于：所述少模光纤光栅(10)和单模光纤光栅(11)的反射光谱不相互重叠。
3.一种少模光纤光栅三参量复合传感器的工作方法，具体操作步骤如下：
步骤一、将权利要求1中提出的少模光纤光栅三参量复合传感器通过通孔(3)用螺钉固定在待测物体表面；
步骤二、测量应变信号及温度信号
测量应变信号时，权利要求1中提出的弹簧梁(6)发生弯曲，对少模光纤(8-1)和少模光纤光栅(10)产生压缩或拉伸作用力，同时少模光纤(8-1)和少模光纤光栅(10)也受到环境温度变化影响，因少模光纤(8-1)的纤芯直径大于单模光纤(8-2)纤芯直径，由此在少模光纤(8-1)的前后端面形成F-P腔，F-P腔受到温度或应力作用时，F-P腔腔长发生变化，导致形成的F-P干涉条纹发生变化，F-P腔对温度或应变的敏感系数与少模光纤光栅(10)不同，因此通过对F-P腔信号和少模光纤光栅(10)信号的联合解调，即可同时得到温度和应变信号；
步骤三、测量振动信号
测量振动时，L-悬臂梁(7)随之产生振动，进而传递给单模光纤光栅(11)；相对于振动，环境中的温度变化缓慢，因此对单模光纤光栅(11)信号进行快速傅里叶变换即可将温度信号排除，得到振动信号。
4.根据权利要求3所述的一种少模光纤光栅三参量复合传感器的工作方法，其特征在于：所述步骤二中对F-P腔信号和少模光纤光栅(10)信号的联合解调，同时得到温度和应变信号的方法为：
假设F-P腔对温度和应变的灵敏系数分别为αT、αε，少模光纤光栅(10)对温度和应变的灵敏系数分别是βT、βε，αT、αε均为已知，在受到温度和应变影响时，输出信号可表示为：
Figure FDA0003275178870000031
其中，λF-P代表F-P腔信号，λFBG代表少模光纤光栅(10)信号；
通过对方程组(1)的求解，即可得到T、ε，即温度和应变信号。
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