CN211401408U - 振弦式宽频光纤激光器振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤振动传感器，特别公开了一种振弦式宽频光纤激光器振动传感器。该振弦式宽频光纤激光器振动传感器，包括内部为方槽的基座，其特征在于：所述基座的一端内侧壁上耦合有振弦，基座的另一端外侧穿设固定有连杆，连杆在基座的内侧与膜片的一端耦合，膜片的另一端与振弦的端部耦合；振弦的上表面上贴附有光纤激光器，连杆上安装有紧定螺帽。本发明扩展了光纤激光振动传感器的应用范围，适用于振动高频分量、声发射等高频信号探测以及对于声发射等微弱的高频信号的探测灵敏度探测。
Description
（一）技术领域
本发明涉及一种光纤振动传感器，特别涉及一种振弦式宽频光纤激光器振动传感器。
（二）背景技术
通过在机电设备表面安装布设振动传感器，监测机电设备的振动噪声，可以获得设备运行状态的健康状况。目前主要应用置压电型加速度传感器进行振动噪声监测，存在易收电磁干扰、缆线多、体积大、重量重、成本高、可靠性低、维修难度较大等问题，限制了设备振动监测系统的应用。
光纤振动传感器以光纤作为传感和信号传输媒介，利用被测量振动等信号对光纤产生的调制，还原振动信号。与传统电子类传感器相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰、不怕水、信号传输远、可靠性高等有点。特别是基于光纤激光器的光纤振动传感器，还具有分辨率高、易于复用成阵、结构简单体积小等优势，非常适合设备振动监测领域应用。
现有的基于光纤激光器的振动传感器频率范围较窄，一般在1kHz以内，虽然能监测一定范围的设备振动信号，但对于振动高频分量、声发射等高频信号，探测频率范围不足。此外，对于声发射等微弱的高频信号，探测灵敏度也难以满足信号特征识别的信噪比要求。
（三）发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种灵敏度高、频率范围大、谐振频率可调的振弦式宽频光纤激光器振动传感器。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种振弦式宽频光纤激光器振动传感器，包括内部为方槽的基座，其特征在于：所述基座的一端内侧壁上耦合有振弦，基座的另一端外侧穿设固定有连杆，连杆在基座的内侧与膜片的一端耦合，膜片的另一端与振弦的端部耦合；振弦的上表面上贴附有光纤激光器，连杆上安装有紧定螺帽。
本发明中，基座为传感器的支撑结构，并于被测目标耦合，振弦一端与基座内侧壁耦合，用于在振动冲击下产生谐振，光纤激光器用于感知振弦的振动，膜片用于拉动振弦以改变其中的预应力，最后通过拧紧紧定螺帽，经连杆对膜片施加拉力，以改变振弦中的预紧力。
本发明的更优技术方案为：
所述基座为内部为方槽的金属结构，并在两端开有通孔，基座耦合在被测物体表面，耦合方式为焊接或环氧胶粘结；振弦为金属圆柱结构，穿过基座一端的通孔，并与基座内侧壁耦合，耦合方式为焊接或环氧胶粘结，形成一端固定、一端悬空的梁结构，用于在振动冲击下产生谐振。
所述基座和振弦均为低膨胀系数合金材料，且振弦的膨胀系数与石英相近；连杆为高膨胀系数合金材料；优选的，基座为钛合金或因瓦合金材料，振弦为因瓦合金材料，连杆为不锈钢材料，膜片为长方形不锈钢薄片。
所述振弦包括振弦杆本体和温度补偿体，振弦杆本体在端部开有台阶，温度补偿体耦合在振弦杆本体的台阶位置，其耦合方式为焊接；振弦杆本体与温度补偿体的膨胀系数不同，形成对光纤激光器的温度补偿；光纤激光器的两端分别与振弦杆本体和温度补偿体耦合，两者的耦合方式为环氧胶粘结或低温焊料焊接。
设振弦杆本体的长度为l 2 ，线膨胀系数为α 2 ，温度补偿体的长度为l 4 ，线膨胀系数为α 4 ，光纤激光器的两耦合点之间的长度为l 5 ，线膨胀系数为α 5 上述长度关系应满足
，以消除温度变化导致热膨胀引起的对光纤激光器的附加应力。
本发明还请求保护上述振弦式宽频光纤激光器振动传感器的应用，该应用包括三个方面：
（1）在改变谐振频率上的应用，通过拧紧紧定螺帽，改变振弦的预紧力，进而调整振弦的谐振频率；
（2）在检测振弦预紧力上的应用，光纤激光器连接光纤环形器的出光端，光纤环形器并联连接宽带光源和波长计，通过波长计检测光纤激光器的波长，且光纤激光器的波长与振弦预紧力成正比，从而通过标定实现振弦预紧力的检测；
（3）在检测振动信号上的应用，光纤激光器连接光纤波分复用器的出光端，光纤波分复用器并联连接激光泵浦和动态波长解调仪，动态波长调节仪检测光纤激光器发出激光的波长扰动，该波长扰动的幅度与振动信号的加速度幅度成正比，从而通过标定实现振动信号的检测。
本发明基于振弦结构设计，大幅扩展了光纤激光振动传感器的频率范围，能够探测高频振动信号；通过振弦谐振效应，对特定的高频信号实现放大，获得极高灵敏度的高频振动信号探测能力；实现谐振频率在一定范围内可调，从而能够针对不同的高频针对信号进行调节。
本发明扩展了光纤激光振动传感器的应用范围，适用于振动高频分量、声发射等高频信号探测以及对于声发射等微弱的高频信号的探测灵敏度探测。
（四）附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明带温度补偿体我的振弦结构示意图；
图3为本发明检测振弦预紧力的光路示意图；
图4为本发明检测振动信号的光路示意图。
图中，01基座，02振弦，201振弦杆本体，202温度补偿体，03光纤激光器，301耦合点，04膜片，05连杆，06紧定螺帽，701宽带光源，702光纤环形器，703波长计，801激光泵浦，802光纤波分复用器，803动态波长解调仪。
（五）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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参考附图1，本发明提供的振弦式宽频光纤激光器振动传感器，基座01为带方槽的金属结构，通过钛合金板线切割加工制作而成，并在两端开有通孔；基座01为传感器的支撑结构，在测量振动信号时，与被测目标耦合，耦合方式为焊接或环氧胶粘接，一般耦合在被测物体表面；振弦02为因瓦合金圆柱体，穿过基座01一侧的通孔，并与基座01内侧壁耦合，耦合方式为焊接或环氧胶粘接，形成一端固定，一端悬空的梁结构，用于在振动冲击下产生谐振；光纤激光器03，为分布反馈式光纤激光器，通过环氧胶或低温焊料焊接的方式贴附于振弦02表面，在振弦02振动时，测量振弦02的表面应变，从而激光波长发生变化，用于感知振弦02的振动；膜片04，为长方形不锈钢薄片，一端与振弦02的端部耦合，耦合方式为焊接，一端连接有连杆05，耦合方式也为焊接；连杆05，穿过基座01侧壁的通孔，并安装有紧定螺帽06，通过拧紧紧定螺帽06，可以通过连杆05对膜片04施加拉力，以改变振弦02中的预紧力。
设基座01的长度为l 1 ，线膨胀系数为α 1 ，振弦02的长度为l 2 ，线膨胀系数为α 2 ，膜片04的长度为l 3 ，线膨胀系数为α 3 ，其长度关系应满足下式，以消除温度变化导致热膨胀引起的附加应力：
参考附图2，为本发明提供的振弦式宽频光纤激光器振动传感器的振弦02带温度补偿体202的一种实施例，其中，振弦杆本体201为因瓦合金圆柱体，并在端部开有台阶，温度补偿体202为不锈钢块，与振弦杆本体201耦合，耦合方式为焊接，光纤激光器03的两端分别与振弦杆本体201和温度补偿体202耦合，耦合方式为环氧胶粘接或低温焊料焊接。设振弦杆本体201的长度为l 2 ，线膨胀系数为α 2 ，振温度补偿体202的长度为l 4 ，线膨胀系数为α 4 ，光纤激光器03两耦合点301之间的长度为l 5 ，线膨胀系数为α 5 ，其长度关系应满足下式，以消除温度变化导致热膨胀引起的对光纤激光器的附加应力：
通过拧紧紧定螺帽06，以改变振弦02中的预紧力，可以调整振弦02的谐振频率；特别的，预紧力为零的情况下，振弦02的谐振频率由下式给出：
式中，l为振弦02的长度，Q为杨氏模量，κ=a/2，a为截面圆半径，ρ为密度。
可以通过光学的方法检测振弦02预紧力，参考附图3，方法为：包括宽带光源701，光纤环形器702，波长计703，环形器702的出光端与光纤激光器03连接，通过波长计检测光纤激光器03的波长，且光纤激光器03的波长与振弦02预紧力成正比，从而通过标定实现振弦02预紧力的检测。
本发明提供的振弦式宽频光纤激光器振动传感器的工作原理如下：基座01与被测物体耦合，耦合方式为通过螺纹连接、焊接、高强度胶粘接、通过夹具固定等，耦合效果为刚性耦合。当有竖直方向振动信号时，振弦02在惯性力作用下，产生振动，带动贴附于其上的光纤激光器03波长扰动，其波长扰动的幅度与振动信号的加速度幅度成正比，通过检测波长扰动可以监测振动信号。当振动信号在振弦02的谐振频率范围内时，振弦02由于谐振振幅增强，从而实现振动增敏。
本发明提供的振弦式宽频光纤激光器振动传感器通过光学方法检测振动信号的方法，参考附图4，包括激光泵浦801，光纤波分复用器802，动态波长解调仪803，光纤波分复用器802的出光端与光纤激光器03连接，使光纤激光器03发出特定波长激光，动态波长解调仪803检测光纤激光器03发出激光的波长扰动，其波长扰动的幅度与振动信号的加速度幅度成正比，而通过标定实现振动信号的检测。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发名，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种振弦式宽频光纤激光器振动传感器，包括内部为方槽的基座（01），其特征在于：所述基座（01）的一端内侧壁上耦合有振弦（02），基座（01）的另一端外侧穿设固定有连杆（05），连杆（05）在基座（01）的内侧与膜片（04）的一端耦合，膜片（04）的另一端与振弦（02）的端部耦合；振弦（02）的上表面上贴附有光纤激光器（03），连杆（05）上安装有紧定螺帽（06）。
2.根据权利要求1所述的振弦式宽频光纤激光器振动传感器，其特征在于：所述基座（01）为内部为方槽的金属结构，并在两端开有通孔，基座（01）耦合在被测物体表面；振弦（02）为金属圆柱结构，穿过基座（01）一端的通孔，并与基座（01）内侧壁耦合。
3.根据权利要求1所述的振弦式宽频光纤激光器振动传感器，其特征在于：所述基座（01）和振弦（02）均为低膨胀系数合金材料，且振弦（02）的膨胀系数与石英相近；连杆（05）为高膨胀系数合金材料。
4.根据权利要求1所述的振弦式宽频光纤激光器振动传感器，其特征在于：所述振弦（02）包括振弦杆本体（201）和温度补偿体（202），振弦杆本体（201）在端部开有台阶，温度补偿体（202）耦合在振弦杆本体（201）的台阶位置，光纤激光器（03）的两端分别与振弦杆本体（201）和温度补偿体（202）耦合。
5.根据权利要求3所述的振弦式宽频光纤激光器振动传感器，其特征在于：所述基座（01）为钛合金或因瓦合金材料，振弦（02）为因瓦合金材料，连杆（05）为不锈钢材料，膜片（04）为长方形不锈钢薄片。
6.根据权利要求4所述的振弦式宽频光纤激光器振动传感器，其特征在于：所述振弦杆本体（201）与温度补偿体（202）的耦合方式为焊接，温度补偿体（202）为不锈钢块，光纤激光器（03）分别与振弦杆本体（201）和温度补偿体（202）的环氧胶粘结或低温焊料焊接耦合。
7.根据权利要求1或4所述的振弦式宽频光纤激光器振动传感器，其特征在于：设振弦杆本体（201）的长度为l 2 ，线膨胀系数为α 2 ，温度补偿体（202）的长度为l 4 ，线膨胀系数为α 4 ，光纤激光器（03）的两耦合点（301）之间的长度为l 5 ，线膨胀系数为α 5 上述长度关系应满足
。
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| CN202020443796.9U CN211401408U (zh) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | 振弦式宽频光纤激光器振动传感器 |
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| CN202020443796.9U CN211401408U (zh) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | 振弦式宽频光纤激光器振动传感器 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111174898A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-05-19 | 山东省科学院激光研究所 | 振弦式宽频光纤激光器振动传感器及其应用 |
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2020
- 2020-03-31 CN CN202020443796.9U patent/CN211401408U/zh active Active
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| CN111174898A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-05-19 | 山东省科学院激光研究所 | 振弦式宽频光纤激光器振动传感器及其应用 |
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