一種用于低頻測(cè)量的光纖光柵振動(dòng)傳感器

張少君,劉月明

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 理學(xué)院,浙江 杭州 310018；2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院,浙江 杭州 310018)

近年來(lái),光纖布拉格光柵(FBG)在傳感器領(lǐng)域中的應(yīng)用引起了人們極大的興趣.這種光柵具有抗電磁干擾、可靠性高、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn),特別適用于強(qiáng)磁場(chǎng)、輻射性、腐蝕性或危險(xiǎn)性大的環(huán)境中物理參量的測(cè)量,是目前最具發(fā)展前景的一類光纖傳感器.在實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)中,存在著大量的振動(dòng)檢測(cè)問(wèn)題,例如:大壩、橋梁、建筑物、石油化工設(shè)備以及場(chǎng)地脈動(dòng),等等.這類目標(biāo)的振動(dòng)頻率范圍一般從零點(diǎn)幾個(gè)赫茲到幾十赫茲,由于光纖光柵傳感器所具有的諸多特性,使得它非常適合此類工程目標(biāo)振動(dòng)的傳感測(cè)量.目前國(guó)內(nèi)外已有不少光纖光柵振動(dòng)傳感器的報(bào)道,主要采用了機(jī)械懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1,2]；但是,由于機(jī)械懸臂梁一般由金屬材料制作,其固有的熱脹冷縮導(dǎo)致的懸臂梁對(duì)溫度的交叉靈敏成為該類傳感器性能提高的瓶頸.為消除溫度對(duì)振動(dòng)的交叉敏感性,目前文獻(xiàn)報(bào)道采用了各種方法,如:雙金屬材料補(bǔ)償法、雙重疊等腰三角形懸臂梁方法、機(jī)械補(bǔ)償結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及參考光纖光柵等技術(shù)方法[3-6].這些方法各有特點(diǎn),均可以在一定程度上對(duì)振動(dòng)信號(hào)的溫度交叉敏感進(jìn)行補(bǔ)償,但同時(shí)這些方法比較復(fù)雜、結(jié)構(gòu)不易加工以及溫度補(bǔ)償范圍有限,為此有必要設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單易行的溫度補(bǔ)償方法.

筆者針對(duì)低頻工程目標(biāo)的振動(dòng)測(cè)量,設(shè)計(jì)了一種新型的光纖光柵傳感器敏感結(jié)構(gòu).該傳感器采用了一種簡(jiǎn)練實(shí)用的溫度補(bǔ)償方法,可以有效消除傳感器的溫度交叉靈敏度,同時(shí)又可以大大提高傳感器的振動(dòng)測(cè)量靈敏度.另外,該傳感器采用了等強(qiáng)度懸臂梁作為振動(dòng)傳遞器件,可以有效消除光纖光柵敏感信號(hào)的啁啾現(xiàn)象,方便振動(dòng)信號(hào)的匹配濾波檢測(cè).

1 光纖光柵傳感器原理

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1(a)是光纖光柵振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,圖中機(jī)械懸臂梁一端固定在封裝殼體上,封裝殼體與待測(cè)的基座連接.在測(cè)量待測(cè)目標(biāo)振動(dòng)時(shí),基座固定在振動(dòng)源上,振動(dòng)源與基座同時(shí)振動(dòng),從而引起懸臂梁的機(jī)械振動(dòng).選取性能匹配的兩個(gè)光纖光柵,一個(gè)為傳感光柵,貼裝在機(jī)械懸臂梁的上表面上；另一個(gè)為信號(hào)解調(diào)光柵,貼裝在懸臂梁下表面的對(duì)稱位置.在待測(cè)振動(dòng)慣性力的作用下懸臂梁發(fā)生機(jī)械振動(dòng),上表面應(yīng)變收縮而下表面應(yīng)變伸長(zhǎng),帶動(dòng)兩個(gè)光纖光柵產(chǎn)生周期性的應(yīng)變拉伸或收縮,從而引起傳感FBG的布拉格波長(zhǎng)發(fā)生變化,通過(guò)探測(cè)傳感FBG波長(zhǎng)的變化即可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的傳感測(cè)量.圖1(b)為光纖光柵傳感器的光路原理圖,由寬帶光源BBS發(fā)出的光通過(guò)2×2光纖定向耦合器傳輸?shù)絺鞲泄饫w光柵FBG1上.其反射光波信號(hào)沿原路返回再經(jīng)2×2光纖定向耦合器入射到匹配濾波光纖光柵FBG2上,FBG2的透射光強(qiáng)經(jīng)光電檢測(cè)器件PD變?yōu)檎駝?dòng)傳感電信號(hào),此時(shí)FBG2充當(dāng)了 FBG1的光波長(zhǎng)濾波器,將FBG1的波長(zhǎng)移動(dòng)量轉(zhuǎn)化成了光強(qiáng)信號(hào)變化.另外圖1(b)中經(jīng)FBG1透射的光譜信號(hào)和2×2光纖定向耦合器的閑置端需要放入折射率匹配液中,以消除光纖端面的菲涅爾反射光,提高光傳感信號(hào)的信噪比.

圖1 光纖光柵傳感器原理簡(jiǎn)圖Figure 1 Schematic diagram of FBG sensor

1.2 光纖光柵傳感信號(hào)的濾波解調(diào)

光纖光柵敏感信號(hào)的解調(diào)目前有多種方法,如干涉解調(diào)法、法布里-珀羅濾波器解調(diào)法、邊沿濾波法和匹配濾波解調(diào)法[7],干涉濾波法雖然具有分辨率高和響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn),但是易受外界環(huán)境因素影響,工作不穩(wěn)定,不適合傳感器的實(shí)用開(kāi)發(fā).相比之下,匹配濾波解調(diào)方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定以及分辨率較高等優(yōu)點(diǎn),本文研究工作就優(yōu)選匹配濾波解調(diào)方法對(duì)光柵傳感信號(hào)進(jìn)行解調(diào).匹配濾波解調(diào)方法的工作原理如圖2,傳感光柵FBG1和信號(hào)解調(diào)光柵FBG2必須滿足如圖所示的匹配條件,即在傳感光柵隨被測(cè)振動(dòng)變化的波長(zhǎng)移動(dòng)范圍要?jiǎng)偤寐湓跒V波光柵FBG2的譜線邊沿段范圍內(nèi),以實(shí)現(xiàn)對(duì)FBG1的濾波檢測(cè).

1.3 傳感器的溫度補(bǔ)償

圖2 光柵匹配濾波解調(diào)原理圖Figure 2 Signal demodulation of the FBG

溫度對(duì)光柵的影響主要來(lái)源于金屬懸臂梁熱膨冷縮導(dǎo)致的光纖光柵反射波長(zhǎng)的漂移,如圖1.通過(guò)將兩個(gè)光柵對(duì)稱貼裝在金屬懸臂梁的上下表面上,可以保證兩根光纖始終處于與懸臂梁相同的溫度場(chǎng)中,當(dāng)溫度變化時(shí),兩根光柵的布拉格波長(zhǎng)同向移動(dòng)而相對(duì)位置不變,從而保證了兩根光纖光柵的波譜位置匹配.此時(shí)傳感器不會(huì)因溫度變化而導(dǎo)致輸出信號(hào)的變化,達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康?另外,該設(shè)計(jì)的另一巧妙之處為:由于FBG1和FBG2分別位于懸臂梁的上下對(duì)稱位置,因此當(dāng)懸臂梁振動(dòng)時(shí)分別感受相同程度的拉伸和壓縮應(yīng)變,導(dǎo)致兩者的布拉格波長(zhǎng)反向移動(dòng),這就相當(dāng)于使傳感器的振動(dòng)測(cè)量靈敏度提高了一倍.因此,這種設(shè)計(jì)既可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償,同時(shí)又可以大大提高傳感器的靈敏度.

2 懸臂梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 懸臂梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械懸臂梁是測(cè)振傳感器的關(guān)鍵器件,其結(jié)構(gòu)的選擇直接影響傳感器的性能.懸臂梁的形式最直接的是矩形等截面懸臂梁,這種懸臂梁形式也是最常采用的形式.矩形等截面懸臂梁容易出現(xiàn)側(cè)向扭動(dòng)導(dǎo)致傳感器工作不穩(wěn)定.“凸型”等截面懸臂梁是另外一種光纖光柵測(cè)振器件形式[8],它具有側(cè)向抗干擾能力強(qiáng)、工作狀態(tài)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),但是存在光纖光柵信號(hào)的啁啾現(xiàn)象.相比之下,變截面等強(qiáng)度梁可以消除光柵信號(hào)的啁啾現(xiàn)象[9],達(dá)到線性調(diào)諧匹配濾波的要求,故被優(yōu)選作為光纖光柵測(cè)振傳感器的機(jī)械懸臂梁.

筆者選用的等強(qiáng)度懸臂梁的結(jié)構(gòu)如圖3(a),其長(zhǎng)度為L(zhǎng),厚度為h,固支端的寬度為b0.俯視截面為等腰三角形,橫截面為矩形.根據(jù)材料力學(xué)的

圖3 等強(qiáng)度懸臂梁的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及彎曲簡(jiǎn)圖Figure 3 Structure and deflection of equi-intensity cantilever

(a)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；(b)彎曲簡(jiǎn)圖懸臂梁彎曲理論,可以推導(dǎo)出懸臂梁彎曲時(shí)其表面的應(yīng)變?chǔ)艦閇10]

式(1)中δ為懸臂梁頂端的彎曲撓度.可以看出此時(shí)的懸臂梁應(yīng)變是處處相等的,因此光纖光柵不會(huì)出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象.懸臂梁表面應(yīng)變所導(dǎo)致的光纖光柵中心波長(zhǎng)的移動(dòng)量為[10]

式(2)中:λ0—光纖光柵的中心波長(zhǎng)；Kε和KT—光纖光柵的應(yīng)變靈敏度和溫度靈敏度.

式(2)中的第一項(xiàng)反映了懸臂梁振動(dòng)時(shí)所導(dǎo)致的表面應(yīng)變的貢獻(xiàn),其大小與懸臂梁的撓曲程度成正比,即振動(dòng)時(shí)與振幅成正比.式(2)中的第二項(xiàng)為溫度交叉敏感項(xiàng),振動(dòng)測(cè)量時(shí)為干擾項(xiàng).不難理解,將性能匹配、材料一致的傳感光纖光柵和檢測(cè)光纖光柵對(duì)稱貼裝在懸臂梁的上下對(duì)稱位置,兩個(gè)光柵感受同樣的溫度變化,而且兩個(gè)光柵材料相同,因此溫度靈敏度系數(shù)KT相同,所導(dǎo)致的光柵溫度變化造成的中心波長(zhǎng)平移量相同.因此,式(2)中的第二項(xiàng)相對(duì)兩個(gè)光柵剛好可以相互抵消,匹配濾波的效果不會(huì)因?yàn)闇囟茸兓淖?從而達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?這正是本方案設(shè)計(jì)的溫度補(bǔ)償原理.

2.2 懸臂梁諧振頻率的計(jì)算

把懸臂梁視作二階機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng),由振動(dòng)理論可以推導(dǎo)出等強(qiáng)度懸臂梁的固有頻率為

式(3)中:K—等強(qiáng)度懸臂梁的等效剛度系數(shù)；m—懸臂梁的質(zhì)量.

根據(jù)振動(dòng)傳感器的設(shè)計(jì)理論,懸臂梁的測(cè)振范圍必須遠(yuǎn)離懸臂梁的固有頻率點(diǎn),以免導(dǎo)致懸臂梁的諧振狀態(tài).由于本設(shè)計(jì)旨在對(duì)低頻25 Hz以下的工程目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量,因此選用的等強(qiáng)度懸臂梁諧振頻率要遠(yuǎn)大于此測(cè)量范圍.

3 傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)試

選用45號(hào)鋼材加工制作了實(shí)驗(yàn)等強(qiáng)度懸臂梁,其主要參數(shù)為:固定端長(zhǎng)度b0為7 cm,總長(zhǎng)度為35 cm,厚度為0.5 cm,材料的彈性模量為210 GPa,泊松比為0.28,密度為7850 kg/m3.選購(gòu)中心波長(zhǎng)為1559 nm的光纖光柵若干個(gè),從中選擇性能匹配的兩個(gè)作為傳感器的傳感光柵和信號(hào)解調(diào)光柵.光柵的典型參數(shù)為:中心波長(zhǎng)1559 nm,3 dB帶寬為0.125 nm,光譜反射率為60%,光柵敏感段長(zhǎng)度約1.3 cm.按振動(dòng)測(cè)試需要搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4.系統(tǒng)中寬帶光源的技術(shù)指標(biāo)為:波長(zhǎng)范圍1525～1570 nm,輸出功率為12.11 dBm,穩(wěn)定度為0.03 dBm.等強(qiáng)度懸臂梁采用磁電式激振器,激振器信號(hào)由信號(hào)源經(jīng)功率放大后輸入到電激振器,激振信號(hào)選用正弦信號(hào),頻率范圍0～100 Hz可調(diào).為調(diào)節(jié)兩個(gè)光柵光譜的初始位置,可以通過(guò)在懸臂梁頂端加初始載荷通過(guò)光纖光譜儀進(jìn)行微調(diào).解調(diào)后的光信號(hào)經(jīng)PD光電轉(zhuǎn)換后進(jìn)入放大電路,其后可以送到示波器觀察信號(hào)波形,也可經(jīng)信號(hào)采集卡送入計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)頻率和幅值進(jìn)行分析.

圖4 傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)圖Figure 4 Set-up of the sensor measurement

首先將實(shí)驗(yàn)用等強(qiáng)度懸臂梁的參數(shù)帶入公式(3)計(jì)算其固有頻率 f0為142 Hz.然后從3 Hz到25 Hz每隔3 Hz測(cè)一個(gè)點(diǎn),對(duì)傳感器的測(cè)振性能進(jìn)行測(cè)試.輸入信號(hào)發(fā)生器采用正選激勵(lì),由數(shù)字示波器監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)的實(shí)測(cè)頻率如表1.

表1 傳感器頻率測(cè)定數(shù)據(jù)Table 1 Experimental frequency data of sensor

由表1數(shù)據(jù)可以看出,信號(hào)源和實(shí)測(cè)頻率之間有同向的偏差.究其原因,可能由于目前傳感器響應(yīng)頻率的測(cè)量采用了數(shù)字示波器方法,信號(hào)源也不是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源,因此頻率測(cè)試精度較低,表1中數(shù)據(jù)的偏差可能由此引起.

4 結(jié) 語(yǔ)

采用機(jī)械等強(qiáng)度懸臂梁和光纖光柵技術(shù),設(shè)計(jì)了一種用于25 Hz以下低頻測(cè)量的光纖振動(dòng)傳感器.該傳感器采用了雙光柵技術(shù)方案,使用了匹配光柵濾波技術(shù)用于對(duì)光柵信號(hào)的解調(diào),同時(shí)通過(guò)兩光柵的對(duì)稱布置,可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)量時(shí)的溫度補(bǔ)償,有效消除溫度的交叉靈敏度.另外,雙光柵對(duì)稱布置的信號(hào)解調(diào)方案同時(shí)大大提高了傳感器信號(hào)的測(cè)振靈敏度.實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,傳感器在25 Hz以下的低頻段可以穩(wěn)定可靠的工作.

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