（测试计量技术及仪器专业论文）振动温度光纤光栅传感器技术研究.pdf

摘要 论文题目：振动温度光纤光栅传感器技术研究 学科专业：测试计量技术及仪器 研究生：贾艳丽签名： 指导教师：刘月明教授签名： 摘要 针对检测机械振动故障需要分析设备的机械振动频率、加速度等参数，本论文设计出 一种振动温度双参数光纤光栅传感器。该传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、动态范围 大、体积小等优点，并能够有效地解决在工程结构中各种因素的互相影响及交叉敏感问题。 本论文采用等强度悬臂梁进行振动传感测试，设计出一种基于长周期光纤光栅的新型 解调系统。该系统可以实现温度与振动信号的解调，并能有效消除光源波动及外界环境干 扰。系统测量范围达到：动态信号频率2 0 h z 1 6 0 h z ，加速度o 1 4 嚷，温度0 c 1 0 0 0 c ； 温度分辨力为o 1 ，加速度分辨力为0 1 9 。论文主要内容包括： ( 1 ) 介绍光纤光栅传感器及多参数传感器的应用及发展现状。概述光纤光栅基本传感 原理及其基本特性、振动传感器基本原理，研究光纤光栅温度、振动传感特性，并介绍光 纤光栅传感系统组成。 ( 2 ) 分析几种常用光纤光栅解调方案的解调原理及其优缺点，利用长周期光纤光栅的 边缘滤波效应，设计出一种新型解调方案。详细介绍方案解调原理、光路设计，并理论计 算出传感光强f b g 谐振波长灵敏度。 ( 3 ) 设计等强度梁式振动传感器结构，分析振动悬臂梁静态特性、动态特性及悬臂梁 的固有频率等。根据系统测量要求，对悬臂梁尺寸进行优化设计。利用a n s y s 软件对振 动悬臂梁固有频率进行仿真分析，验证理论计算的正确性。 ( 4 ) 设计光电转换电路、滤波电路、差动电路、数据采集电路、动态显示电路等，并 通过系统软件设计实现传感信号的检测与显示。 ( 5 ) 实验研究光纤光栅传感系统的温度传感特性、应变传感特性、振动传感特性，并 对实验结果进行分析。 关键词：光纤布拉格光栅；振动传感；温度传感；长周期光纤光栅 a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho nv i b r a t l o na n dt e m p e r a t u r es e n s l n g t e c h n o l o g yb a s e do nf b g m a j o r ：m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t a t i o n n a m e ：y a n l ij i a s i g n a t u r e ：】迨血 s u p e r v i s o r ：p r o f y u e m i n gl i us i g n a t u r e ：j 出艺h 竺竺当 - i _ _ _ _ _ _ ， a b s t r a c t a i m i n ga tt h ep u r p o s eo fa n a l y z i n ge q u i p m e n t sv i b r a t i o np a r a m e t e r ss u c ha sf r e q u e n c y a n da c c e l e r a t i o nd u r i n gm e c h a n i c a lv i b r a t i o nf a u l td i a g n o s i s ，i nt h i sp a p e ro n ek i n d o f v i b r a t i o n t e m p e r a t u r et w o p a r a m e t e rf i b e rg r a t i n gs e n s o rw i t ht h em e r i t se m i ( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ) r e s i s t a n c e ，h i g hs e n s i t i v i t y , w i d ed y n a m i cr a n g e ，s m a l ls i z e ，e t c ，w a sd e s i g n e da n d t h ep r o b l e m so fm u l t if a c t o r s i n t e r a c t i o na n dc r o s s - s e n s i t i v i t yi ne n g i n e e r i n gs t r u c t u r ew e r e e f f e c t i v e l ys o l v e d v i b r a t i o ns e n s i n gt e x to fc o n s t a n ts t r e n g t hc a n t i l e v e rw a se m p l o y e di nt h i sp a p e r , a n da n o v e ld e m o d u l a t i n gs y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nl o n gp e r i o df i b e rg r a t i n gt od e m o d u l a t et h e t e m p e r a t u r ea n dv i b r a t i o n ，w h i c hc o u l de f f e c t i v e l ym i n i m i z et h ee f f e c to ff l u c t u a t i o no fo p t i c a l s o u r c ea n dd e c r e a s et h ei n t e r f e r e n c eo fe x t e r n a le n v i r o n m e n t s y s t e mm e a s u r e m e n t r a n g ec o u l d b ea sf o l l o w s ：d y n a m i cs i g n a lr a n g e ，2 0 h z - 1 6 0 h z ，a c c e l e r a t i o nm e a s u r e m e n tr a n g e ，o - - 1 4 0 9 w i t ht h es e n s i t i v i t yo 1 9 , t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tr a n g e ，o 。c t 0 0 w i t ht h es e n s i t i v i t yo 1 f o l l o w i n gw e r et h em a i nc o n t e n t si nt h i sp a p e r ： f i r s t l y , t h ea p p l i c a t i o na n dt h ep r e s e n td e v e l o p m e n to ff i b e rg r a t i n gs e n s o ra n dm u l t i p a r a m e t e rs e n s o rw e r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e nt h eb a s i cs e n s i n gp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r so ff i b e r g r a t i n g ，v i b r a t i o ns e n s o r sf u n d a m e n t a lp r i n c i p l ew a sb r i e f l yd i s c u s s e d ，b e s i d e s ，t e m p e r a t u r e v i b r a t i o ns e n s i n ga n dt h ec o m p o s i t i o no ff i b e rg r a t i n gs e n s i n gs y s t e mw a ss t u d i e d s e c o n d l y , t h ep r i n c i p l e ，m e r i t sa n df a u l t so fs e v e r a lg e n e r a lf i b e rg r a t i n gd e m o d u l a t i o n s c h e m ew a sa n a l y z e d ，an o v e ld e m o d u l a t i o ns c h e m ew a sp r e s e n t e db a s e do ne d g ef i l t e re f f e c t o fl o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g t h e nw ed i s c u s s e di n t e n s i v e l yi t s w o r k i n gp r i n c i p l e ，b e a mp a t h d e s i g n ，a n dd i dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no fr e s o n a n tw a v e l e n g t hs e n s i t i v i t yo fs e n s i n go p t i c a l i n t e n s i t ya n df b g t h i r d l y , t h es t r u c t u r eo fc o n s t a n ts t r e n g t hc a n t i l e v e rv i b r a t i o ns e n s o rw a sd e s i g n e d ，s t a t i c a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，n a t u r a l f r e q u e n c yo fc a n t i l e v e ra n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h e r e q u i r e m e n to fs y s t e m ，t h es i z eo fc a n t i l e v e rw a so p t i m i z e d ，a n ds i m u l a t i o na b o u tn a t u r a l f r e q u e n c yo f v i b r a t i o nc a n t i l e v e rv i aa n s ys o f t w a r ew a sr e a l i z e d ，w h i c hv e r i f l e dt h er e s u l t so f t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n f o r t h ，s y s t e mc i r c u i t si n c l u d i n gp h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o n , f i l t r a t i o n ，d i f f e r e n t i a l ，d a t a a c q u i s i t i o n ，d y n a m i cd i s p l a y , e t c ，w e r ed e s i g n e d ，a n dt h et e s ta n dd i s p l a yo fs e n s i n gs i g n a lw a s f u l f i l l e db ys y s t e ms o f t w a r e f i n a l l y , s o m ee x p e r i m e n t sw e r ef i n i s h e dt os t u d yt h et e m p e r a t u r es e n s i n gc h a r a c t e r , s t r a i n s e n s i n gc h a r a c t e r , v i b r a t i o ns e n s i n gc h a r a c t e r , a n dt h er e s u l ta n a l y s i so fe x p e r i m e n tw a sm a k e k e yw o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ，v i b r a t i o ns e n s i n g ，t e m p e r a t u r es e n s i n g ，l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g 2 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：里垒虫殄g 年口；月训日 学位论文使用授权声明 本人咝醢在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：重妇：导师签名： 啐厘丝泐缉口；月j 日 绪论 1 绪论 1 1 光纤光栅传感器的应用与发展现状 自从1 9 7 8 年k o h i l l 等人首次报道了用氩离子激光器在锗硅光纤上用驻波持续曝光 制作成第一个光纤光栅一光纤布拉格光栅( i 1 1 丘b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 以来2 1 ，光 纤布拉格光栅的研究和应用引起了广泛关注，在传感领域中具有十分广泛的应用。随着光 纤光栅制造技术的不断完善，应用成果的日益增长，光纤光栅已成为目前最具发展前途的 光纤无源器件之一。 光纤光栅自1 0 多年前被证明可以用于应变和温度测量以来，因其成本较低和复用能 力强等特点，一直迅速发展3 1 。虽然光纤光栅传感器在性能和功能上还可以进一步改进， 但光纤光栅传感器技术经过10 年的研发整体上现在已经接近成熟，目前人们正致力予实 现光纤光栅传感器系统的低成本化及其他更多的潜在应用。主要应用领域有： ( 1 ) 大型复合材料和混凝土结构健康监测应用 与用于大型复合材料和混凝土结构健康监测的传统电子应变测量传感器相比，f b g 应变传感器具有很多显著的优点，如抗电磁干扰，抗腐蚀性强，体积小，复用能力强，极 限温度高，寿命长等优点，在大型复合或混凝土结构建筑施工期间及完工后的健康监测和 撞击监测中具有很大的实用价值。自1 9 9 0 年第一次将f b g 传感器埋入环氧树脂复合材料 和1 9 9 2 年埋入单个混凝土横梁以来，已经广泛用在了桥梁、矿山、舰船和飞机等结构 的健康监测中。 ( 2 ) 在电力工业中的应用 与其他光纤传感器一样，光纤光栅不受电磁场的影响，所以它很适合用于电力工业。 除此以外，光纤光栅可以写在标准1 5 5 9 m 通信光纤上，由于1 5 5 9 m 是光纤的低传输损 耗窗口，所以写在1 5 5 岬上的光纤光栅传感器返回的信号可以传输得更远，它就更适合 于远距离工作。安装在电力传输线上的光纤光栅传感器主要用于测量电力传输线的负载， 另外还可以用来测量大电流和变压器的温度。 ( 3 ) 医学应用 用在医药上的商用传感器很大一部分都是有源的，而有源传感器在很多场合并不适 用，特别是在高频、超声波和有激光辐射的场合，因为金属导体的存在和在金属导体上的 高电压和高电流的电磁干扰形成的磁场将会导致传感器头上温度出现误差。光纤传感器可 以很好的克服这些缺陷。如果利用f b g 传感器其独一无二的复用特性，有可能在一根光 纤上实现分布式传感器系统。目前，已经有了温度和超声波传感系统。 ( 4 ) 油井应用 液压和温度的实时监测对控制海上油田的产油量非常重要，它需要传感器在达到 1 0 0 m p a 的液压下能够有1 0 k p a 的分辨率。光纤光栅传感器由于可以进行分布式测量并能 适应较大的温度变化，可以用于油井内部液压和温度的测量。2 0 0 3 年，p h m n e l l e n 等人 西安理工大学硕士学位论文 报道了一种基于f b g 传感器的精确、长期监测油井液压的传感器，该传感器将油井液压 转化为光纤应力，可同时监测油井液压和温度“1 。 除了上面的一些应用，光纤光栅还有许多其他的应用，如化学传感、安全监测传感系 统 6 1 加速度计订1 、枪筒瞬间应变测量1 8 1 水声传感、液面位置探测等，这些传感器表 明光纤光栅传感器具有极为广泛的应用，并且目前许多学者正在进行光纤光栅各种潜在应 用的研究。 国外对光纤光栅传感器的研究已经基本实现了光纤光栅传感器的商品化、工程化，如 b l u er o a dr e s e a r c h 、c i d r a 、m o i 等。国内在光纤光栅传感器方面的研究工作也取得了 一定成果，其中一部分已经转化为产品，如上海紫珊光电技术有限公司，哈尔滨工业大学， 南开大学及武汉理工大学等。各种成熟的产品已逐渐推出，其中包括：清华大学光纤传感 中心研制开发的光纤油罐液位与温度测量系统，已经安装运行数年；中国计量学院研制的 分布式光纤传感系统，有产品报道；华中理工大学与广东某公司联合研制的强电压、大电 流传感系统。此外，国内还建立了许多光纤无源器件生产厂家。 1 2 光纤光栅振动传感器 随着振动测试技术的发展和高精度测量的需求，研制高性能的振动传感器势在必行。 对于任意一个振动系统，外界对系统有一定形式的输入，系统也会有相应的输出，通常把 该输入称为激励，输出称为响应。而输出特性不仅取决于输入特性，还取决于振动系统的 振动特性。激励、响应和系统的振动特性这三者之间的关系如图1 1 所示。 纠系统振动特性l 骂 i一 图1 - 1 振动系统原理框图 f i g 1 1b l o c kd i a g r a mo f v i b r a t i o ns y s t e m 1 2 1 振动测试技术发展现状 振动测量通常包括振动的位移、速度、加速度，噪声的声压、声强和激振力的测量， 这些参数通常称为动态参数。目前测量振动的主要方法有机械式测量、电气式测量、光学 式测量三类阳1 ： ( 1 ) 机械式的测量方法是利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来。这种方法抗干扰能 力强，但测量的频率范围及动态范围窄，精度也不高：适用于低频大振幅振动和扭振的测 量； ( 2 ) 电测方法是将振动参数转换成电信号，然后用电量测试仪表进行测量。这是目前应用 得较为广泛的测量方法。它的技术比较成熟，灵敏度高；但难于绝缘处理，易受电磁场干 扰，难以达到安全生产的目的； ( 3 ) 光学式的测量方法是将振动参数转换为光学信号后进行测量。这种方法精度高、频率 范围广、电气绝缘、不会引起电网谐振，与机械式和电气式相比具有以下优点： 2 绪论 具有较高的灵敏度和分辨率，测量频带较宽，响应速度快。 具有较大的动态测量范围。 振动传感器体积可以很小，以减小传感器对被测对象的附加影响，适于对质量小、 不易安装传感器件的试件做非接触式测量。 能进行远距离测量，可根据不同被测量参数选择不同的振动传感器，适合多点测 量。 然而，对于波长进行调制的光纤光栅传感技术能够克服一般光纤振动传感器的不足之 处，它能实现实时在线、绝对数字式测量，具有测量范围广、精度高、抗干扰能力强、无 需调零、长期稳定性好等优点，为实现振动传感的高分辨能力、高信噪比、高保真度、高 清晰度、高精确度和高可信度提供了理想的技术手段，在航空、航天、海洋工程、石油、 土木建筑、机械等领域中具有广阔的应用前景。但是现阶段对光纤光栅传感器的研究在国 内还处于起步阶段。 1 2 2 光纤光栅振动加速度传感器 振动测试技术从2 0 世纪初发展到今天，随着技术理论的发展和生产巾对测试需求的 与日俱增，高质量的测试仪器、设备和现代化的测试方法不断出现。光纤传感技术的出现， 给传感器的发展带来了前所未有的生命力。国内外研制了多种光纤振动加速度传感器，主 要有光强调制型和相位调制型两大类。光强调制式有反射式、透射式和偏振式等；相位调 制式有m a t h z e h n d e r 干涉仪、m i c h e l s o n 干涉仪和f a b r y p e r o t 干涉仪，最小的已经做到 了2 5 c m 长，直径仅0 2 5 r a m ，测量精度可达l g g ，共振频率可达1 0 k h z 。光调制型和相 位调制型加速度传感器，易受光源波动、光纤扰动的影响，在走向实用化方面存在问题。 光纤光栅传感技术是在光纤传感技术的基础上发展起来的，近几年，光纤光栅加速度 传感器也成为了一个研究和发展的领域。光纤b r a g g 光栅作为传感元件是波长调制的，当 传感量变化时，光纤b r a g g 光栅的中心波长随着改变。研究光纤光栅传感技术的关键问题 之一是如何高精度的探测光纤光栅反射波长的漂移量。从测得的光信号中检测出中心波长 的漂移，从而获得被测参量，实现光栅的解调。所以，解调系统是光纤光栅传感系统的核 心。目前报道的解调方法主要包括：可调谐光纤跟踪系统、f p 滤波系统、激光波长可调 谐匹配系统、串联干涉仪调制系统、光纤弹性振动技术、傅立叶变换光谱仪、m a t h z e h n d e r 干涉仪等。 1 9 9 2 年a d k e r s e y t l 0 1 首先提出了采用f b g 和非平衡m a c h z e h n d e r 干涉仪来测量振 动的方案，其动态应变灵敏度在1 0 0 h z 时可达0 6 n e h z “2 。1 9 9 6 年，t h e r i a u l t 等人1 1 1 提 出了利用f b g 测量加速度的方案，测量的加速度的最大值可达1 7 0 0 0 0 9 。最近，日本的 n o b u a k it a k a h a s h i 等人“ 1 5 1 使用f b g 以及可调l d 激光源进行强度解调成功实现了振动 的高灵敏度测量，最小振幅为0 0 7 1 x m ；并且设计了同时测量温度和振动的f b g 传感器， 其温度测量范围为一1 5 。c 5 0 。c ，信噪比 5 5 d b ，振幅测量范围可达5 0 0 n m ，但该传感器还 没有走向实用化。 3 西安理工大学硕士学位论文 2 0 世纪9 0 年代初国内出现了光纤光栅振动加速度传感器的研究n 钉。1 9 9 6 年，清华 大学在f b g 特性研究中对光纤光栅加速度传感器提出了设计思路；南开大学提出了利用 宽带光源、光纤增敏光信号解调的技术，为f b g 加速度测量的实现做了大量的工作；重 庆大学进行了f b g 振动加速度传感器的研究，提出了f b g 与本征f p 干涉复用的结构并 结合非平衡m a c h z e h n d e r 干涉技术，对分布式加速度的测量做了较为具体的研究。华中 理工大学、华南师范大学、哈尔滨工业大学等先后报道了f b g s a g n a c 技术， f b g m i c h e l s o n 技术和大范围运动对弹性梁振动频率的模态影响等研究成果，从不同角度 对f b g 加速度传感器的设计提出具体的探讨和研究 1 t l 。 1 3 多参数光纤光栅传感器概述 应力、应变、温度、浓度等外界环境的变化将引起光纤有效折射率或光栅周期等参数 的变化，从而导致光纤布拉格光栅的谐振波长发生变化，因此光纤布拉格光栅是性能优良 的敏感元件，测量光栅谐振波长的变化就可获得周围环境参量的变化，并且光纤布拉格光 栅的传感信息通常是以波长编码的。与传统的电子或机械传感器相比，光纤布拉格光栅传 感器具有灵敏度高、动态范围宽、不受电磁干扰、可靠性高、成本低、体积小、可埋入智 能结构等一系列优点，特别适用于强磁场和辐射性、腐蚀性或危险性大的环境，这使其可 以实现对桥梁、水坝、建筑物、飞行器、舰船、火车、矿井、油田、油罐等的实时监测， 以保证其安全可靠。因此光纤布拉格光栅传感技术，特别是多参数复用传感技术越来越受 到人们的青睐。1 9 9 7 年和1 9 9 9 年，y j r a o 系统全面地总结了光纤布拉格光栅在传感领 域中的应用1 舳t l g 。 光纤布拉格光栅的单参数测量主要是指实现对温度、应变、浓度、折射率、磁场、电 场、电流、电压、速度、加速度等参数的测量。多参数传感技术包括两个或两个以上参数 的传感。相比于其他传感器，光纤传感具有突出的特点，利用一个或多个光纤布拉格光栅 级联或与其他传感器结合，通过测量谐振波长、幅值、偏振态或其他参量的变化可实现多 参数的测量。在工程结构中由于各种因素相互影响、交叉敏感，因此多参数测量技术尤其 重要。y o n gz h a o 等人乜们在y j r a om 1 的基础上总结了最近几年关于使用光纤布拉格光 栅作为传感测量时的应力和温度的分离技术。目前多参数传感技术中，研究最多的是温度 一应变的同时测量技术。 j e c h e v a r r i a 等人2 1 于1 9 9 4 年用单个光纤布拉格光栅的两个损耗峰实现了温度一应 变的同时测量。v v s p i r i n 等人n 3 1 于2 0 0 1 年利用石英毛细管封装两个级联的具有不同谐 振波长的光纤布拉格光栅，实现了温度和应变的同时测量。y j r a o 、x k z e n g 等人利用 光纤布拉格光栅和非本征型光纤f p 干涉腔、啁啾光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅及波 分复用器等的结合，实现了三维编织复合材料的温度一应变同时传感、温度一应变快速同 时测量n 钉“5 1 、温度一静态应变一振动三参数同时测量f 2 2 1 温度一静态应变一振动一横向 负载4 参数2 3 1 同时测量。2 0 0 3 年，g u a n g h u ic h e n 等人报道n 钉，利用相位模板技术可以 4 绪论 在一种新颖的高双折射光纤上写出光纤布拉格光栅，分别对应快轴模式和慢轴模式的两个 布拉格波长分别与温度和压力的变化呈线性变化的关系，因此可以利用此光纤布拉格光栅 来同时测量环境温度和压力的变化，实验结果得到了1 的温度精确度和0 5 m p a 的压力 精确度。同年，p h m n e l l e n 等人5 1 利用一个机械转换器将油井的压力转换为应力，从而 可以用光纤布拉格光栅作为传感器时的可靠性实验。实验表明，在工作状态下，光纤布拉 格光栅可以承受高达2 5 0 的温度和1 0 0 m p a 压力。另外，他们做了损坏实验，在2 5 0 时，光纤布拉格光栅在5 年内变化仅l p m ，在此温度下，在静止应力少于1 g p a 时，至少 有5 年的使用寿命。 2 0 0 2 年，b a l g w a n d u 等人晒1 利用超级构f b g 传感器实现了应力和弯曲的同时测 量，同时在测量过程中，还对测量结果进行了温度补偿。这种超结构f b g 传感器实际就 像一支f b g 和一支长周期光纤光栅的串联1 2 6 1 。 1 4 课题研究意义及主要内容 近几年来，越来越多的工业工程中需要对振动加速度进行测量。加速度信号的测量通 常是利用惯性原理，通过感知惯性力所产生的位移或者应变而测得相应的加速度。针对一 些应用领域，例如工程机械、建筑结构、海洋石油平台、机床、旋转机械、车辆船舶结构 和航空航天器等，急需具有抗电磁干扰、高灵敏度、大动态范围、易复用的高性能加速度 传感装置。而基于光调制机理的光纤传感器在这此方面展现了良好的应用前景。 光纤光栅对于应力、应变、温度等多种参量都具有不同程度的敏感性，即存在交叉敏 感，并且在工程结构中各种因素相互影响、交叉敏感，因此多参数测量技术尤其重要。 本论文旨在设计一种适用于恶劣环境下工作的f b g 悬臂梁振动传感器与远程监测系 统，主要用于机械振动故障诊断识别。该传感器可以测量振动加速度、振源频率及机器周 围环境温度，具有灵敏度高，使用安全等特点。论文的主要研究内容有： ( 1 ) 研究光纤b r a g g 光栅的理论模型，并应用耦合模理论分析光纤b r a g g 光栅的光谱 特性。研究光纤b r a g g 光栅的温度、应变传感特性，建立光纤光栅振动温度传感系统理 论体系。 ( 2 ) 参考目前几种常用的光纤光栅传感器解调方法，设计一种基于长周期光纤光栅的 新型解调方案，并对其进行理论分析。 ( 3 ) 根据系统要求，设计等强度悬臂梁式振动传感器。对悬臂梁进行固有频率理论计 算、尺寸优化及固有频率仿真分析等。 ( 4 ) 针对设计的振动温度光纤光栅传感器输出的微弱光信号，设计具体的信号调理电 路、测控系统，并对数据采集和实时显示系统的软、硬件部分进行详细介绍。 ( 5 ) 详细介绍实验系统组成部分及光路设计。搭建完整的实验系统，完成传感头温度 和振动传感特性测试实验。实际测量结果与理论计算结果进行对比，验证课题设计方案的 可行性和正确性。 5 西安理工大学硕士学位论文 2 振动温度光纤光栅传感特性研究 2 1 光纤光栅的基本特性与传感原理 光纤布拉格光栅作为非常重要的现代光纤无源器件之一，在近年得到了非常迅速的发 展。自从1 9 8 9 年美国m o r e y 等人首次对光纤光栅的应变与温度传感研究以来，在短短的 1 0 多年时间里光纤光栅传感技术已成为传感领域发展最快的技术。正确理解光纤光栅的 传光机理和性质对研究光纤光栅传感技术十分重要。 2 1 1 光纤光栅的传感原理 自1 9 8 9 年横向分振幅写入法出现至今，光纤光栅的制作技术已取得飞跃进展，并随 着光纤光栅应用类型的日益扩大，光纤光栅的种类也日趋增多。根据光纤光栅的波矢方向、 空间周期分布及周期大小，可分为四种基本类型，即光纤b r a g g 光栅、闪耀光纤光栅、啁 啾光纤光栅和长周期光纤光栅。若进一步对光栅的折射率分布及其调制深度进行调制，在 四种基本光栅类型的基础上又可分为多种衍生光纤光栅类型，即超结构光纤光栅、多重写 入光纤光栅、相移光纤光栅、m o i r 6 光纤光栅和变迹光纤光栅等。 咖 迎垦 杂 一 9 0 。但是，单纯的强调高 反射率的同时，也要同时考虑边模抑制。也可以说，反射率决定信号强度，边模抑制决定 了信噪比。 b 透射率丁 t = 1 一尺 ( 2 8 ) c 中心波长厶戤 k ：( 1 + 堕) 以 ( 2 9 ) 刀e f t 由于纤芯折射率变化锄铲 玎够，所以波长偏移量很小，在光栅应用时经常可忽略， 把布拉格波长和中心波长等同起来称为f b g 的布拉格波长或f b g 的中心波长。 d 反射带宽舣 由反射带宽的定义：r ( 1 ，幻= 尺( ， 2 s ) 2 ，可求出两个a 值，并进一步给出b r a g g 波长 的半高全宽( f w h m ) 为 a 2 = 札s ( 2 1 0 ) 式中，为表示光栅平面的数目；j 的大小取决于光栅反射率的大小，如果反射率为1 0 0 ， j 约等于1 ，如果反射率比较小，则j 约等于0 5 。 理论上f b g 的带宽越d , n 量精度越高，但从实际的制作工艺水平和可行的精度来看， 最合理的值应该在0 2 n m 和0 3 r i m 之间，通常取0 2 5a m 。 e 传感光栅的长度， 理论上光栅的长度越小，测量点越精确。而实际制作光栅时要综合光栅的各种参数， 光栅越短，反射率越低，带宽越宽。很短的光栅，其反射率和带宽都很难达到要求，因此 要在三者之间做一个中和。 f 边模抑制比 对一个两边有许多旁瓣的f b g ，f b g 波长解调仪会错误的把某些旁瓣当作峰值。所以 f b g 除了要具有一个光滑的峰顶外，还要有光滑的两边。边模抑制比是决定f b g 传感性能 较重要的一个参数，它直接决定了信噪比。控制边模，提高边模抑制比需要f b g 的制造商 有较高的工艺水平。在f b g 反射率大于9 0 的情况下，边模抑制比应高于1 5 d b ，更理想的 要高于2 0 d b 。 8 振动温度光纤光栅传感特性研究 上述参数中，f b g 的中心波长如、带宽越、中心波长处的反射率尺m 似是f b g 的三 个最重要参数，对f b g 传感器的设计具有重要的意义。 2 2 光纤b r a g g 光栅温度特性研究 首先是f b g 温度传感模型分析的前提假设。外界温度改变同样也会引起f b g 的布拉 格波长移位。从物理本质看，引起波长移位的原因主要有3 个方面：光纤热膨胀效应、光 纤热光效应及光纤内部热应力引起的弹光效应。为了能得到f b g 温度传感器更详细的数 学模型，对研究的f b g 做以下假设。 ( 1 ) 仅研究光纤自身热效应，忽略外包层及被层物体由于热效应而引发的其他物理过 程。很显然，热效应与材料本身密切相关，不同的外包层( 如弹性塑料包层、金属包层等) 、 不同的被测物体经历同样的温度变化将对光栅产生极为不同的影响。 ( 2 ) 仅考虑光纤的线性膨胀区，忽略温度对热膨胀系数的影响。由于石英材料的软化 点在2 7 0 0 左右，所以在常温范围可以忽略温度对热膨胀系数的影响，认为热膨胀系数 在测量范围内始终保持常数。 ( 3 ) 在1 3 1 5 岬的波长范围，认为热光效应在研究的温度范围内保持一致，也即光 纤折射率温度系数保持为常数。 ( 4 ) 仅研究温度均匀分布情况，忽略f b g 不同位置之间的温差效应。因为一般f b g 的尺寸仅1 0 m m 左右，所以认为它处于一均匀温场，并不会引起较显著的误差，这样就 可以忽略由于光栅不同位置之间的温差而产生的热应力影响。 基于以上几点假设，可得出单纯光纤光栅的温度传感数学模型。 从光栅方程出发，当外界温度改变时，对方程( 2 3 ) 进行展开，可得温度变化丁导致 f b g 的相对波长移位为 魄= 2 謦凹+ ( + 誓跳+ 等凹 ( 2 1 1 ) 式中，= ( 1 恸) 户丁代表光纤光栅的热光系数；( a n w ) 印代表热膨胀引起的弹光效 应；加代表由于热膨胀导致光纤芯径变化而产生的波导效应，t t l a = ( 1 人) ( 叫a r ) 代 表光纤的线性热膨胀系数。这样可将式改写为如下形式： 急= 寺+ ( ) 印+ 鲁筹】帕 ( 2 1 2 ) 利用应力传感模型分析中得到的弹光效应及波导效应引起的波长移位灵敏度系数表 达式，并考虑温度引起的应变状态为 由此可得光纤温度灵敏度系数的完整表达式为 ( 2 1 3 ) 9 r r 丁以讼必 。l = 1j r 弗 留 7 西安理工大学硕士学位论文 岛= 箍2i 1 【一孚( p l l + p i 2 ) + 等+ ( 2 1 4 ) 式中，p 1 1 和p 1 2 是应光张量的分量，对于掺锗石英材料：p n = 0 1 2 1 ，p 1 2 = 0 2 7 0 。表示 波导效应引起的布拉格波长的移位系数。可以明显看出，当材料确定后，光纤光栅对温度 的灵敏度系数基本上为一与材料系数相关的常数，对于掺锗石英光纤，当不考虑外界因素 的影响时，其温度灵敏度基本上取决于材料的折射率温度系数，而弹光效应及波导效应将 不对光纤光栅的波长移位造成显著影响。则光纤的温度灵敏度系数可表示为 品= 鲁= + ( 2 1 5 ) 1 名。丁 “ 、 其热光系数a 厅：o 8 6 x 1 0 。c ，线性热膨胀系数a a = 5 5 x 1 0 - 7 。c ， s t = 9 1 5 x 1 0 - 6 ，所以可以得出f b g 波长温度关系为“7 1 警：s r a t 所以光纤温度灵敏度系数 ( 2 1 6 ) 2 3 光纤b r a g g 光栅的应变传感特性 在所有引起光栅布拉格波长移位的外界因素中，最直接的是应力、应变参量。因为无 论是对光栅拉伸还是挤压，都将导致光栅周期a 的变化，并且光纤本身所具有的弹光效 应使得有效折射率玎也随着外界应力状态的变化而改变。因此采用光纤b r a g g 光栅可制 成光纤应力传感器，其中应力引起光栅b r a g g 波长的移位可由式( 2 1 7 ) 统一描述为 a 2 口= 2 以八+ 2 知。矿人( 2 1 7 ) 式中人为光纤本身在应力作用下的弹性形变；a n e f f 为光纤的弹光效应。 不同的外界应力状态将导致a 和a n e f f 的不同变化。一般情况下，由于光纤光栅属 于各向同性柱体结构，所以施加于其上的应力可在柱坐标系下分解为c r r 和和昵三个方 向，只有昵作用的情况称为轴向应力作用：只有西和即作用的情况称为横向应力作用； 三者同时存在为体应力作用。 首先是光纤光栅应变传感模型分析的前提假设外界应力的改变会引起f b g 布拉格波 长的移位。从物理本质看，引起波长移位的原因主要有3 个方面：光纤弹性形变、光纤弹 光效应及光纤内部应力引起的波导效应。为了能得到光纤光栅应变传感更详细的数学模 型，对所研究的光纤光栅做以下假设： ( 1 ) 作为传感元，光纤光栅的结构仅包含纤芯和包层两层，忽略所有外包层的影响。 从光纤光栅的制作工艺可知，要进行紫外曝光必须去除光纤外包层以免除它对紫外光的吸 收作用，所以直接获得的光纤光栅本身就处于裸纤状态；其次，对裸纤结构的分析能更直 接的反映光纤本身的传感特性，而不至于被其它因素所干扰。 ( 2 ) 由石英材料制成的光纤光栅在所研究的应力范围内为一理想弹性体，遵循胡克定 1 0 振动温度光纤光栅传感斗争洼研究 理，且内部不存在切应变。该假设与实际情况也非常接近，只要不接近光纤本身的断裂极 限，都可以认为该假设是成立的。 ( 3 ) 紫外光引起的光敏折射率变化在光纤横截面上均匀分布，且这种光致折变不影响 光纤本身各向同性的特性，也即光纤光栅区仍满足弹性常数多重简并的特点。 ( 4 ) 所有应力问题均为静应力，不考虑应力随时间的变化情况。 根据以上假设，可以建立均匀轴向应力作用下光纤光栅应变传感模型。 均匀轴向应力是指对f b g 进行纵向拉伸和压缩，f b g 只受到拉伸或压缩应变，此时各 向应力可表示为吁一p ( p 为外加压强) ，o - ，r - - - a o o = o ，且不存在切向应力，根据各向同性 介质中胡克定理的一般形式，各方向的应变为 褂 p u e p d e p e ( 2 1 8 ) 式中，e 和t ) 分别为石英光纤的弹性模量及p o i s s o n 比。现已求得在均匀轴向应力作用下 各方向的应变值，就可以此为基础进一步求f b g 的应力灵敏度系数。 将式( 2 1 7 ) 展开，得 2 b = 2 a ( 鲁缸+ 鲁a a ) + 2 坠o l 幽谚 ( 2 1 9 ) 式中越为光纤的纵向伸缩量；口由于纵向拉伸引起的光纤直径变化量；a ，l a l 为弹光 效应；a 疗o a 为波导效应。 已知相对介电抗渗张量励和介电常数勖有如下关系： = 二- = ( 2 2 0 ) 0 n h 式中，n 盯为某一方向上的光纤折射率。对于熔融石英光纤，由于其各向同性，可认为各 方向折射率相同，因此，仅研究光纤光栅反射模的有效折射率n e f f , 故将式( 2 2 0 ) 变形为 ( 岛) ：f 去 ：一与a n ( 2 2 1 ) l 刀i f ，j h e g 把x - - 戈( 2 2 1 ) 代入式( 2 1 9 ) ，且略去波导效应，其余项可变形为 吣2 人降剀砌以上等 仁2 2 ， 式中 s 口：竽 ( 2 2 3 ) s 口2 f u 为纵向伸缩应变。由于式( 2 2 0 ) 1 拘i 存在，可得僦口更为简洁的表达式。利用光纤的轴对称 西安j e _ r - 大学硕士学位论文 性，得均匀轴向应变引起波长移位的纵向应变灵敏度为 等十孚瞄1 2 - ( p h + p n ) v j 铲”p 加。嗵 亿2 4 ， 式中p 。为有效弹光常数，而& 为f b g 相对波长移位应变灵敏度系数： 见：年咕。：一( 几+ p 1 2 ) y 】 ( 2 2 5 ) ，：一。：一年p 1 2 一( p l 。+ 1 2 ) 川(226)s 1 p 1 p2 6 ) ，= 一。= 一笔一p 1 2 一( p l l + 1 2 ) l ，j ( 2 利用掺锗石英的参数：1 ) = o 1 7 ，n e e = 1 4 5 6 ，可得f b g 相对波长移位应变灵敏度系数 为常数，s , - - 0 7 8 4 。所以恒温条件下，f b g 的波长应变关系为 i a a 一, b ：0 7 8 。 ( 2 2 7 ) 式中为f b g 的纵向伸缩应变，且有 铲等= 竿 ( 2 2 8 ) s 。2t 2 百 瞄2 劲 由于波导效应对f b g i 拘纵向灵敏度影响较小，可以忽