新型FBG振动传感器的研究与实现

Research and Rea liza tion of Novel FBG V ibra tion Sen sor
J IANG M ing2shun1 , SU IQ ing2mei1 , FENG De2jun2 ( 1. School of Con trol Sc ience and Eng ineer ing, Shandong Un iversity, J inan 250061, Ch ina; 2. School of Informa tion Sc ience and Eng ineer ing, Shandong Un iversity, J inan 250100, Ch ina)
由图 9、图 10可以看出 :该传感器的冲击响应曲线是一个高频
阻尼振荡曲线。由于锤击点 A 比 B 接近于传感器 ,频谱分析可以
图 2 光纤光栅振动传感器结构示意图
实际选用的 2个光纤光栅的中心波长很难达到最佳匹配 要求 ,同时由于外界温度变化以及长期使用的原因 ,传感光栅 中心波长会发生一定的变化 ,现场测试时需要对系统进行校 准 ,故匹配光栅设计结构如图 3所示 。光纤光栅 FBG2粘贴在 悬臂梁上 ,通过调谐螺栓调整梁自由端的挠度 ,从而调整 FBG2 的中心波长 ,实现与振动传感器 FBG1的良好匹配 。最佳工作 点 [11 ]取决于
匹配光栅的解调 [9 ]系统如图 1 所示 。 FBG1 为传感光栅 , FBG2为解调光栅 ,其参数与 FBG1 相近 ,即 FBG1 的反射谱与
基金项目 :山东省自然科学基金项目 ( Z2006G06 ) ;山东省中青年科学家 奖励基金 (2006BS01001) 收稿日期 : 2008 - 04 - 26 收修改稿日期 : 2009 - 01 - 20
第 6期
姜明顺等 :新型 FBG振动传感器的研究与实现
3
具有良好的信噪比 。当频率超过其检测范围时 ,如图 7 ( b)所 示 ,就会产生低频谐波 ,导致波形不稳定 。 212 冲击振动实验
冲击振动系统如图 8 所示 。将设计的光纤光栅振动传感 器放置于接近等强度梁固定端的位置 ,选择 A, B 2点进行锤击 实验 。实验测试结果如图 9、图 10所示 。
的光强 。
FB G2 的反射谱为
K (λ)
= R exp [
-
4 ln2
(λ
-
λ 2
Δλ2
)
2
]
(3)
2
式中 :
R
为
峰
值
反
射
率
;
λ 2
为中心波长;
Δλ 2
为半强带宽
FW HM.
在忽略连接等损耗时 ,光电探测器接收到的光功率 P为对 αS (λ) dλ在频域的积分 ,即将式 ( 2) 、式 ( 3)代入式 ( 1)中 ,得
112 振动传感器的设计
光纤光栅加速度传感器原理结构如图 2 所示 。该传感器
是由 1个梁长为 L 的悬臂梁 、1个质量为 m 绕有封闭线圈的质
量块 , 2块互斥放置的强磁铁块以及相关的结构构成 。采用回
复性与弹性均较好的碳纤维板材料制作悬臂梁 。为了保证在
测量范围内传感光纤光栅波长漂移的线性度 , 设计等强度悬臂
分别设定激振器频率为 30 Hz、160 Hz、310 Hz,检测其频率响 应特性 ,检测波形及频谱分析如图 5、图 6、图 7所示 (为获取良好的 测试波形 ,在测试过程中对不同频率的测试进行了增益调节 )。
由图 5、图 6、图 7分析得知 ,光纤光栅振动传感器具有良好 的频率检测性能 , 30 Hz、160 Hz (频率检测范围内 )检测的波形
λ 1
-
λ 2
=
(Δλ1 ) 2 - (Δλ2 ) 2 8 ln2
பைடு நூலகம்(6)
图 3 匹配光栅结构示意图
设计时 ,选择的 FBG1、FBG2 半波带宽均为 0125 nm ,所以
最佳匹配点为
λ 1
=λ2 ,调节
FBG2使其中心波长等于 λ1.
2 实验测试与分析
211 频率测试实验
采用东方振动和噪声技术研究所研制的标准激振器作为
2
Instrument Technique and Sensor
J un12009
射信号函数为 αS (λ) K (λ) dλ, (α为耦合器分光比造成的总衰
减 ) ,探测器上探测到的光功率是该函数在频域上的积分 ,即
∫+∞
P = αS (λ) K (λ) dλ -∞
(1)
当调谐 FBG1,其反射光在频域扫描时 , FBG2 反射光强度
梁 ,并将传感光纤光栅粘贴于接近梁固定端的位置 。根据弹性
力学的原理 , 当悬臂梁自由端受垂直作用力 , 而使梁发生弯曲
时 , 悬臂梁将产生一个与施力方向相反的弹性回复力 。如果采
用不外加阻尼措施 ,光纤光栅振动传感器的阻尼主要由空气阻
尼和结构材料的内阻尼构成 ,由于这些阻尼力很小 ,工作时振
动传感器系统本身自由振动 ,短时间内很少衰减 ,叠加到被测
振动测量属于动态传感测试技术 ,不仅要求传感器具有较 高的敏感性和良好的频谱响应 ,而且对波长解调速度有更高的 要求 [3 ] 。基于法布里 - 珀罗滤波器的波长解调仪不能满足速 度要求 [4 ] ,干涉解调 [5 ]和边沿滤波解调 [6 ]成为光纤光栅高速解 调的主要方法 ,但受到温度变化影响 ,信号不稳定 。基于匹配 光栅结构设计的振动传感器 ,解决了上述问题 。采用悬臂梁光 纤光栅调谐技术 [7 - 8 ] ,设计了一种新型光纤光栅振动传感器 。 1 光纤布拉格光栅 ( FBG)传感解调原理 111 匹配光栅解调原理
信号中去 ,造成测量不准 。通过增设电磁阻尼 ,当等强度梁振
动时 ,封闭线圈切割磁感线产生感应电流 ,既涡流 ,由楞次定
律 ,涡流的效果是反抗引起涡流的原因 ,所以等强度梁因受到
阻力而阻尼增大 ,可以使传感器有较宽的频响范围 ,幅值和相 位失真均较小 ,防止工作在共振区时由于幅值过大引起传感器 部件损坏 ,延长传感器的使用寿命 。
图 1 匹配光纤光栅传感解调系统 FBG1的反射光经 2 个耦合器作为 FBG2 的入射光源 ,当 FBG1受到扰动时 , FBG1的光栅常数发生变化 ,反射光随光栅 常数变 化 在 一 定 范 围 内 扫 描 。设 FBG1 反 射 光 谱 为 S (λ) , FBG2的反射谱分布为 K (λ). 此时 ,经 FBG2 进入探测器的反
∫+∞
P =α S (λ) K (λ) dλ -∞
∫ =αI0 R
+∞
exp [ -
-∞
4 ln2
(λ
-
λ 1
Δλ2
)
2
]
1
exp [ -
4 ln2
(λ
-
λ 2
)
2
Δλ2
] dλ
(4)
2
可得输出为
P =αI0 R
π {
ln2
ΔλΔλ 2
(Δλ2 +Δλ22 )
1 2
exp [
-
4
(λ ln2Δλ2
摘要 :针对常用振动传感器灵敏度低 、测量范围小以及材料缺陷等缺点 ,在分析光纤布拉格光栅 ( FBG)传感原理的基 础上 ,设计了一种基于悬臂梁结构匹配光栅滤波解调的振动传感器 。通过附加电磁阻尼 ,提高了传感器的灵敏度以及信 号检测的稳定性 ,扩大了频率测量范围 。利用激振器标准信号进行振动测试实验 ,并加以傅里叶分析 ,得到了良好的实验 结果 。通过实验测试证明 :无失真检测频率可达 300 Hz,系统频带宽 ,稳定性好 ,灵敏度高 。 关键词 :光纤布拉格光栅 ( FBG) ;振动传感器 ;信号处理 ;傅里叶变换 中图分类号 : TP212 文献标识码 : A 文章编号 : 1002 - 1841 (2009) 06 - 0001 - 03
0 引言 振动传感器在结构工程 、机电设备 、地震监测等领域应用
广泛 。传统的电类振动传感器 (如压电 、磁电和电涡流式等 ) 输出为弱电信号 [1 ] ,传输距离近 ,不适用于大型工程的长期远 程实时监测 。光纤光栅传感器是利用光纤光栅的中心波长对 温度 、应力和应变等参量的敏感特性 [2 ] ,采用光波长绝对编码 , 信号在光纤中传输 ,具有传输距离远 、测量精度高 、长期稳定性 好 、容易组网等优点 ,适合于大型结构工程的长期远程安全监 测系统 。
发生变化 ,这种输出强度随波长变化的曲线能够反映出 FBG1
的谱移动和 FBG2的反射谱特性 。在光纤光栅反射谱宽范围内
将入射光视为恒定 ,对 FBG1的反射光取高斯分布 ,即
S (λ)
= I0 exp [
-
4 ln2
(λ
-
λ 1
)
2
Δλ2
]
(2)
l
式中 :λ1 为中心波长 ;Δλl 为半强带宽 FW HM; I0 为中心波长处
Abstract: A novel fiber B ragg grating vibration sensor was p resented, which emp loyed cantilever beam and matching filtering demodulation technology. This system overcomes commonly used vibration sensors’shortcom ings, such as low sensitivity, small measuring range, material defects. Through adding electromagnetic damp ing, the sensitivity of signal detection was imp roved and the range of frequency measurement was expanded. The vibration testing experiments were carried out using vibrator standard sig2 nal, and Fourier analysis was app lied. The non2distortion testing frequency was up to 300 Hz. The system has the follow ing advan2 tages, w ide frequency bandw idth, good stability and high sensitivity. Key words: fiber B ragg grating ( FBG) ; vibration sensors; signal p rocess; Fourier transform