CN116519113B - 基于光纤光栅的待测物振动的测量方法及振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤光栅的待测物振动的测量方法及振动传感器，涉及岩土工程传感技术领域。基于光纤光栅的振动传感器包括外壳和磁性体，在外壳和磁性体之间设置有至少两组弹性敏感元件，当外壳感受到待测物振动时，通过弹性敏感元件将该振动所产生的力传递至磁性体；磁性体位于外壳的中心轴线上，在磁性体的顶部和底部附近的外壳的内壁上分别设置一组光纤光栅，光纤光栅的外表面由磁性材料进行封装，当磁性体上下运动时，光纤光栅随之产生应变。本发明振动传感器内部结构简单，体积小，抗冲击能力更强，适用范围更广，本发明可对待测物的振动进行精确测量，在测量过程中使用磁性传动结构，提高了测量效率。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程传感技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅的待测物振动的测量方法及振动传感器。
背景技术
随着传感技术的不断发展，人们对于传感器的技术需求也在日益提高。要同时满足灵敏度高、成本低、制备工艺简单、稳定性好条件的振动传感器比较少见。在传感检测过程中，灵敏度和稳定性是其主要的技术影响因素，而制备工艺和成本则是工业化生产过程中重要影响因素。同时兼具这些优点的振动传感器正在得到越来越多关注和青睐。
基于光纤光栅的振动传感器是利用外界信号调制于光纤布拉格光栅，导致光纤布拉格光栅中应变发生变化，从而导致反射光的中心波长发生变化，通过探测中心波长的变化探测外界微弱振动信号的加速度量的传感器。基于光纤光栅的振动传感器相对于常规的电磁类传感器，在灵敏度、大动态范围、可靠性、复用能力等方面具有明显的优势，可应用于设备的微弱振动监测、微地震监测、振动安防等领域，成为高性能微振动传感器发展的一个重要方向。
目前现有技术中有关基于光纤光栅的振动传感器的研究主要有：
申请号202221118868.8公开了一种基于光纤光栅的三维振动传感器，包括三个结构相同，两两互为正交放置的位移传感器，位移传感器外形为方柱体，内部截面为各处边长相等的正方形；位移传感器内部中心位置有可以在空腔内滑动的质量块，质量块的一侧中心位置分别连接光纤光栅传感器和弹簧，弹簧一侧和光纤光栅传感器连接，另一侧通过顶盖上的校准螺栓相连，质量块的另一侧通过阻尼器和固定在底盖上的铜制连接杆相连。
上述基于光纤光栅的振动传感器能很好适应常见振动的信号转换，但是还存在下列问题：（1）结构较为复杂，在加工时需要投入较多的辅助设备和成本；（2）没有解决机械结构振动发热导致温度对光纤光栅本身的影响；（3）摆锤的自由振动容易干扰测量信号，使得传感器的灵敏度稳定性降低，适用场景受限；（4）悬臂结构挠度变化小，传感器的灵敏度有限。
发明内容
本发明的目的之一在于提供基于光纤光栅的待测物振动的测量方法，其可对待测物的振动进行精确测量，在测量过程中使用磁性传动结构，提高了测量效率。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于光纤光栅的待测物振动的测量方法，包括以下步骤：
a、安装所需设备
所需设备为基于光纤光栅的振动传感器，所述的基于光纤光栅的振动传感器包括外壳和位于外壳内部的磁性体，所述的外壳用于保护所述的磁性体的结构并感受待测物的振动；在所述的外壳和磁性体之间设置有至少两组弹性敏感元件，当所述的外壳感受到待测物振动时，通过弹性敏感元件将该振动所产生的力传递至所述的磁性体；所述的磁性体位于外壳的中心轴线上，在所述的磁性体的顶部和底部附近的外壳的内壁上分别设置一组光纤光栅，光纤光栅的外表面由磁性材料进行封装，当磁性体上下运动时，光纤光栅随之产生应变。
b、测量待测物振动
将外壳固定在待测物上，当待测物发生振动时，外壳随着待测物一起振动，弹性敏感元件与磁性体的稳定状态被打破，磁性体产生振动并上下运动，两组光纤光栅与磁性体的磁力发生改变，磁性体与光纤光栅之间的作用力的关系，如式（1）所示：
（1）；
式（1）中: 为真空磁导率；分别是积分变量的下限；是积分变量的上限；、为其中一个磁性体与其同侧的一组光
纤光栅的位置，-为磁性体与其同侧的光纤光栅之间的距离；分别为两个磁性
体的剩余磁通密度；、分别是其相对磁导率；为可变系数，
表示与面积微元相关的参数，与磁性体的具体结构形状有关。
再依次计算光纤光栅的应力、光纤波长变化量，进而得到中心波长变化量，通过中心波长变化量来获得磁性体在沿中轴方向的位移随时间的变化，然后绘制时域图，通过时域图来获取振动信息。
上述的一种基于光纤光栅的待测物振动的测量方法，光纤光栅的应力按照式（2）计算：
（2）；
式（2）中：为光纤光栅的应力、F为磁性体与光纤光栅之间的距离与二者相互作
用力，A为光纤光栅的表面积。
光纤光栅的应变与光纤光栅的应力 的关系如式（3）：
（3）；
式（3）中：为光纤光栅的应变，为光纤光栅的应力，为光纤光栅的弹性模量。
波长变化量与光纤光栅的应变的关系如式（4）：
（4）；
式（4）中：为中心波长变化量，为光纤光栅的应变传感灵敏系数，为光纤光
栅的应变，为光纤光栅的温度传感灵敏系数，为光纤光栅的温度变化量。
假设其中一组光纤光栅的波长变化量为，另一组光纤光栅的波长变化量为，温度补偿后的中心波长变化量 如式（5）所示：
（5）。
上述的一种基于光纤光栅的待测物振动的测量方法，所述的磁性体整体为梭形结构，其是由两个共同底面的圆锥体组合在一起得到的。
上述的一种基于光纤光栅的待测物振动的测量方法，步骤a中，位于磁性体顶部附近的外壳内壁上的光纤光栅与磁性体的顶部的磁极相同，位于磁性体底部附近的外壳内壁上的光纤光栅与磁性体的底部的磁极相同。
上述的一种基于光纤光栅的待测物振动的测量方法，所述的弹性敏感元件为片簧、螺旋弹簧、平卷簧、弹簧管、波纹管或膜片。
上述的一种基于光纤光栅的待测物振动的测量方法，所述的磁性体的中间最宽的区域与弹性敏感元件连接，弹性敏感元件设置有两组，并且两组弹性敏感元件位于磁性体的相对侧。
上述的一种基于光纤光栅的待测物振动的测量方法，所述的磁性体的顶部和底部距离其同侧的光纤光栅保持一段距离。
本发明的另一目的在于提供一种基于光纤光栅的振动传感器，包括外壳和位于外壳内部的磁性体，所述的外壳用于保护所述的磁性体的结构并感受待测物的振动；在所述的外壳和磁性体之间设置有两组弹性敏感元件，当所述的外壳感受到待测物振动时，通过弹性敏感元件将该振动所产生的力传递至所述的磁性体；所述的磁性体位于外壳的中心轴线上，在所述的磁性体的顶部和底部附近的外壳的内壁上分别设置一组光纤光栅，光纤光栅的外部由磁性材料进行封装，当磁性体上下运动时，光纤光栅随之产生应变。
上述的磁性体为“两头尖、中间宽”的梭形结构，弹性敏感元件连接在磁性体的中间宽的位置，两组弹性敏感元件分别位于磁性体的两侧。
上述的一种基于光纤光栅的振动传感器，所述的外壳的内部与光纤光栅之间粘接在一起，所述的外壳选用非刚性材料制作而成。
上述的一种基于光纤光栅的振动传感器，所述的磁性体的两头指向北方的一端为N极，指向南方的一端为S极；与所述的磁性体相同侧的光纤光栅为N极或S极。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
本发明提出了基于光纤光栅的待测物振动的测量方法，其测量原理为：当待测物振动时，通过弹性敏感元件将该振动所产生的力传递至磁性体，即弹性敏感元件放大振动，迫使磁性体运动，通过位于磁性体上、下端的光纤光栅以及弹性敏感元件的相互作用，可确保磁性体沿重心垂直运动，防止环境扰动，即相当于通过磁力将磁性体的运动轨迹进行了限定,通过磁性体的运动影响光纤光栅的应变，通过两个光纤光栅相减温度补偿，解决了现有机械结构中振动发热导致温度对光纤光栅的影响问题，通过磁性传动结构，减少了机械运动产生的热量对光纤精准度的影响；通过增加磁性阻尼，提高了测量精准度。
本发明测量方法首先得到磁性体与光纤光栅之间的距离与二者相互作用力的关系，然后得到光纤光栅的应力、光纤波长变化量，进而得到中心波长变化量，通过中心波长变化量来获得磁性体在沿中轴方向的位移随时间的变化，然后绘制时域图，通过时域图来获取振动信息。该测量方法中不需要将波长变化量换算成角度，即直接通过时域图可获得振动信息。
本发明提出了基于光纤光栅的待测物振动的振动传感器，使用磁性传动结构，即磁性体与光纤光栅、弹性敏感元件之间方便安装，减少了封装难度。该振动传感器内部结构简单，体积小，抗冲击能力更强，适用范围更广。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明振动传感器的三维结构示意图；
图2为本发明实施例工程验证监测获得振动信号的时域图；
图中：1、外壳，2、弹性敏感元件，3、磁性体，4、光纤光栅。
具体实施方式
本发明中提出了一种基于光纤光栅的待测物振动的测量方法及振动传感器，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
可理解的，本申请中所描述的连接关系指的是直接或间接连接。例如，A与B连接，既可以是A与B直接连接，也可以是A与B之间通过一个或多个其它电学元器件间接连接。例如可以是A与C直接连接，C与B直接连接，从而使得A与B之间通过C实现了连接。还可理解的，本申请中所描述的“A连接B”可以是A与B直接连接，也可以是A与B通过一个或多个其它电学元器件间接连接。
本发明中所述及的“弹性敏感元件”，可以为片簧、螺旋弹簧、平卷簧、弹簧管、波纹管或膜片，其结构借鉴现有技术即可实现，弹性敏感元件主要作用在于，当外壳振动时，放大振动并迫使磁性体产生运动。
如图1所示，本发明基于光纤光栅的振动传感器，包括外壳1为位于外壳1内部的磁性体3，外壳1的主要作用在于保护磁性体并感受待测物的振动，因此，外壳1采用非刚性材质制备而成，外壳1的形状可以是与磁性体3相同结构的梭形体，也可以是圆柱体或正方体，即外壳1的俯视图沿着中心对称即可，这样可以确保磁性体3位于外壳1的中心轴线上。
磁性体3形状为“两头尖、中间宽”的梭形结构，磁性体3位于外壳1的中心轴线上，在磁性体3的顶部和底部外壳1的内壁上分别设置一组光纤光栅，光纤光栅4的外表面由磁性材料进行封装，当磁性体3上下运动时，光纤光栅4随之产生应变。
光纤光栅之所以采用磁性材料进行封装，使其与磁性体之间可产生相互作用力，即通过位于磁性体顶部的光纤光栅4和位于磁性体底部的光纤光栅4与磁性体3之间产生一定的约束力，对磁性体3的运动轨迹进行约束，当磁性体3位于外壳1的中心轴线上时，可确保磁性约束的准确性。
磁性体3与外壳1之间，通过弹性敏感元件连接，本发明优选采用片簧，且在磁性体3的左右两端分别连接一片簧，磁性体3的中心位于外壳1的中轴线上，沿着该中轴线上下运动；片簧连接在外壳1的中间较宽的位置上，具体的，光纤光栅4固定在外壳1的内壁上，通过待测物振动，磁性体3与片簧之间的构成的稳定状态被打破，此时，磁性体3上下运动，光纤光栅4受磁性体3的磁力作用产生应变。
优选的，光纤光栅4粘接在外壳1上，具体的如采用502胶水进行粘接。外壳1形状为梭形，本发明还可以采用圆柱形、正方体来代替上述外壳1的形状。
上述磁性体3的两头指向北方的一端为N极，指向南方的一端为S极；与磁性体3相同侧的光纤光栅4为N极或S极，即磁性体3与光纤光栅4之间的作用力为引力或者斥力。
下面对本发明基于光纤光栅的待测物振动的测量方法做详细说明。
具体包括以下步骤：
使用时，将外壳1固定在待测物上，当待测物发生振动时，外壳1随着待测物一起振动，由于弹性敏感元件2与外壳1紧密连接在一起，因此，随着待测物的振动，弹性敏感元件2与磁性体3的稳定状态被打破，磁性体3产生振动并上下运动，由于磁性体3的位置发生改变，两组光纤光栅4与磁性体3的磁力发生改变，磁性体3与光纤光栅4之间的作用力的关系，如式（1）所示：
（1）；
式（1）中: 为真空磁导率；分别是积分变量的下限；是积分变量的上限；、为其中一个磁性体3与其同侧的一组
光纤光栅4的位置，-为磁性体3与其同侧的光纤光栅4之间的距离；分别为两个
磁性体的剩余磁通密度；、分别是其相对磁导率；为可变系数，表示与面积微元相关的参数，与磁性体的具体结构形状有关。
光纤光栅的应力按照式（2）计算：
（2）；
式（2）中：为光纤光栅的应力、F为磁性体3与光纤光栅4之间的距离与二者相互
作用力，A为光纤光栅的表面积。
光纤光栅的应变与光纤光栅的应力 的关系如式（3）：
（3）；
式（3）中：为光纤光栅的应变，为光纤光栅的应力，为光纤光栅的弹性模量。
波长变化量与光纤光栅的应变的关系如式（4）：
（4）
式（4）中：为中心波长变化量，为光纤光栅应变传感灵敏系数，为光纤光栅应
变，为光纤光栅温度传感灵敏系数，为光纤光栅的温度变化量。
假设其中一组光纤光栅4的波长变化量为，另一组光纤光栅4的波长变化量为，温度补偿后的中心波长变化量 如式（5）所示：
（5）。
上述的两组光纤光栅均连接有光纤解调仪，通过光纤解调仪来读出两组光纤光栅
的波长变化量和。光纤解调仪在外壳1的外面，如通过在外壳1上预留接口，使得光纤
解调仪与光纤光栅连接。
通过中心波长变化量来获得磁性体3在沿中轴方向的位移随时间的变化，然后绘制时域图，通过时域图来获取振动信息。
实施例1：
将本发明基于光纤光栅的振动传感器应用于测量煤矿机电设备转机监测中，转机正常运行时得振动信号的时域图如图2所示。由图2可见，转机正常运行时振动信号平滑，振动幅度较小，转机正常运行时振动频率约为50Hz，其他频率基本无振动信号，转机稳定运行。综上，本发明可以准确对振动进行监测。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本申请，而并非用作为对本申请的限定，只要在本申请的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本申请要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种基于光纤光栅的待测物振动的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、安装所需设备
所需设备为基于光纤光栅的振动传感器，所述的基于光纤光栅的振动传感器包括外壳(1)和位于外壳(1)内部的磁性体(3)，所述的外壳(1)用于保护所述的磁性体(3)的结构并感受待测物的振动；在所述的外壳(1)和磁性体(3)之间设置有至少两组弹性敏感元件(2)，当所述的外壳(1)感受到待测物振动时，通过弹性敏感元件(2)将该振动所产生的力传递至所述的磁性体(3)；所述的磁性体(3)位于外壳(1)的中心轴线上，在所述的磁性体(3)的顶部和底部附近的外壳(1)的内壁上分别设置一组光纤光栅(4)，光纤光栅(4)的外表面由磁性材料进行封装，当磁性体(3)上下运动时，光纤光栅(4)随之产生应变；
b、测量待测物振动
将外壳(1)固定在待测物上，当待测物发生振动时，外壳(1)随着待测物一起振动，弹性敏感元件(2)与磁性体(3)的稳定状态被打破，磁性体(3)产生振动并上下运动，两组光纤光栅(4)与磁性体(3)的磁力发生改变，磁性体(3)与光纤光栅(4)之间的作用力的关系，如式(1)所示：
式(1)中:u0为真空磁导率；u1、u2、u3、u4分别是积分变量X1、X2、X3、X4的下限；v1、v2、v3、v4是积分变量X1、X2、X3、X4的上限；x1、x2为磁性体(3)与一组光纤光栅(4)的位置；x1-x2为磁性体(3)与一组光纤光栅(4)之间的距离；Br1、Br2分别为磁性体(3)与一组光纤光栅(4)的剩余磁通密度；μr1、μr2分别是其相对磁导率；P1、P2、P3、P4为可变系数，X1、X2、X3、X4表示与面积微元相关的参数；
再依次计算光纤光栅(4)的应力、光纤波长变化量，进而得到中心波长变化量，通过中心波长变化量来获得磁性体(3)在沿中轴方向的位移随时间的变化，然后绘制时域图，通过时域图来获取振动信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的待测物振动的测量方法，其特征在于，光纤光栅(4)的应力按照式(2)计算：
σ＝F/A (2)；
式(2)中：σ为光纤光栅(4)的应力、F为磁性体(3)与光纤光栅(4)之间的相互作用力，A为光纤光栅(4)的表面积；
光纤光栅(4)的应变ε与光纤光栅(4)的应力σ的关系如式(3)：
σ＝Eε (3)；
式(3)中：ε为光纤光栅(4)的应变，σ为光纤光栅(4)的应力，E为光纤光栅(4)的弹性模量；
波长变化量Δλi与光纤光栅(4)的应变ε的关系如式(4)：
Δλi＝αεε+αTΔT (4)
式(4)中：Δλi为中心波长变化量，αε为光纤光栅(4)的应变传感灵敏系数，ε为光纤光栅(4)的应变，αT为光纤光栅(4)的温度传感灵敏系数，ΔT为光纤光栅(4)的温度变化量；
假设其中一组光纤光栅(4)的波长变化量为Δλ1，另一组光纤光栅(4)的波长变化量为Δλ2，温度补偿后的中心波长变化量Δλ如式(5)所示：
Δλ＝(Δλ1-Δλ2)/2 (5)。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的待测物振动的测量方法，其特征在于：所述的磁性体(3)整体为梭形结构，其是由两个共同底面的圆锥体组合在一起得到的。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的待测物振动的测量方法，其特征在于：步骤a中，位于磁性体(3)顶部附近的外壳(1)内壁上的光纤光栅(4)与磁性体(3)的顶部的磁极相同，位于磁性体(3)底部附近的外壳(1)内壁上的光纤光栅(4)与磁性体(3)的底部的磁极相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的待测物振动的测量方法，其特征在于：所述的弹性敏感元件(2)为片簧、螺旋弹簧、平卷簧、弹簧管、波纹管或膜片。
6.根据权利要求3所述的一种基于光纤光栅的待测物振动的测量方法，其特征在于：所述的磁性体(3)的中间最宽的区域与弹性敏感元件(2)连接，弹性敏感元件(2)设置有两组，并且两组弹性敏感元件(2)位于磁性体(3)的相对侧。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的待测物振动的测量方法，其特征在于：所述的磁性体(3)的顶部和底部距离其同侧的光纤光栅(4)保持一段距离。
8.一种基于光纤光栅的振动传感器，其特征在于，包括外壳(1)和位于外壳(1)内部的磁性体(3)，所述的外壳(1)用于保护所述的磁性体(3)的结构并感受待测物的振动；在所述的外壳(1)和磁性体(3)之间设置有两组弹性敏感元件(2)，当所述的外壳(1)感受到待测物振动时，通过弹性敏感元件(2)将该振动所产生的力传递至所述的磁性体(3)；所述的磁性体(3)位于外壳(1)的中心轴线上，在所述的磁性体(3)的顶部和底部附近的外壳(1)的内壁上分别设置一组光纤光栅(4)，光纤光栅(4)的外部由磁性材料进行封装，当磁性体(3)上下运动时，光纤光栅(4)随之产生应变；
所述的磁性体(3)为“两头尖、中间宽”的梭形结构，弹性敏感元件(2)连接在磁性体(3)的中间宽的位置，两组弹性敏感元件(2)分别位于磁性体(3)的两侧。
9.根据权利要求8所述的一种基于光纤光栅的振动传感器，其特征在于：所述的外壳(1)的内部与光纤光栅(4)之间粘接在一起，所述的外壳(1)选用非刚性材料制作而成。
10.根据权利要求8所述的一种基于光纤光栅的振动传感器，其特征在于：所述的磁性体(3)的两头指向北方的一端为N极，指向南方的一端为S极；与所述的磁性体(3)相同侧的光纤光栅(4)为N极或S极。
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