CN117664013A - 一种光纤光栅应变测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种光纤光栅应变测量装置及测量方法，测量装置包括：环形光源、环形挡板、环形接收器和光纤光栅解调仪。环形光源，包括：一组沿圆周阵列分布的C波段宽带光谱LED和环形光源轴承；环形挡板用于阻断环形光源直接耦合到环形器，环形接收器用于接收旋转轴上光纤光栅信号，光纤光栅解调仪用于波长‑应变转换。光纤光栅解调仪与环形接收器连接，环形器与光纤光栅应变传感器固定在被测旋转轴上，环形器的另外两个接口分别与入射光纤准直器、出射光纤准直器连接，将被测旋转轴上的被测量传递到固定端的环形接收器。本发明技术方案，采用环形光源和环形接收器组成光纤光栅应变测量系统，能够实现旋转轴上应变测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅应变测量技术领域，特别涉及一种光纤光栅应变测量装置及测量方法。
背景技术
在诸如强电磁场干扰、易燃易爆、盐雾腐蚀等特殊条件下，传统基于电阻应变片的应变测量技术可靠性难以得到保障。光纤光栅应变传感器作为纯光学器件，不受外界电磁干扰，采用波长编码，易于组网，构成应变监测网络。但在主轴、转塔等旋转装备测量中，必须解决光纤光栅缠绕问题，常用的解决方法是使用光纤互连器。对于转轴应变测量应用而言，同轴光纤互连器一般无法满足现场要求，而旁轴光纤互连器具有结构复杂、成本高、传输损耗大等问题。
因此，如何提供一种光纤光栅应变测量装置及测量方法，采用环形光源和环形接收器组成光纤光栅应变测量系统，实现旋转轴上应变测量，已经成为一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种光纤光栅应变测量装置及测量方法，采用环形光源和环形接收器组成光纤光栅应变测量系统，实现旋转轴上应变测量。
本发明的一个实施例中，提供一种光纤光栅应变测量装置，所述测量装置基于环形光源和环形接收器，包括：一个环形光源、一个环形挡板、一个环形接收器和一个光纤光栅解调仪。
所述环形光源，包括：一组沿圆周阵列分布的C波段宽带光谱LED和环形光源轴承，所述C波段宽带光谱LED串联连接，采用恒流驱动；所述环形光源轴承与被测旋转轴连接配合；
所述环形挡板，用于阻断所述环形光源直接耦合到环形器，所述环形挡板与所述被测旋转轴一起旋转，光源接收准直器固定在所述环形挡板的开孔；
所述环形接收器，用于接收旋转轴上光纤光栅信号，包括一组沿圆周阵列的光纤准直器和环形接收器轴承，所述阵列准直器通过耦合器合成1路信号输出，并与所述光纤光栅解调仪连接；所述环形接收器轴承与所述被测旋转轴连接配合；
所述光纤光栅解调仪，用于波长-应变转换，所述光纤光栅解调仪与所述环形接收器连接，所述环形器与光纤光栅应变传感器固定在被测旋转轴上，所述环形器的另外两个接口分别与入射光纤准直器、出射光纤准直器连接，将所述被测旋转轴上的被测量传递到固定端的环形接收器。
进一步地，所述C波段宽带光谱LED和所述光纤准直器的数量分别为8个。
进一步地，所述测量装置，包括：一个电源模块；
所述电源模块控制所述环形光源1阵列布置的所述C波段宽带光谱LED，输出恒定光强的宽带空间光；所述环形光源通过环形光源轴承与被测旋转轴连接。
本发明的又一个实施例中，提供一种光纤光栅应变测量方法，所述测量方法基于以上任一项所述的光纤光栅应变测量装置，包括：
环形光源上阵列布置的C波段宽带光谱LED输出恒定光强的宽带空间光，所述宽带空间光通过光源接收准直器耦合到环形器，并传给光纤光栅应变传感器，携带被测应变信息的窄带光再经环形器，经由应变输出准直器输出；
所述光源接收准直器、应变输出准直器、环形器和光纤光栅应变传感器固定在被测旋转轴上，并随所述被测旋转轴一起转动；
应变输出准直器输出携带被测应变信息的窄带光信号，通过所述环形接收器上阵列布置的光纤准直器耦合到光纤光栅解调仪，实现被测应变值的解调。
进一步地，所述测量方法，包括：
光纤光栅应变传感器的中心波长漂移量ΔλB用来测量旋转轴上待测区的应变ε，则
ΔλB＝λBKεε
式中，λB为光纤光栅应变传感器的初始中心波长，Kε为光纤光栅应变传感器的应变灵敏度系数。
本发明所带来的有益效果如下：
从上述方案可以看出，本发明实施例提供一种光纤光栅应变测量装置及测量方法，所述测量装置基于环形光源和环形接收器，包括：一个环形光源、一个环形挡板、一个环形接收器和一个光纤光栅解调仪。环形光源，包括：一组沿圆周阵列分布的C波段宽带光谱LED和环形光源轴承；环形挡板，用于阻断所述环形光源直接耦合到环形器；环形接收器，用于接收旋转轴上光纤光栅信号，包括一组沿圆周阵列的光纤准直器和环形接收器轴承，光纤光栅解调仪，用于波长-应变转换。光纤光栅解调仪与环形接收器连接，环形器与光纤光栅应变传感器固定在被测旋转轴上，环形器的另外两个接口分别与入射光纤准直器、出射光纤准直器连接，将被测旋转轴上的被测量传递到固定端的环形接收器。本发明技术方案，采用环形光源和环形接收器组成光纤光栅应变测量系统，实现旋转轴上应变测量。
附图说明
图1表示本发明实施例的一种光纤光栅应变测量装置结构示意图；
图2表示本发明实施例的一种光纤光栅应变测量装置的环形挡板正面结构示意图；
图3表示本发明实施例的一种光纤光栅应变测量装置的环形光源正面结构示意图；
图4表示本发明实施例的一种光纤光栅应变测量装置的环形接收器证明结构示意图；
图中，1为环形光源，2为C波段宽带光谱LED，3为光源接收准直器，4为环形器，5为被测旋转轴，6为光纤光栅应变传感器，7为应变输出准直器，8为环形接收器，9为阵列准直器，10为光纤光栅解调仪，11为电源模块，12为环形挡板，13为环形光源轴承，14为环形接收器轴承。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中，一种光纤光栅应变测量装置及测量方法，基于环形光源和环形接收器的光纤光栅应变测量装置可以实现在旋转装置上的应变测量，使用环形光源和环形接收器解决了光纤缠绕，以及传统光纤旋转连接器需要占用旋转轴轴心的问题，具有结构简单、耦合效率高、稳定性好的特点，可以实现广泛推广的有益效果。
一种光纤光栅应变测量装置，所述测量装置基于环形光源和环形接收器，包括：一个环形光源、一个环形挡板、一个环形接收器和一个光纤光栅解调仪。
所述环形光源，包括：一组沿圆周阵列分布的C波段宽带光谱LED和环形光源轴承，所述C波段宽带光谱LED串联连接，采用恒流驱动；所述环形光源轴承与被测旋转轴连接配合；
所述环形挡板，用于阻断所述环形光源直接耦合到环形器，所述环形挡板与所述被测旋转轴一起旋转，光源接收准直器固定在所述环形挡板的开孔；
所述环形接收器，用于接收旋转轴上光纤光栅信号，包括一组沿圆周阵列的光纤准直器和环形接收器轴承，所述阵列准直器通过耦合器合成1路信号输出，并与所述光纤光栅解调仪连接；所述环形接收器轴承与所述被测旋转轴连接配合。
本发明实施例中，分别为8个。
可以理解的是，在本发明实施例的其它实施方式中，所述C波段宽带光谱LED和所述光纤准直器的数量，能够根据实际需求增加，提高系统输入光信号强度及均匀性，保证光信号的耦合效率。具体数量，在此并不进行具体限制。
所述光纤光栅解调仪，用于波长-应变转换，所述光纤光栅解调仪与所述环形接收器连接，所述环形器与光纤光栅应变传感器固定在被测旋转轴上，所述环形器的另外两个接口分别与入射光纤准直器、出射光纤准直器连接，将所述被测旋转轴上的被测量传递到固定端的环形接收器。
本发明实施例中，所述测量装置，包括：一个电源模块；
所述电源模块控制所述环形光源1阵列布置的所述C波段宽带光谱LED，输出恒定光强的宽带空间光；所述环形光源通过环形光源轴承与被测旋转轴连接。
如图1至图4所示，图1表示本发明实施例的一种光纤光栅应变测量装置结构示意图；图2表示本发明实施例的一种光纤光栅应变测量装置的环形挡板正面结构示意图；图3表示本发明实施例的一种光纤光栅应变测量装置的环形光源正面结构示意图；图4表示本发明实施例的一种光纤光栅应变测量装置的环形接收器证明结构示意图。
图中，一种基于环形光源和环形接收器的光纤光栅应变测量装置基本结构，包括：提供光纤光栅应变传感器6所需的环形光源1和用于被测旋转轴5上光纤光栅信号的环形接收器8，以及用于输出应变值的光纤光栅解调仪10。所述的环形光源1由阵列的C波段宽带光谱LED2组成，所述的环形挡板12起到固定光源接收准直器3以及隔断空间宽带光的作用。所述的环形接收器8由阵列准直器9组成。环形光源和环形接收器分别通过环形光源轴承13、环形接收器轴承14与被测旋转轴5配合。所述的光纤光栅解调仪10与所述环形接收器8相连接。所述的环形器4与光纤光栅应变传感器6一起固定在被测旋转轴5上，所述环形器4的另外两个接口与光源接收准直器3、应变输出准直器7相连接，实现将被测旋转轴5上的被测量传递到固定端的环形接收器8。
光纤光栅应变传感器的中心波长漂移量ΔλB用来测量旋转轴上待测区的应变ε，则
ΔλB＝λBKεε
式中，λB为光纤光栅应变传感器的初始中心波长，Kε为光纤光栅应变传感器的应变灵敏度系数。
图2中，环形挡板12作用的是阻断环形光源1直接耦合到环形接收器8。所述环形挡板12与被测旋转轴5一起旋转，将光源接收准直器3固定在所述环形挡板12开孔上，使光源接收准直器3在随被测旋转轴5旋转时，始终能接收到来自环形光源1的宽带空间光。
图3中，环形光源1包括8个(或更多)阵列的C波段宽带光谱LED2，可根据实际需求增加C波段宽带光谱LED2的数量，提高系统输入光信号强度及均匀性。所述的C波段宽带光谱LED2串联在一起，采用恒流驱动，以保证所有的LED工作电流一致，确保环形光源1的输出光强稳定。所述的环形光源1通过环形光源轴承13与被测旋转轴5配合，从而实现环形光源1相对固定以避免电源模块11与环形光源1相连接的电线产生缠绕现象。
图4中，所述的环形接收器8包括8个光纤准直器的阵列准直器9，可根据实际需求设计光纤准直器的数量，保证光信号的耦合效率。所述的阵列准直器9通过耦合器合成1路信号输出，并与光纤光栅解调仪10连接。所述的环形接收器8通过环形接收器轴承14与被测旋转轴5配合。
本发明的又一个实施例中，一种基于环形光源和环形接收器的光纤光栅应变测量方法，包括：
电源模块11控制环形光源1上阵列布置的C波段宽带光谱LED2，输出恒定光强的宽带空间光；环形光源1通过环形光源轴承13与被测旋转轴5连接。
宽带空间光通过光源接收准直器3耦合到环形器4，并传给光纤光栅应变传感器6，携带被测应变信息的窄带光再经环形器4，经由应变输出准直器7输出。光源接收准直器3、应变输出准直器7、环形器4和光纤光栅应变传感器6一起固定在被测旋转轴5上并随之一起转动。
应变输出准直器7输出携带被测应变信息的窄带光信号，通过环形接收器8上阵列布置的光纤准直器9耦合到光纤光栅解调仪10，从而实现被测应变值的解调。环形接收器8通过环形接收器轴承14与被测旋转轴5连接。
本发明实施例中，一种光纤光栅应变测量方法，包括：
环形光源上阵列布置的C波段宽带光谱LED输出恒定光强的宽带空间光，所述宽带空间光通过光源接收准直器耦合到环形器，并传给光纤光栅应变传感器，携带被测应变信息的窄带光再经环形器，经由应变输出准直器输出；
所述光源接收准直器、应变输出准直器、环形器和光纤光栅应变传感器固定在被测旋转轴上，并随所述被测旋转轴一起转动；
应变输出准直器输出携带被测应变信息的窄带光信号，通过所述环形接收器上阵列布置的光纤准直器耦合到光纤光栅解调仪，实现被测应变值的解调。
本发明实施例中，电源模块控制环形光源上的阵列LED输出恒定光强的宽带空间光，环形光源通过轴承与被测旋转轴连接，确保光源与接收器运动同轴，并解决光源供电模块电线产生旋转缠绕问题。
宽带空间光通过入射光纤准直器耦合到环形器和光纤光栅应变传感器，携带被测应变信息的窄带光再经环形器由出射光纤准直器输出。入射光纤准直器、出射光纤准直器、环形器和光纤光栅应变传感器一起，固定在被测旋转轴上并随之一起转动。
出射光纤准直器输出的携带被测应变信息的窄带光信号，通过环形接收器上的光纤准直器耦合到光纤光栅解调仪，从而实现被测应变值的测量。环形接收器通过轴承与被测旋转轴连接，减小旋转跳动引起的光强波动，解决与光纤光栅解调仪相连接的光纤跳线产生旋转缠绕问题。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种光纤光栅应变测量装置，其特征在于，所述测量装置基于环形光源和环形接收器，包括：一个环形光源、一个环形挡板、一个环形接收器和一个光纤光栅解调仪；
所述环形光源，包括：一组沿圆周阵列分布的C波段宽带光谱LED和环形光源轴承，所述C波段宽带光谱LED串联连接，采用恒流驱动；所述环形光源轴承与被测旋转轴连接配合；
所述环形挡板，用于阻断所述环形光源直接耦合到环形器，所述环形挡板与所述被测旋转轴一起旋转，光源接收准直器固定在所述环形挡板的开孔；
所述环形接收器，用于接收旋转轴上光纤光栅信号，包括一组沿圆周阵列的光纤准直器和环形接收器轴承，所述阵列准直器通过耦合器合成1路信号输出，并与所述光纤光栅解调仪连接；所述环形接收器轴承与所述被测旋转轴连接配合；
所述光纤光栅解调仪，用于波长-应变转换，所述光纤光栅解调仪与所述环形接收器连接，所述环形器与光纤光栅应变传感器固定在被测旋转轴上，所述环形器的另外两个接口分别与入射光纤准直器、出射光纤准直器连接，将所述被测旋转轴上的被测量传递到固定端的环形接收器。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅应变测量装置，其特征在于，所述C波段宽带光谱LED和所述光纤准直器的数量分别为8个。
3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅应变测量装置，其特征在于，所述测量装置，包括：一个电源模块；
所述电源模块控制所述环形光源1阵列布置的所述C波段宽带光谱LED，输出恒定光强的宽带空间光；所述环形光源通过环形光源轴承与被测旋转轴连接。
4.一种光纤光栅应变测量方法，其特征在于，所述测量方法基于如权利要求1至3任一项所述的光纤光栅应变测量装置，包括：
环形光源上阵列布置的C波段宽带光谱LED输出恒定光强的宽带空间光，所述宽带空间光通过光源接收准直器耦合到环形器，并传给光纤光栅应变传感器，携带被测应变信息的窄带光再经环形器，经由应变输出准直器输出；
所述光源接收准直器、应变输出准直器、环形器和光纤光栅应变传感器固定在被测旋转轴上，并随所述被测旋转轴一起转动；
应变输出准直器输出携带被测应变信息的窄带光信号，通过所述环形接收器上阵列布置的光纤准直器耦合到光纤光栅解调仪，实现被测应变值的解调。
5.根据权利要求4所述的一种光纤光栅应变测量方法，其特征在于，所述测量方法，包括：
光纤光栅应变传感器的中心波长漂移量ΔλB用来测量旋转轴上待测区的应变ε，则
ΔλB＝λBKεε
式中，λB为光纤光栅应变传感器的初始中心波长，Kε为光纤光栅应变传感器的应变灵敏度系数。
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