光纤微振动传感器原理

光纤微振动传感器原理朱磊（机械与电子工程学院电子信息工程）指导教师：许海峰摘要：利用光纤共振原理设计和实现了一种光纤微振动传感器。光纤微振动传感器主要有两种结构形式：带电的微振动传感器和不带电的微振动传感器,以适应不同环境的在线检测。关键词：光纤传感器光纤共振在线检测Abstract:usingfibreresonantdesignprinciplesandrealizeafiberopticmicrovibrationsensor.Fiberopticmicrovibrationsensortobasicallyhavetwokindsofstructureform:chargedmicrovibrationsensorandunchargedmicrovibrationsensortoadapttodifferentenvironmentofon-linedetection.Keywords:opticalfibersensorfiberresonanceon-linedetection1.引言光纤具有传输损耗小、抗电磁干扰等优点,在传感器领域内已得到广泛应用。以往的传光型光纤振动传感器,光纤只用于传输光而本身并不振动,主要是利用与被测物相连的探头振动来进行检测的。本光纤振动传感器有别于传统的光纤振动传感器,光纤是随着被测物的振动而振动的,在谐振时,利用共振原理对微小振动能够放大50100倍，最小测量精度为0.01mm,还具有在线实时检测的功能。可用于测量大型发电机、房屋以及桥梁等的微振动。光纤微振动传感器主要有两种结构形式:带电的微振动传感器和不带电的微振动传感器。带电的微振动传感器适用于弱磁场和低电压的环境下,如检测房屋以及桥梁的微振动,并且成本和造价都比较低;不带电的微振动传感器适用于强磁场和高电压的环境下,如检测大型发电机的微振动。这两种微振动传感器对温度都是不敏感的。2.振动原理按照横向振动理论,光纤的固有振动频率为：w忙=B严EIpA=B忙I2EIpnR212=KkEI/pnR2（旷=1,2,3）式中B旷I是方程cosp旷l*Chp旷I=-1的解，令Kr=B旷l,前三阶的特征根为K1=1.875,K2=4.694,K3=7.855。p为光纤密度，EI为抗弯刚度，均可认为是常数；R为光纤的半径，A为光纤的截面积,l为光纤的振动长度。由此可以看出，光纤的固有振动频率与光纤长度的平方及光纤的直径成反比。本光纤微振动传感器就是利用上述原理制成的。在光纤发生谐振时，可以把振幅放大50100倍，从而能够精确测量微振动幅度。3、光纤传感器结构原理以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接（见图1）。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成（见图2）。图1:传统传感器图2：光纤传感器由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。由此可见，光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机一电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。光是一种电磁波，其波长从极远红外的1mm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即：E=Asin（et+0）A电场E的振幅矢量；W光波的振动频率；Q光相位；t光的传播时间。从公式中可知，只要使光的强度、偏振态（矢量A的方向）、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。4. 带电微振动传感器的设计带电微振动传感器主要由三部分组成:光源、传感部分以及光接收处理部分。整个装置如图3所示。图3：带电微振动传感器结构光源可以采用普通光源,无需任何特殊要求,电源由内部的电池供应。当然,如果在比较明亮的环境下工作,光源部分可以不予考虑。传感部分由管子、连接器以及光纤构成,连接器用螺丝固定在管子上,而光纤用胶粘剂与连接器相连。连接器内部结构如图4所示。光接收处理部分主要由CCD（电荷耦合器件）、图像采集卡以及计算机组成。CCD拍摄到的图像通过图像采集卡传入计算机，计算机通过对振动图像的分析和处理，最后定标显示,从而实现对被测物的实时监控。由光纤振动传感器、振动仪、功率发生器、频率发生器、图像采集卡以及计算机等组成一个振动监测系统。不带电微振动传感器的设计不带电微振动传感器是指除了光源和光接收处理部分外，在整个过程中没有电的部分，以避免强电磁和高电压的干扰。不带电微振动传感器也由三部分组成：光源、传感部分以及光接收处理部分，只是设计上有所差异。整个装置如图5所示。光源聚焦透镜振动传感器2|_传像束图像采集卡Hf计算机图5：不带电微振动传感器结构考虑到光源带电,所以不能直接接在振动传感器上,设计中通过一根一定长度的粗光纤将光传输到振动传感器中,光纤的接口如图6所示。中间的圆孔接光纤，边上的四个有螺纹的孔是固定孔。光纤的另一端与图4所示的连接器右边进行连接。图4的连接器与图7管子结构件相连，振动光纤在管子的内部，该管子通过左边嵌有的内螺纹，与图8结构件相连，利用透镜把振动图像聚焦在传像束上，然后通过传像束把光传到图10的CCD上，最后通过图像采集卡送到计算机上处理、显示。图9的管子结构件系嵌入在图内螺纹上，主要用于固定凸透镜，其中的凹槽目的是便于把管子旋进。$图色光纤接口俯观图图浜结构件CCD螺纹佞像束不带电微振动传感器从应用环境上讲比带电微振动传感器宽松,能够在强电磁和高电压下工作，不过经过几米长的传像束之后图像质量会有所下降，清晰度不如带电微振动传感器。当然，测量的主要是图像的振幅，所以测量结果并不会受很大影响。6.软件的实现软件主要是用VC来实现的。一块图像采集卡同时能够采集6路信号，一般的大型发电机需要十几个光纤振动传感器，以测试发电机重要零件的工作情况。所以软件设计时，可以6路信号或12路信号同时显示，每路信号的振幅一旦超过一个规定值时就会报警，表明该零件有可能出故障，应该进行检修了。通过VC软件的视频控制窗口，可以显示6路信号中的任何一路，也可以6路信号同时显示。本文提出了光纤微振动传感器在硬件和软件上的实现方案,根据不同的环境设计了带电的微振动传感器和不带电的微振动传感器,具有一定的实用价值。参考文献(1) 殷宗敏,周正利,刘惊惊.光纤共振测微振动的方法(2) 清华大学工程力学系.机械振动M.北京：机械工业出版社，1980(3) 方同,薛璞.振动理论及应用M.西安:西北工业大学出版社，1998(4)郭晓金，殷宗敏，刘惊惊，等.光纤共振测微振动的研究中国激光，2003，30(6)张健等