CN1324304C - 多功能光纤光栅传感实验仪 - Google Patents

Abstract

一种多功能光纤光栅传感实验仪，包括箱体、光源接口，设有相同光纤光栅传感头的悬臂梁及可调的顶杆的传感单元、解调单元，设有光电探测器、放大电路、滤波电路、多路切换开关、数据采集卡、数据处理模块的数据处理单元，设有数显表和数显终端的数显单元以及连接它们的光纤耦合链路构成系统；本发明由于采用结构相同的双悬臂梁双可调的顶杆及参数接近的多光纤光栅传感头的技术方案，克服了现有技术中单点测试、解调方法复杂、实验仪器昂贵的缺陷，实现手动调谐解调悬臂梁挠度，该挠度数据由计算机直接采集，使之具有交互式功能；本发明传感单元采用多个光纤光栅，可完成光纤光栅准分布式测量技术的重要教学内容；特别适用于相关实验室的教学之用。

Description

多功能光纤光栅传感实验仪

技术领域

本发明涉及一种实验仪，特别涉及一种用于教学的多功能光纤光栅传感实验仪。

背景技术

现有用于教学的光纤光栅传感实验仪，可实现应变和温度测试。公开号为CN1605835A的中国发明专利申请披露了实现电流、倾斜角度、振动和位移等参数的检测以及进行光纤导光，光纤弯曲损耗，温度检测实验等。但该申请中披露的物理参量为单点测试，不能满足光纤光栅传感技术的应用，如分布式测试的实验教学。其采用分开封装方式的元器件，故成本并不会低，且位移测微头为人工读数方式，易引入误差，使用也欠方便。另外，公开号为CN1494237A的中国发明专利申请披露了在二个耦合器之间设一可插入可调滤波器的连接点的构思，这种插值元器件的价格较高，更适合于工程实际自动快速测试，正是这种自动测试使光纤光栅的工作原理和解调过程无法通过手动直观的交互式了解到，不适宜作教学仪器之用。

发明内容

针对上述情况，本发明的目的在于提供一种能实现多点准分布式应变检测，适于原理解剖教学且整体结构紧凑实用的多功能光纤光栅传感实验仪。

为实现上述目的，一种多功能光纤光栅传感实验仪，包括由箱体、宽带光源、传感单元、解调单元、数据处理单元、数显单元以及连接它们的光纤耦合链路构成系统，其中系统还设有引入宽带光源的光源接口，所述传感单元和所述解调单元均设有包括与箱体固联的悬臂梁支撑架，固定于支撑架上的悬臂梁，设置于悬臂梁上的光纤光栅传感头以及与悬臂梁垂直设置的可调的顶杆，所述数据处理单元包括光电探测器、放大电路、滤波电路、多路切换开关、数据采集卡、数据处理模块；所述数显单元包括数显表和数显终端；所述光纤耦合链路包括宽带光源从光源接口经第一耦合器到传感单元的光纤光栅传感头并原路返回到第一个光纤耦合器后，再经过第二个光纤耦合器的输出端与所述解调单元中的光纤光栅传感头的一端连接，通过光纤光栅透射后，其光纤光栅传感头的另一端则先后与光电探测器、放大电路、滤波电路及多路切换开关相连，而此多路切换开关的输出信号经数据采集卡采集后输入数据处理模块，同时切换开关输出的信号经过数显表并输入数显终端。

为了实现结构优化，改善、提高其综合使用性能，其进一步的措施是：

所述传感单元的光纤光栅传感头设有多个。所述传感单元的输入端前还设有调谐入口和传感入口。所述调谐入口和传感入口连接时用于测试内部应变，该两入口断开时，调谐入口用于测试温度。所述可调的顶杆是轴向可调的，而设置在解调单元的可调的顶杆的可调值是可读的。所述可调的顶杆的轴向设有悬臂梁挠度限位块，限位块与顶杆支撑架是一体的。所述可调的顶杆是选用适配于悬臂梁的外径千分尺，并固定在顶杆支撑架上，该顶杆支撑架可沿箱体横向移动，实现改变可调的顶杆与悬臂梁固定端的距离。所述悬臂梁支撑架沿箱体纵向移动，固定于支撑架上的悬臂梁在箱体中的纵向位置随之移动，沿与悬臂梁垂直的可调的顶杆轴向推入可调的顶杆至刚好接触悬臂梁处，此为可调的顶杆的初始位置，从而实现调节可调的顶杆的初始位置与位于可调的顶杆轴向的限位块间的距离。所述光电探测器的前端可选择性设置连接光开关的连接点，以代替多路切换开关，实现多路切换功能。

本发明由于采用结构相同的双悬臂梁双可调的顶杆以及参数接近的多光纤光栅传感头的技术方案，克服了现有技术中单点测试、解调方法复杂、实验仪器昂贵的缺陷；实现手动调谐解调悬臂梁挠度，该挠度数据由计算机直接采集使之具有交互式功能，最大限度地减少了测量误差；通过数显终端显示的波形的变化，判断调谐光纤光栅是否与传感光纤光栅匹配上，具有匹配过程直观、简短、且能实现交互式的特点；系统的传感与调谐光路为开式结构，可引入其它传感光纤光栅，使整个系统又可单独作为解调仪使用。同时该实验仪的量程范围可通过纵向调整悬臂梁支撑架与横向调整可调的顶杆支撑架实现，且悬臂梁的挠度设有限位块保护装置，避免因误操作导致悬臂梁及光纤光栅折断的严重后果。本发明可作为完成光纤光栅准分布式测量技术教学的重要内容，特别适用于相关实验室的教学之用。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明的原理结构示意图。

图2为本发明的结构简图。

图3为本发明的悬臂梁结构示意图。

图4为本发明的光纤光栅传感头结构示意图。

图5为本发明的布喇格光纤光栅反射谱。

图6为本发明的布喇格光纤光栅透射谱。

图7为本发明的放大电路结构原理图。

图8为本发明的滤波电路结构原理图。

图9为本发明的数据处理模块系统的系统设置模块界面。

图10为本发明的数据处理模块系统的参数设置模块界面。

图11为本发明的数据处理模块系统的数据采集模块界面。

图12为本发明的数据处理模块系统的数据分析模块界面。

图/表13为本发明实验所得波长一挠度数据。

图14为本发明的光纤光栅悬臂梁调谐曲线图。

具体实施方式

由附图可见，如图1，图2，图3一种多功能光纤光栅传感实验仪，包括由箱体1、宽带光源2、传感单元3、解调单元4、数据处理单元5、数显单元6以及连接它们的光纤耦合链路构成系统，该系统还设有引入宽带光源2的光源接口21，传感单元3和解调单元4都设有悬臂梁31、41，悬臂梁是93×5×1.6mm钢带，为一端固定、另一端自由梁，其固定端连接在支撑架11上，支撑架11与箱体1固连，光纤光栅传感头32、42粘接在距离悬臂梁固定端10mm处，其调谐灵敏度为0.2994nm/mm，最大调谐量为2.1nm，与悬臂梁31、41垂直的可调可调的顶杆33、43固定在顶杆支撑架12上，为了节约成本，优化结构，本实施例选用适配于悬臂梁的外径千分尺，其最大行程为7mm，为满足仪器可设计出不同量程的要求，悬臂梁支撑架11可沿箱体纵向移动，实现调节可调的顶杆的初始位置与限位块间的距离，以控制悬臂梁挠度；顶杆支撑架12可沿箱体横向移动，实现改变可调的顶杆与悬臂梁固定端的距离，同样可控制悬臂梁挠度。沿可调的顶杆轴向推入可调的顶杆33、43，悬臂梁31、41会发生弯曲变形，如图3所示，布置在其上的光纤光栅随着梁的变形，光谱分布位置发生相应变化。

宽带光源2从光源接口21引入，经第一耦合器71到传感单元3的光纤光栅传感头32，光纤光栅传感头结构如图4所示，为折射率呈周期变化的Bragg光纤光栅，当满足下面相位匹配条件时，入射光将被反射，反射谱如图5所示：

                 λ_B＝2n_effΛ                         (1)

式中λ_B为Bragg波长，即光栅的反射波长，Λ为光栅周期，n_eff为光纤材料的有效折射率。

经光纤光栅传感头32反射后的窄带光源原路返回到第一个光纤耦合器71后，再经过第二个光纤耦合器72的输出端与所述解调单元4中的光纤光栅传感头42的一端连接，通过光纤光栅透射后，透射谱如图6所示，其光纤光栅传感头的另一端与光电探测器51相连，光电探测是一种宽带接收系统，光电探测器51接收到的光强值是传感单元光纤光栅32光强分布曲线与解调单元光纤光栅42光强分布曲线的卷积。光信号经光电探测器51转化为电信号后输入放大电路52，放大电路52采用了AD620芯片，其结构原理见图7。信号经放大电路52放大后输入滤波电路53，滤波电路采用了LM358芯片，其结构原理见图8。经过滤波电路的处理的信号经多路转化开关54到数据采集卡55，通过多路转化开关54可选择不同调谐光纤光栅，数据采集卡55将电压信号转化为数字信号最后送入数据处理模块56。

数据处理模块56的软件系统是所述系统的重要部分，其功能模块由系统设置、参数设置、密码修改、数据采集、数据分析、系统帮助等功能模块组成。整个软件系统选用Microsoft公司的Visual C++6.0开发工具编制的C++程序。其中系统设置模块界面如图9所示，该功能模块有“登陆时管理员选项优先”、“窗口最顶端显示”、“提供用户保存采集功能”、“限定文件保存路径”、“路径选择”等功能。其中“登陆时管理员选项优先”的功能，是在进行实验时，如果需要一般用户登陆，则可以由管理员去除该项选择进而方便的让一般用户运行程序时，直接看到一般用户登陆窗口；“窗口最顶端显示”的功能，是管理员为了使一般用户在做实验时可以专心的做实验，而把该软件系统窗口置顶，让一般用户难于运行其它应用程序，进而保证了实验的可靠性，如果要去除该项“窗口最顶端显示”功能，只有管理员才有该权限；“提供用户保存采集功能”的功能，是管理员根据实验具体情况，在需要一般用户进行数据保存时，则选择该项“提供用户保存采集功能”允许一般用户进行实时采集到传感数据的保存，否则去掉该选项；“限定文件保存路径”的功能，是在管理员选择了“提供用户保存采集功能”选项时，该选项有效，可以选择该选项限定一般用户保存文件的路径，方便文件的存取管理；“路径选择”的功能是在前两个选项，即“提供用户保存采集功能”和“限定文件保存路径”选择之后，进行具体的路径选择，把路径限定到该功能实现后指定的路径。参数设置模块界面如图10所示。该模块主要用于设置数据采集、分析所需参数，所有参数含义均已在界面上显示出，方便使用，该模块包含四组参数：“波长-刻度”参数卡、“电压-刻度”参数卡、“应变参数”参数卡、“温度参数”参数卡，其中，“波长-刻度”参数卡，是用于表征调谐悬臂梁波长和刻度关系的参数卡，参数卡上，由系统记录下用户输入的传感悬臂梁在零点时的最大波长λ0和波长调谐灵敏度β的值，之后继续记录采集到的波长和挠度，采集完成后，再根据采集到的波长和挠度进行曲线拟合，做出波长调谐曲线；“电压-刻度”参数卡，是采集开始时，用户通过起始零点最大电压V0和信号电压灵敏度ε后的输入框将传感悬臂梁在零点时的最大电压值作为初始电压输入，以及输入系统标定时的信号电压灵敏度系数，根据该两参数起始零点最大电压V0和信号电压灵敏度ε，供用户在曲线拟合时及进行直线方程的验证；“应变参数”参数卡，是实验时，用户在应变传感波长灵敏度βε后的输入框输入应变传感波长灵敏度，系统记录下该参数，采集完成后，利用该参数进行应变传感曲线拟合；“温度参数”参数卡与“应变参数”参数卡功能基本相似，不同的是该参数卡上的参数温度灵敏度α_T是用于温度传感测试，最终得到的是温度传感曲线。“模式选择”、“保存传感采集所有数据”、“关闭时保存上面参数设置”几个附加功能，主要为用户提供更多功能、更多操作上的方便，其中，“模式选择”，是用于实验时选择传感采集的方式，主要有“应变”和“温度”两项，在应变传感测试时，选择应变选项，在温度传感测试时，选择温度选项；“保存传感采集所有数据”，是用于保存实时采集到的数据，当管理员在系统设置模块界面如图9，选择“提供用户保存采集功能”时，也就允许保存实时采集到的数据，此时，如果选择了该“保存传感采集所有数据”选项，则系统可以自动保存采集到的数据；“关闭时保存上面参数设置”，是在用户选择了该选项时，只要该参数设置窗口关闭时，不论是否按下“确定”键，都可以保存所有的参数设置。密码修改模块只能由管理员使用，当用户管理员登陆时，可以进入该功能的使用，该模块有“管理员密码修改”和“一般用户密码修改”两个选项，只要用户输入管理员密码以及新密码两次，即可修改管理员或一般用户的登陆密码。数据采集模块界面如图11所示，该模块根据在采样参数设置中设置的采样参数，实时地从USB采集数据，并实时的显示到界面上，实现数据采集的可视化。数据分析模块界面如图12所示，其主要功能是根据图10所示参数设置界面的设定参数，以及USB实时采集结果实现曲线拟合，得到分析结果并在界面上显示调谐曲线。系统帮助实现的是软件系统的详细帮助。

经过滤波电路53的处理的信号经多路转化开关54后可同时送入数显单元6，传感单元光纤光栅32光强分布曲线与解调单元光纤光栅42光强分布曲线的卷积最后以数值形式在数显表61与数显终端62中显示。

实验时，旋入传感单元的可调的顶杆33，其垂直进给量未知，传感单元的悬臂量31发生弯曲变形，变形挠度Δh，传感单元的光纤光栅32光谱分布位置随之发生变化。旋入解调单元的可调的顶杆43，当解调单元的悬臂梁41发生与传感单元的悬臂梁31相同的变形挠度Δh时，光纤光栅32光强分布曲线与光纤光栅42光强分布曲线的卷积最小，显示在数显表与数显终端数值为最小，即此时变化的解调光栅与变化的传感光栅相匹配。此时可读解调可调的顶杆显示的数值即为Δh，此值亦同时被数据处理单元的数据采集模块采集。根据材料力学原理，挠度变化Δh时，应变的变化量Δε及峰值波长的变化量Δλ为：

$\mathrm{\Δ\ϵ}=\frac{3(L-x)d}{L^3}\mathrm{\Δh}---\left(2\right)$

                 Δλ＝(1-Pe)λ_εΔε                 (3)

其中L为悬臂梁的长度，x为光纤光栅粘贴处至悬臂梁固定端的位置，d为悬臂梁中心面至表面的距离，Pe为光纤有效弹光系数，λ_ε为峰值波长。

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\Δh}}={\mathrm{\β}}_{\mathrm{\ϵ}}=\frac{(1-\mathrm{Pe})\mathrm{\Δ\ϵ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ϵ}}}{\mathrm{\Δh}}---\left(4\right)$

β_ε为光纤光栅悬臂梁波长调谐灵敏度(单位是nm/mm)，可理论计算，但主要是通过实验获得。图/表13为实验所得数据，根据该数据拟合波长—挠度的直线方程为y＝1549.5425+0.286x。得波长调谐灵敏度为0.286(实际值为0.2994)，其相应的光纤光栅悬臂梁调谐曲线见图14。

为防止悬臂梁31、41挠度变形过度，系统在可调的顶杆33、43的轴向设置了悬臂梁挠度限位块13、14。光电探测器51的前端可选择性地设置连接光开关的连接点，以代替多路切换开关54，实现多路切换功能。

使用前，将系统传感入口82与调谐入口81连接，方可进行上述应变测试。两入口断开时，可进行温度或其它外部传感测试，测试时，传感头直接接入调谐入口，如：测试温度时，将置于恒温箱的传感光纤光栅通过FC接头直接插入面板上的调谐入口处的法兰盘内，然后通过调谐旋钮进行调谐直至得到测试结果。具体步骤与应变测试一致。

值得指出的是：根据本发明的构思，还可以作出若干类似方案的改进与变换，如解调单元、数据处理单元、悬臂梁及可调的顶杆结构的变换，当属本发明的实质和范围。

Claims (9)

1、一种多功能光纤光栅传感实验仪，包括由箱体(1)、宽带光源(2)、传感单元(3)、解调单元(4)、数据处理单元(5)、数显单元(6)以及连接它们的光纤耦合链路构成系统，其特征在于系统还设有引入宽带光源(2)的光源接口(21)，所述传感单元(3)和所述解调单元(4)均设有包括与箱体(1)固联的悬臂梁支撑架(11)，固定于支撑架上的悬臂梁(31、41)，设置于悬臂梁上的光纤光棚传感头(32、42)以及与悬臂梁垂直设置的可调的顶杆(33、43)，所述数据处理单元(5)包括光电探测器(51)、放大电路(52)、滤波电路(53)、多路切换开关(54)、数据采集卡(55)、数据处理模块(56)；所述数显单元(6)包括数显表(61)和数显终端(62)；所述光纤耦合链路包括宽带光源(2)从光源接口(21)经第一耦合器(71)到传感单元(3)的光纤光栅传感头(32)并原路返回到第一个光纤耦合器(71)后，再经过第二个光纤耦合器(72)的输出端与所述解调单元(4)中的光纤光栅传感头(42)的一端连接，通过光纤光栅透射后，其光纤光栅传感头(42)的另一端则先后与光电探测器(51)、放大电路(52)、滤波电路(53)及多路切换开关(54)相连，而此多路切换开关(54)的输出信号经数据采集卡(55)采集后输入数据处理模块(56)，同时切换开关(54)输出的信号经过数显表(61)并输入数显终端(62)。

2、根据权利要求1所述的一种多功能光纤光栅传感实验仪，其特征在于所述传感单元(3)的光纤光栅传感头(32)设有多个。

3、根据权利要求1所述的一种多功能光纤光栅传感实验仪，其特征在于所述传感单元(3)的输入端前还设有调谐入口(81)和传感入口(82)。

4、根据权利要求3所述的一种多功能光纤光栅传感实验仪，其特征在于所述调谐入口(81)和传感入口(82)连接时用于测试内部应变，该两入口断开时，调谐入口(81)用于测试温度。

5、根据权利要求1所述的一种多功能光纤光栅传感实验仪，其特征在于所述可调的顶杆(33、43)是轴向可调的，而设置在解调单元(4)的可调的顶杆(43)的可调值是可读的。

6、根据权利要求1所述的一种多功能光纤光栅传感实验仪，其特征在于所述可调的顶杆(33、43)的轴向设有悬臂梁挠度限位块(13、14)，限位块(13、14)与顶杆支撑架(12)是一体的。

7、根据权利要求1所述的一种多功能光纤光栅传感实验仪，其特征在于所述可调的顶杆(33、43)是选用适配于悬臂梁的外径千分尺，并固定在顶杆支撑架(12)上，该顶杆支撑架(12)可沿箱体(1)横向移动，实现改变可调的顶杆(33、43)与悬臂梁(31、41)固定端的距离。

8、根据权利要求1所述的一种多功能光纤光栅传感实验仪，其特征在于所述悬臂梁支撑架(11)沿箱体(1)纵向移动，固定于支撑架上的悬臂梁(31、41)在箱体(1)中的纵向位置随之移动，沿与悬臂梁(31、41)垂直的可调的顶杆(33、43)轴向推入可调的顶杆(33、43)至刚好接触悬臂梁(31、41)处，此为可调的顶杆(33、43)的初始位置，从而实现调节可调的顶杆(33、43)的初始位置与位于可调的顶杆轴向的限位块(13、14)间的距离。

9、根据权利要求1所述的一种多功能光纤光栅传感实验仪，其特征在于所述光电探测器(51)的前端可选择性设置连接光开关的连接点，以代替多路切换开关(54)，实现多路切换功能。

Images