基于光纖光柵的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者/魏晨，吉林大學(xué)珠海學(xué)院

基于光纖光柵的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者/魏晨，吉林大學(xué)珠海學(xué)院

本文以光纖布拉格光柵為傳感器件，采用長(zhǎng)周期光纖光柵線性邊緣濾波動(dòng)態(tài)解調(diào)法，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了等強(qiáng)度懸臂梁的低頻率微小振動(dòng)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)表明，在振動(dòng)頻率小于1kHz，振幅在12～28mm范圍內(nèi)，測(cè)量具有較好的準(zhǔn)確度和重復(fù)性。

振動(dòng)；光纖光柵；動(dòng)態(tài)解調(diào)；LabVIEW

引言

光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、體積小、質(zhì)量輕、易于實(shí)現(xiàn)分布式傳感的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于應(yīng)變、溫度、壓力、振動(dòng)等物理量的測(cè)量。光纖光柵是波長(zhǎng)調(diào)制型傳感器，中心波長(zhǎng)解調(diào)是關(guān)鍵技術(shù)，常見的解調(diào)方法有光譜分析法、可調(diào)諧光源檢測(cè)法、非平衡邁克爾遜干涉儀解調(diào)法[1]等。本文采用長(zhǎng)周期光纖光柵線性邊緣濾波解調(diào)法，實(shí)現(xiàn)振幅和頻率參數(shù)的測(cè)量。

1. 光纖光柵的傳感特性

光纖光柵是纖芯折射率周期性變化的光纖器件。當(dāng)寬帶光源入射到光纖布拉格光柵（FBG）上時(shí)，會(huì)反射回一個(gè)窄帶光波，其中心波長(zhǎng)稱為布拉格波長(zhǎng)，記為λB，滿足下式[2]：

其中nef為纖芯模的有效折射率，Λ為光柵周期。應(yīng)變和溫度是引起nef和Λ變化的最直接的因素，進(jìn)而使布拉格波長(zhǎng)產(chǎn)生偏移，通過(guò)測(cè)量偏移量可以間接測(cè)得外界物理量。基于光纖光柵傳感器的傳感過(guò)程是通過(guò)外界參量對(duì)光纖光柵中心波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲得傳感信息，實(shí)質(zhì)上是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。

2. 長(zhǎng)周期光纖光柵的線性邊緣濾波解調(diào)法

長(zhǎng)周期光纖光柵（LPG）透射光的中心波長(zhǎng)記為λL，滿足下式：

其中，nc0和nc1(m)分別為纖芯模和m階包層模的有效折射率，Λ為光柵周期。

LPG的透射特性類似于帶阻濾波器，中心波長(zhǎng)兩邊的曲線線性度較好，可作為濾波區(qū)間。解調(diào)時(shí)要保證FBG的中心波長(zhǎng)落在長(zhǎng)周期光纖光柵的線性區(qū)域中。圖1為長(zhǎng)周期光纖光柵解調(diào)示意圖。振動(dòng)使懸臂梁偏移原來(lái)的平衡位置，粘在懸臂梁上的FBG受到應(yīng)力，發(fā)生形變。當(dāng)形變?cè)龃髸r(shí)，布拉格波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，由原來(lái)的位置a移到位置b，經(jīng)過(guò)LPG濾波后，光強(qiáng)變強(qiáng)；當(dāng)形變減小時(shí)，布拉格波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)，LPG輸出端光強(qiáng)變?nèi)?。通過(guò)光強(qiáng)的變化可以得知布拉格波長(zhǎng)的變化，從而間接得知振幅。

圖1 長(zhǎng)周期光纖光柵解調(diào)示意圖

3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由光纖布拉格光柵傳感、長(zhǎng)周期光纖光柵解調(diào)、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。光纖布拉格光柵粘貼在等腰懸臂梁上，用以感知懸臂梁的振動(dòng)。光電探測(cè)選用InGaAsPIN光纖耦合輸出探測(cè)器，將長(zhǎng)周期光纖光柵透射的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)為電流信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路包括I/V轉(zhuǎn)換電路和放大電路。數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司的USB6009，具有14Bit分辨率和48KS/s的采樣率，實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并傳送到計(jì)算機(jī)中。

圖2 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

軟件部分以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，主要完成濾波和數(shù)據(jù)處理?？紤]到測(cè)量裝置在靜態(tài)標(biāo)定、校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)使用低通濾波器，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)應(yīng)使用帶通濾波器，若用模擬濾波器實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，因此選用LabVIEW中的軟件濾波器，更換濾波器類型、參數(shù)十分方便。先對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換；再經(jīng)巴特波斯濾波器濾波，消除噪聲；每40個(gè)數(shù)據(jù)取均值消除不穩(wěn)定因素的影響，數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的選擇可根據(jù)采樣頻率進(jìn)行設(shè)定；最后將測(cè)試結(jié)果的圖像和數(shù)值顯示在前面板。

4. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1 線性標(biāo)定

線性標(biāo)定采用螺旋測(cè)微儀改變懸臂梁末端位移量，模擬振動(dòng)振幅，如圖3所示。等腰懸臂梁在同一軸線上所受應(yīng)力強(qiáng)度相等。根據(jù)材料力學(xué)原理，懸臂梁表面沿中心軸方向的應(yīng)變?chǔ)排c末端位移x在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系[3]。已知波拉格波長(zhǎng)λB與軸向應(yīng)變?chǔ)懦烧汝P(guān)系，故波拉格波長(zhǎng)與螺旋測(cè)微儀的進(jìn)給量成正比關(guān)系。將FBG的一個(gè)接頭與光源連接，另一個(gè)與光譜儀連接，調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微儀，懸臂梁受到應(yīng)力，帶動(dòng)粘在懸臂梁上的光纖布拉格光柵產(chǎn)生應(yīng)變，記錄下螺旋測(cè)微儀在不同位置時(shí)由光譜儀測(cè)得的布拉格波長(zhǎng)。擬合直線方程為λB=0.109x+1546.8，靈敏度為109pm/mm，相關(guān)指數(shù)R2=0.9993，直線與原數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合度好。其中波長(zhǎng)單位為納米，位移單位為毫米。

按照線性邊緣濾波法原理圖連接光路，光源經(jīng)耦合器進(jìn)入光纖布拉格光柵，經(jīng)光纖布拉格光柵反射后的光通過(guò)耦合器分成兩路，一路與長(zhǎng)周期光纖光柵相連，長(zhǎng)周期光纖光柵的另一端與光功率計(jì)相連。調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微儀到前一過(guò)程記錄的位置，分別記錄下光功率計(jì)的示數(shù)P。光功率和波拉格波長(zhǎng)λB的擬合直線為P=7.37λB—11373.05，光功率隨波長(zhǎng)的變化率為7.37nW/nm，相關(guān)指數(shù)R2=0.9989，擬合度好。其中光功率單位為毫瓦。

光功率與電路輸出電壓成正比，參考光路的光功率始終保持不變，對(duì)應(yīng)輸出電壓也保持不變。數(shù)據(jù)采集卡對(duì)兩路電壓信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)LabVIEW數(shù)據(jù)處理，傳感電壓值與參考電壓值之比稱為θ。調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微儀到前一過(guò)程記錄的位置，分別記錄下比值θ。擬合直線方程為λB=10.17θ+1544.9，二者成正比關(guān)系。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們可以得出這樣的結(jié)論：在線性邊緣濾波解調(diào)法中，電壓比值θ與懸臂梁末端位移x成正比關(guān)系，x=93.30θ—17.43。

4.2 振動(dòng)試驗(yàn)

將標(biāo)定的懸臂梁裝置換為BZ8002等強(qiáng)度梁試驗(yàn)臺(tái)。并對(duì)LabVIEW程序略微調(diào)整：將低通濾波器改為帶通濾波器，截止頻率由所設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢決定，振動(dòng)信號(hào)的頻率由LabVIEW自帶“信號(hào)的時(shí)間與瞬態(tài)特征測(cè)量”函數(shù)直接計(jì)算顯示結(jié)果。圖4所示為頻率為50Hz，布拉格波長(zhǎng)的變化過(guò)程。實(shí)驗(yàn)表明在振動(dòng)頻率小于1KHz，振幅在12～28mm范圍內(nèi)，測(cè)試系統(tǒng)具有較好的準(zhǔn)確度和重復(fù)性。

圖3 等腰懸臂梁裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 振動(dòng)頻率為50Hz時(shí)布拉格波長(zhǎng)的變化

5. 結(jié)論

本文選用光纖波拉格光柵檢測(cè)振動(dòng)，具有抗干擾能力強(qiáng)、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)；利用長(zhǎng)周期光纖光柵的透射特性，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)，該方法具有分辨率高、準(zhǔn)確度高、體積小等特點(diǎn)；以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理顯示的功能。當(dāng)振動(dòng)頻率小于1kHz，振幅在12～28mm范圍內(nèi)時(shí)，該測(cè)試系統(tǒng)具有較好的準(zhǔn)確度和重復(fù)性。

＊ [1] 王宏亮,張晶,喬學(xué)光等.光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].半導(dǎo)體技術(shù),2007, 32(3):191

＊ [2] 饒?jiān)茲?，王義平，朱濤.光源光柵原理及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006

＊ [3] 沈小燕,林玉池,付魯華等.LabVIEW實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感解調(diào)[J].傳感技術(shù)報(bào),2008, 21(1): 61—65.