CN117928713A - 一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法 - 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测量方法，涉及光纤光栅传感器技术领域。测量系统包括外壳，外壳可感受待测物的振动；在外壳内安装有支撑装置和传动装置，支撑装置安装在外壳侧壁的下部位置，传动装置包括凸轮、第一连杆、第二连杆以及滚子，所述的凸轮套设在转轴上，转轴安装在支撑装置上，第二连杆安装在支撑装置上，滚子安装在第一连杆上，滚子与凸轮接触配合，第一连杆和第二连杆的一端转动连接；第二连杆的另一端垂直向上，并且与位于外壳内上方的空心正方体接触；本发明通过磁性传动结构，减少了机械运动产生的热量对光纤精准度的影响，并添加了温度补偿设计。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感器技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法。
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。
光纤光栅微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。光纤光栅微震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、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。
现有技术中有关光纤光栅振动传感器方面的研究有：申请号201310443134.6公开了一种用于铁路沿线危岩落石监测的光纤光栅振动传感器，包括：支撑壳体；L型转动杆，所述L型转动杆具有在长度方向上相互垂直并相交的两个臂；所述L型转动杆还具有转动轴，所述转动轴垂直于所述两个臂并固定至所述支撑壳体，使得所述L型转动杆能够相对于所述转动轴转动；应变光纤光栅，所述应变光纤光栅的第一端封装在所述L型转动杆的第一臂上，所述应变光纤光栅的第二端封装在所述支撑壳体上；以及过载保护装置。申请号201510748293.6公开了一种光纤光栅微振动传感器，它包括一支座，支座为u字型结构，具有第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁的内侧具有第一台阶；第二侧壁顶端有向第一侧壁延伸的横梁，在第二侧壁的外侧设置有第二台阶和第三台阶，在第二台阶上设置有调节梁，在第三台阶上设置有补偿柱；第二侧壁上开有竖直槽；在支座上设置有倒T型的弹性片，弹性片的头部固定在第一侧壁内侧的第一台阶上，弹性片的尾部固定连接上质量块和下质量块；弹性片的中部设置有一向上的折起片，在折起片上设置有第一微孔；调节梁包括竖板和横板，竖板底部设置有凸缘，在第二台阶上设置有导槽，凸缘与导槽相适配使调节梁的凸缘在导槽中枢转；调节梁的竖板通过第一紧固螺钉与支座的第二侧壁连接。
上述光纤光栅振动传感器各有其优点，能更好适应常见振动的信号转换，但是也存在下列问题：缺少温度补偿的设计，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；未加阻尼设计，连杆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；悬臂结构挠度变化小，传感器的灵敏度有限。
由此可见，现有技术有待于进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，旨在解决现有部分光纤振动传感器结构较为复杂；缺少温度补偿的设计，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；未加阻尼设计；使用悬臂结构导致挠度变化小，传感器的灵敏度受限；光纤光栅在预拉时预拉力难以控制容易出现断裂；机械结构振动发热导致温度对光纤光栅本身的影响的问题。
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测量方法，包括以下步骤：步骤一、安装所需测量系统，所述的测量系统包括外壳，所述的外壳可感受待测物的振动；在所述的外壳内安装有支撑装置和传动装置，支撑装置安装在外壳侧壁的下部位置，所述的传动装置包括凸轮、第一连杆、第二连杆以及滚子，所述的凸轮套设在转轴上，所述的转轴安装在支撑装置上，所述的第二连杆安装在支撑装置上，所述的滚子安装在第一连杆上，所述的滚子与凸轮接触配合，所述的第一连杆和第二连杆的一端转动连接。
所述的第二连杆的另一端垂直向上，并且与位于外壳内上方的空心正方体接触；所述的空心正方体通过悬臂梁与外壳固定在一起；在与转轴一条直线上的凸轮的两端分别设置第一永磁体、第二永磁体；在凸轮附近的外壳内壁上设置有第一布拉格光纤，在支撑装置上设置有第二布拉格光纤，所述的第一布拉格光纤、第二布拉格光纤外部均由磁性材料封装，并受凸轮的磁力作用产生应变。
步骤二、当待测物发生振动时，外壳随着待测物一起振动，悬臂梁将该振动传递至空心正方体，空心正方体的惯性推动第二连杆运动，第二连杆带动第一连杆转动，第一连杆带动凸轮转动；凸轮转动时，第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的应力产生变化。
步骤三、计算第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的应力，然后再计算第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的应变；得出第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的应变与波长变化量的关系式计算出第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的中心波长变化量，最终得到温度补偿后的中心波长变化量。
上述的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，步骤三中，第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的应力均由式（1）计算得到：
（1）。
式（1）中：为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的应力；F为凸轮与第一布拉格光
纤或第二布拉格光纤的相互作用力；A为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的表面积。
上述的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，步骤三中，第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的应变均由式（2）计算得到：
（2）。
式（2）中，为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的应变；为第一布拉格光纤或第
二布拉格光纤的弹性模量。
上述的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，步骤三中，第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的中心波长变化量均由式（3）计算得到：
（3）。
式（3）中，为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的中心波长变化量，为第一
布拉格光纤或第二布拉格光纤的应变传感灵敏系数， 为第一布拉格光纤或第二布拉格
光纤的温度传感灵敏系数，为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的温度变化量。
上述的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，步骤三中，温度补偿后的第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的中心波长变化量由式（4）计算得到：
（4）。
式（4）中，为第一布拉格光纤的中心波长变化量，为第二布拉格光纤的中心
波长变化量；为温度补偿后的中心波长变化量。
上述的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，所述的支撑装置为T形，包括底座和支撑体，所述的支撑体为梯形，在所述的支撑体上设置有用于安装转轴的安装孔，在所述的安装孔的另一侧设置有空心筒，所述的第二连杆穿过所述的空心筒。
上述的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，所述的第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的长度与凸轮的长度匹配。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：（1）本发明提供的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，针对缺少温度补偿的设计，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，并添加了温度补偿设计。
（2）本发明提供的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，针对未加阻尼设计，增加了磁性阻尼，解决连杆的自由振动容易干扰测量信号问题，提高传感器精度。
（3）本发明提供的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，针对悬臂结构挠度变化小，传感器的灵敏度有限的问题，使用磁性传动结构，提高了传感器灵敏度，减少了封装难度。
（4）本发明提供的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，针对光纤光栅在预拉时预拉力难以控制容易出现断裂问题，使用磁性传动结构，减少了封装难度。
附图说明
图1为本发明所需测量系统的结构示意图。
图2为凸轮结构示意图。
图3为凸轮的上视图。
图4为凸轮的左视图。
图5为凸轮的下视图。
图6为本发明实施例工程验证监测获得的振动信号的时域图。
图中：1、外壳；2、底座；3、转轴；4、悬臂梁；5、空心正方体；6、第二连杆；7、第一连杆；8、凸轮；9、滚子；10、第一布拉格光纤；11、第二布拉格光纤。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
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。
在本申请的描述中，“第一”、“第二”等字样仅用于区别不同对象，并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
下面结合附图来对本申请的技术方案作进一步的详细描述。
本发明一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，其所需测量系统的结构如图1所示，包括外壳1、支撑装置、传动装置、悬臂梁4、空心正方体5、第一布拉格光纤10以及第二布拉格光纤11，外壳1可感受待测物的振动，外壳1的材质优选为非刚性材料做成，这样可以保护内部结构并感受待测对象振动。
支撑装置形状近似为T形，包括底座2和和支撑体，支撑体为梯形，优选为不规则梯形，在所述的支撑体上设置有用于安装转轴3的安装孔，在所述的安装孔的另一侧设置有空心筒，所述的第二连杆6穿过所述的空心筒，当待测物振动时，悬臂梁4将振动传递至空心正方体5，空心正方体5带动与其接触的第二连杆6进行运动，第二连杆6在空心筒内也可转动，空心筒对第二连杆6起到限位的作用。支撑装置安装在外壳1侧壁的下部位置，具体的，底座2安装在外壳1侧壁的下部位置，二者固定连接在一起，支撑体的上表面朝向外壳1的另一侧，安装好的支撑装置，其第二连杆6是竖直向上的，第二连杆6的顶部恰好接触空心正方体5的底部。
空心正方体5其形状类似一把“锤子”，其接收悬臂梁4传递的振动，并敲击第二连杆6，使得第二连杆6产生向下的力。
传动装置包括凸轮8、第一连杆7、第二连杆6以及滚子9，凸轮8套设在转轴3上，优选的，转轴3安装在支撑装置的支撑体上，在支撑体上设置有与该转轴3配合的安装孔。第二连杆6安装在支撑装置上，滚子9安装在第一连杆7上，滚子9的形状如采用圆柱形，滚子9与凸轮8接触配合，所述的第一连杆7和第二连杆6的一端转动连接。当第二连杆6运动时，带动第一连杆7运动，从而带动凸轮8运动。
所述的空心正方体5通过悬臂梁4与外壳1固定在一起；在与转轴3一条直线上的凸轮8的两端分别设置第一永磁体、第二永磁体；在凸轮8附近的外壳1内壁上设置有第一布拉格光纤10，在支撑装置上设置有第二布拉格光纤11，所述的第一布拉格光纤10、第二布拉格光纤11外部均由磁性材料封装，并受凸轮8的磁力作用产生应变。
下面结合上述系统对本发明测试方法做详细说明。
具体步骤为：第一步、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会随着待测物体一起振动，悬臂梁4与外壳1紧密固定。
第二步、通过悬臂梁4将该振动所产生的力传递给空心正方体5，由于空心正方体5的惯性推动第二连杆6运动，第二连杆6带动第一连杆7转动，第一连杆7带动凸轮8转动。
第三步、由于凸轮8的两端分别设置第一永磁体、第二永磁体，当凸轮8转动时，第一布拉格光纤10、第二布拉格光纤11会吸附转动的凸轮8上的第一永磁体、第二永磁体，凸轮8往复运动，光纤应力发生变化，造成多模光纤接收到的光功率不同。
第一布拉格光纤10、第二布拉格光纤11的应力均由式（1）计算得到：
（1）。
式（1）中：为第一布拉格光纤10或第二布拉格光纤11的应力；F为凸轮8与第一布
拉格光纤10或第二布拉格光纤11的相互作用力；A为第一布拉格光纤10或第二布拉格光纤
11的表面积。
F按照下式来计算：
其中μ0为真空磁导率；分别是积分变量；X1、X2、X3、X4的下限；是积分变量X1、X2、X3、X4的上限；x1、x2为凸轮8与其同侧的布拉格光纤的位
置，x1-x2为凸轮8与其同侧的一组布拉格光纤的距离，为第一永磁体，为第二永磁体；和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，与磁性体的具体结构形状无关。
第一布拉格光纤10、第二布拉格光纤11的应变均由式（2）计算得到：
（2）。
式（2）中，为第一布拉格光纤10或第二布拉格光纤11的应变；为第一布拉格光纤
10或第二布拉格光纤11的弹性模量。
上述的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，步骤三中，第一布拉格光纤10、第二布拉格光纤11的中心波长变化量均由式（3）计算得到：
（3）。
式（3）中，为第一布拉格光纤10或第二布拉格光纤11的中心波长变化量，为
第一布拉格光纤10或第二布拉格光纤11的应变传感灵敏系数， 为第一布拉格光纤10或
第二布拉格光纤11的温度传感灵敏系数，为第一布拉格光纤10或第二布拉格光纤11的
温度变化量。
上述的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，步骤三中，温度补偿后的第一布拉格光纤10、第二布拉格光纤11的中心波长变化量由式（4）计算得到：
（4）。
式（4）中，为第一布拉格光纤10的中心波长变化量，为第二布拉格光纤11的
中心波长变化量；为温度补偿后的中心波长变化量。
实施例1：将本发明测试系统应用于测量煤矿机电设备转机监测，转机正常运行时获得振动信号的时域图，如图6所示。由图6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40Hz，在振动频率２倍（80Hz）时出现小振幅，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。
综上所述，本发明可以准确对振动进行监测，提高了监测精度。
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 (7)
1.一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、安装所需测量系统，所述的测量系统包括外壳，所述的外壳可感受待测物的振动；在所述的外壳内安装有支撑装置和传动装置，支撑装置安装在外壳侧壁的下部位置，所述的传动装置包括凸轮、第一连杆、第二连杆以及滚子，所述的凸轮套设在转轴上，所述的转轴安装在支撑装置上，所述的第二连杆安装在支撑装置上，所述的滚子安装在第一连杆上，所述的滚子与凸轮接触配合，所述的第一连杆和第二连杆的一端转动连接；
所述的第二连杆的另一端垂直向上，并且与位于外壳内上方的空心正方体接触；所述的空心正方体通过悬臂梁与外壳固定在一起；在与转轴一条直线上的凸轮的两端分别设置第一永磁体、第二永磁体；在凸轮附近的外壳内壁上设置有第一布拉格光纤，在支撑装置上设置有第二布拉格光纤，所述的第一布拉格光纤、第二布拉格光纤外部均由磁性材料封装，并受凸轮的磁力作用产生应变；
步骤二、当待测物发生振动时，外壳随着待测物一起振动，悬臂梁将该振动传递至空心正方体，空心正方体的惯性推动第二连杆运动，第二连杆带动第一连杆转动，第一连杆带动凸轮转动；凸轮转动时，第一布拉格光纤、第二布拉格光纤会吸附转动的凸轮上的第一永磁体、第二永磁体，凸轮往复运动，布拉格光纤应力发生变化；
步骤三、计算第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的应力，然后再计算第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的应变；得出第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的应变与波长变化量的关系式计算出第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的中心波长变化量，最终得到温度补偿后的中心波长变化量。
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测量方法，其特征在于：步骤三中，第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的应力均由式（1）计算得到：
（1）；
式（1）中：为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的应力；F为凸轮与第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的相互作用力；A为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的表面积。
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测量方法，其特征在于：步骤三中，第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的应变均由式（2）计算得到：
（2）；
式（2）中，为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的应变；/>为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的弹性模量。
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测量方法，其特征在于：步骤三中，第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的中心波长变化量均由式（3）计算得到：
（3）；
式（3）中，为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的中心波长变化量，/>为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的应变传感灵敏系数， />为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的温度传感灵敏系数，/>为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的温度变化量。
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测量方法，其特征在于：步骤三中，温度补偿后的第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的中心波长变化量由式（4）计算得到：
（4）；
式（4）中，为第一布拉格光纤的中心波长变化量，/>为第二布拉格光纤的中心波长变化量；/>为温度补偿后的中心波长变化量。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，其特征在于：所述的支撑装置为T形，包括底座和支撑体，所述的支撑体为梯形，在所述的支撑体上设置有用于安装转轴的安装孔，在所述的安装孔的另一侧设置有空心筒，所述的第二连杆穿过所述的空心筒。
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测量方法，其特征在于：所述的第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的长度与凸轮的长度匹配。
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