一種三軸碟式光纖振動(dòng)傳感器交叉耦合靈敏度試驗(yàn)研究

吳小笛 楊帆 劉帥 方澤斌

（第七一五研究所，杭州，310023）

隨著社會(huì)對(duì)工程安全問題的重視，振動(dòng)傳感系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用于工程監(jiān)測(cè)，尤其在建筑、采礦、電力等領(lǐng)域。振動(dòng)監(jiān)測(cè)工程作業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜，對(duì)振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)精度、監(jiān)測(cè)范圍、環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力的要求越來越高。光纖具有耐高溫、低密度、抗電磁干擾性強(qiáng)、低損耗、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)比傳統(tǒng)的電阻式、電容式傳感器，光纖傳感器在液體、高溫高壓、易燃易爆、強(qiáng)電磁干擾等復(fù)雜作業(yè)環(huán)境中依舊能正常工作。因此，光纖振動(dòng)傳感器憑借其優(yōu)勢(shì)，成為新的研究熱點(diǎn)。

光纖振動(dòng)傳感器在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有較多的研究成果，主要集中在提高傳感器靈敏度和監(jiān)測(cè)頻率范圍，較少涉及對(duì)多軸光纖傳感器交叉耦合靈敏度的研究。北京理工大學(xué)Gao R 等人設(shè)計(jì)了一種緊湊型點(diǎn)式全光纖振動(dòng)傳感器，監(jiān)測(cè)頻率范圍達(dá)到5 Hz～10 kHz[1]。電子科技大學(xué)戴維棟等人設(shè)計(jì)了Fabry-Perot聲波敏感探頭，監(jiān)測(cè)頻率范圍達(dá)到0.2～8 kHz[2]。2007 年，國(guó)防科大胡曦文等人設(shè)計(jì)了一種三軸光纖矢量水聽器，靈敏度達(dá)到30 rad/g[3]。長(zhǎng)春大學(xué)劉會(huì)杰設(shè)計(jì)了干涉型薄膜片式光纖振動(dòng)傳感器，靈敏度可達(dá)6969.5 rad/g，頻率范圍10～240 Hz[4]。

交叉耦合靈敏度是指?jìng)鞲衅鱾鞲休S正交方向上的加速度會(huì)疊加在傳感軸信號(hào)中，影響傳感器輸出[6]，它是三軸振動(dòng)傳感器振源定位的關(guān)鍵難點(diǎn)，直接影響定位精度[5-7]?，F(xiàn)有的光纖振動(dòng)傳感器研究對(duì)于多軸光纖傳感器交叉耦合靈敏度涉及較少，因此本文設(shè)計(jì)一種三軸碟式光纖振動(dòng)傳感器，搭建振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)，并測(cè)試傳感器對(duì)于不同方向的振動(dòng)激勵(lì)，計(jì)算各振動(dòng)感應(yīng)單元的交叉耦合靈敏度，為三軸光纖振動(dòng)傳感器交叉耦合靈敏度研究及振源定位提供試驗(yàn)參考。

1 振動(dòng)傳感系統(tǒng)及傳感器設(shè)計(jì)

1.1 傳感原理

本文設(shè)計(jì)的三軸碟式光纖振動(dòng)傳感器具備三個(gè)傳感單元，其傳感光纖固定于碟式敏感元件上，傳感原理如圖1 所示。由4 個(gè)弱反光柵分割出三段傳感光纖，每段傳感光纖及其敏感元件為一個(gè)傳感單元。入射光首先經(jīng)過弱反光柵產(chǎn)生反射光1，再通過傳感光纖，最后經(jīng)過下一個(gè)弱反光柵產(chǎn)生反射光2。由于碟式敏感元件振動(dòng)帶動(dòng)相應(yīng)位置傳感光纖振動(dòng)，導(dǎo)致反射光1 和反射光2 的光程差發(fā)生變化，其干涉光相位改變。通過解調(diào)干涉光相位變化，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)解算。此外，4 個(gè)弱反光柵實(shí)現(xiàn)傳感單元還有準(zhǔn)確定位三個(gè)傳感單元傳感光纖位置的作用。

圖1 傳感系統(tǒng)原理

1.2 振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)

光纖振動(dòng)傳感器具有三個(gè)碟式振動(dòng)感應(yīng)單元，分別監(jiān)測(cè)相互垂直的三個(gè)方向振動(dòng)，即有三個(gè)振動(dòng)感應(yīng)單元，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2 所示。圖中，1 為傳感器外殼；3（碟式膜片）、4（光纖卷）、5（質(zhì)量塊）為第一振動(dòng)感應(yīng)單元；6、7、8 為第二振動(dòng)感應(yīng)單元；9、10、11 為第三振動(dòng)感應(yīng)單元。光纖卷以質(zhì)量塊為中心，環(huán)形分布在碟式膜片上。第一至第三振動(dòng)感應(yīng)單元分別感應(yīng)其碟式膜片垂線方向的振動(dòng)分量，其垂線方向兩兩相互垂直。

圖2 三軸光纖振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

碟式膜片和質(zhì)量塊構(gòu)成彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，傳感器受到振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，質(zhì)量塊在碟式膜片垂線方向振動(dòng)，帶動(dòng)碟式膜片和光纖卷產(chǎn)生一定形變，從而對(duì)光纖卷施加頻率和幅值相同的周期性應(yīng)力，解調(diào)儀計(jì)算光纖卷反射光相位變化量即可得到垂直方向振動(dòng)激勵(lì)信息。將第一至第三振動(dòng)感應(yīng)單元所檢測(cè)的加速度矢量合成，可以得到振動(dòng)激勵(lì)的加速度。

2 傳感器交叉耦合靈敏度試驗(yàn)

2.1 交叉耦合靈敏度測(cè)試系統(tǒng)搭建

本文基于相位調(diào)制設(shè)計(jì)光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，由分布式振動(dòng)解調(diào)儀和三軸光纖振動(dòng)傳感器組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖3 所示。光源發(fā)射的激光通過耦合器后在光纖中傳輸經(jīng)過弱反光柵會(huì)產(chǎn)生后向反射光，兩個(gè)相鄰弱反光柵反射光相互干涉，該干涉光經(jīng)由耦合器被光電探測(cè)器檢測(cè)。當(dāng)外部振動(dòng)作用于傳感器內(nèi)的傳感光纖（傳感光纖位于振動(dòng)傳感器內(nèi)，與敏感元件固定）時(shí)，改變光程差導(dǎo)致干涉光相位發(fā)生變化，傳感系統(tǒng)通過信號(hào)處理器解調(diào)光相位變化即可得到振動(dòng)信息。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

按照原理圖3 搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，敏感單元緊密固定在振動(dòng)臺(tái)上，調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)輸入電壓與頻率控制其輸出加速度，利用解調(diào)儀采集并分析振動(dòng)傳感器傳感光纖光強(qiáng)變化，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，測(cè)試實(shí)物圖如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

定義振動(dòng)傳感器第一至第三振動(dòng)感應(yīng)單元的振動(dòng)感應(yīng)方向分別為x、y、z，試驗(yàn)中分別在三個(gè)方向上施加相同的振動(dòng)激勵(lì)。由于本文的振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)目標(biāo)為監(jiān)測(cè)環(huán)境中的低頻振動(dòng)，因此測(cè)試中振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)激勵(lì)頻率設(shè)定為400 Hz。

2.2.1x方向振動(dòng)

x方向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖5 所示，試驗(yàn)中向x方向施加頻率為400 Hz 的振動(dòng)激勵(lì)，橫坐標(biāo)為分布式光纖聲波/振動(dòng)傳感系統(tǒng)響應(yīng)頻率，縱坐標(biāo)為相應(yīng)振動(dòng)頻率的強(qiáng)度（此數(shù)據(jù)為光相位變化經(jīng)分布式光纖聲波/振動(dòng)傳感系統(tǒng)解調(diào)后的結(jié)果，與振動(dòng)幅值正相關(guān)）。x方向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果：第一振動(dòng)感應(yīng)單元振動(dòng)強(qiáng)度最大值為95 020，第二振動(dòng)感應(yīng)單元振動(dòng)強(qiáng)度最大值為2810，第三振動(dòng)感應(yīng)單元振動(dòng)強(qiáng)度最大值為4150。

圖5 x 方向振動(dòng)響應(yīng)

2.2.2y方向振動(dòng)

y方向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖6 所示，向y方向施加頻率為400 Hz 的振動(dòng)激勵(lì)。測(cè)試結(jié)果：第一振動(dòng)感應(yīng)單元振動(dòng)強(qiáng)度最大值為4310，第二振動(dòng)感應(yīng)單元振動(dòng)強(qiáng)度最大值為57 450，第三振動(dòng)感應(yīng)單元振動(dòng)強(qiáng)度最大值為2030。

圖6 y 方向振動(dòng)響應(yīng)

2.2.3z方向振動(dòng)

z方向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖7 所示，向z方向施加頻率為400 Hz 的振動(dòng)激勵(lì)。測(cè)試結(jié)果：第一振動(dòng)感應(yīng)單元振動(dòng)強(qiáng)度最大值為4120，第二振動(dòng)感應(yīng)單元振動(dòng)強(qiáng)度最大值為2630，第三振動(dòng)感應(yīng)單元振動(dòng)強(qiáng)度最大值為230 130。

圖7 z 方向振動(dòng)響應(yīng)

2.3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

三個(gè)方向上的傳感光纖數(shù)據(jù)如表1 所示。交叉耦合靈敏度計(jì)算為傳感器傳感軸正交方向上的加速度引起的傳感器輸出與傳感軸上相同加速度引起的傳感器輸出之比。根據(jù)振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算交叉耦合靈敏度，數(shù)據(jù)如表2 所示。

表1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 交叉耦合靈敏度

從表2 可以看出三個(gè)振動(dòng)感應(yīng)單元的各方向的交叉耦合靈敏度均在5%以內(nèi)，達(dá)到加速度傳感器交叉耦合靈敏度要求，其中第三振動(dòng)感應(yīng)單元交叉耦合靈敏度在2%以內(nèi)，第一、二振動(dòng)感應(yīng)單元交叉耦合靈敏度接近5%。第三振動(dòng)感應(yīng)單元交叉耦合靈敏度優(yōu)于第一、二振動(dòng)感應(yīng)單元。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：三軸光纖振動(dòng)傳感器各振動(dòng)感應(yīng)單元的交叉耦合靈敏度在5%以內(nèi)，在低串?dāng)_多軸加速度傳感器許用范圍內(nèi)[8]。其中第三振動(dòng)感應(yīng)單元交叉耦合靈敏度在2%以內(nèi)，超過商用加速度傳感器交叉耦合靈敏度3%～5%范圍。分析第三振動(dòng)感應(yīng)單元更優(yōu)的原因：（1）第一、第二感應(yīng)單元傳感方向（x、y方向）與其質(zhì)量塊的重力方向不同，導(dǎo)致其z方向的振動(dòng)增強(qiáng)而x、y方向振動(dòng)減弱，第三振動(dòng)感應(yīng)單元傳感方向（z方向）與其質(zhì)量塊的重力方向相同，導(dǎo)致其x、y、z方向振動(dòng)均被增強(qiáng)；（2）由于三軸碟式光纖振動(dòng)傳感器加工、裝配精度及試驗(yàn)安裝精度等影響，可能造成第三感應(yīng)單元的軸向垂直度較第一、第二感應(yīng)單元高，導(dǎo)致其交叉耦合靈敏度較低。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一種三軸光纖振動(dòng)傳感器，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試傳感器對(duì)于不同方向振動(dòng)激勵(lì)的振動(dòng)響應(yīng)，并計(jì)算其振動(dòng)感應(yīng)單元的交叉耦合靈敏度。結(jié)果表明：三軸光纖振動(dòng)傳感器各振動(dòng)感應(yīng)單元的交叉耦合靈敏度在5%以內(nèi)，在低串?dāng)_多軸加速度傳感器許用范圍內(nèi)，且第三振動(dòng)感應(yīng)單元交叉耦合靈敏度（2%以內(nèi)）優(yōu)于第一、第二振動(dòng)感應(yīng)單元（接近5%）。本文研究結(jié)果證明了具有碟式振動(dòng)感應(yīng)單元的三軸光纖振動(dòng)傳感器具備振源定位的基礎(chǔ)條件，能夠在工程上應(yīng)用于液體、高溫高壓、易燃易爆、強(qiáng)電磁干擾等復(fù)雜作業(yè)環(huán)境中，提供振動(dòng)監(jiān)測(cè)、振源定位等功能。