（通信与信息系统专业论文）基于光纤光栅传感的翻车机健康监测与诊断系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 翻车机是一种非常专业化的散状物料卸料系统，它用于火车装载的散状物 料的翻卸，对其运行状态监测与故障诊断已成为热点课题。遵循“以先进的预知维 护取代以时间为基础的预防性维护”的现代维修理念，为了实现预知维护，使翻 车机能够长期安全稳定运转，研究其在线健康状况监测与评价系统势在必行。 健康监测评价技术涉及到测试技术、分析技术、信息技术及人工智能等领 域，是学科交叉的综合性系统工程，直接全面地反映了一个国家的翻车机制造 与管理维护水平。由于测试技术条件的局限性，以前主要采用电阻应变计、振 弦式传感器和电磁类测试技术，难以实现翻车机结构受力状况的长期可靠监测 和实时动态数据采集以及准确定位故障。 自1 9 8 9 年m o r e y 首次提到将光纤光栅用作传感以来，光纤光栅传感器受到 了世界范围内的广泛重视。光纤光栅传感器的出现，使大型结构在线健康监测 成为可能。 本文对光纤光栅传感技术的发展和现状进行了研究，运用光纤光栅应力传 感器、光纤光栅解调仪，结合翻车机相关专家知识，提出了基于光纤光栅传感 的翻车机在线监测的一种设计方法，分析了翻车机专家知识建立知识库和相关 推理机制，研究了翻车机健康状况的分析方法。本文研究要点包括： ( 1 ) 研究了光纤光栅传感的发展现状，结合翻车机监测的要求，研究了光 纤光栅传感、解调、传感网络原理。 ( 2 ) 研究翻车机及其结构件的金属特性，分析了翻车机金属结构件失效的 现象及其影响因素。 ( 3 ) 根据翻车机关键点不同，设计了翻车机光纤光栅传感器布点方案。 ( 4 ) 利用翻车机专家知识，建立了知识规则及推理流程，实现了异常监测 数据的推理分析，为翻车机维修提供决策支持。 关键词：翻车机，光纤光栅传感，在线监测 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o t a r yd u m pi sav e r ys p e c i a l i z e db u l km a t e r i a ld i s c h a r g es y s t e m ，w h i c hu s e d t ow a i nl o a d e dw i t ht h eb u l km a t e r i a lo v e rd i s p o s a lo fi t so p e r a t i o ns t a t u sm o n i t o r i n g a n df a u l td i a g n o s i sh a sb e c o m eah o tt o p i c f o l l o wt h e ”m v a n c e dp r e d i c t i v e m a i n t e n a n c et or e p l a c et h et i m e - b a s e dp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e ， r e p a i ro fm o d e m p h i l o s o p h y , i no r d e rt oa c h i e v ep r e d i c t i v em a i n t e n a n c et ob ea b l et oo v e r t u r nt h e l o n g t e r ms e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fm a c h i n eo p e r a t i o n ，s t u d yt h eh e a l t hs t a t u so fi t s o n l i n em o n i t o r i n ga n de v a l u a t i o ns y s t e mi si m p e r a t i v e h e a l t hm o n i t o r i n ga n de v a l u a t i o nt e c h n i q u e sr e l a t e dt ot e s t i n gt e c h n o l o g y , a n a l y s i st e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n d a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c ef i e l d sa r e i n t e r d i s c i p l i n a r yi n t e g r a t e ds y s t e m se n g i n e e r i n g ，d i r e c t l ya n d 觚l yr e f l e c t e dt h e r o t a r yd u m po fac o u n t r yt os a f e g u a r dt h el e v e lo fm a n u f a c t u r i n ga n dm a n a g e m e n t c o n d i t i o n sb e c a u s eo ft h el i m i t a t i o n so ft e s t i n gt e c h n o l o g y , m a i n l yu s i n gr e s i s t a n c e s t r a i ng a u g e s ，v i b r a t i n gw i r es e n s o r sa n de l e c t r o m a g n e t i ct y p eo ft e s t i n gt e c h n o l o g y , i ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v er o t a r yd u m pf o r c et h es t a t eo ft h es t r u c t u r eo fal o n g - t e r m r e l i a b l em o n i t o r i n ga n dr e a l t i m ed y n a m i cd a t aa c q u i s i t i o na n da c c u r a t ef a u l t l o c a t i o n m o r e yf i r s tt i m es i n c e19 8 9r e f e r r e dt ot h ef i b e rg r a t i n gu s e da sas e n s o r , t h e f i b e rg r a t i n gs e n s o rh a sb e e ne x t e n s i v ea t t e n t i o nw o r l d w i d e t h ee m e r g e n c eo ff i b e r g r a t i n gs e n s o r , s o t h a tl a r g e - s c a l es t r u c t u r eo fo n l i n eh e a l t hm o n i t o r i n gp o s s i b l e i nt h i sp a p e r , f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o rt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n dc u r r e n t s t a t u so fr e s e a r c h ，s t r e s st h eu s eo ff i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r s ，f i b e rb r a g gg r a t i n g d e m o d u l a t o rd e v i c e ，c o m b i n e d 谢t l lr e l e v a n te x p e r t sr o t a r yd u m pk n o w l e d g e ，b a s e d o nf i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o rr o t a r yd u m p l i n em o n i t o r i n go fad e s i g nm e t h o do f a n a l y s i so fe x p e r tk n o w l e d g er o t a r yd u m p s e tu pt h ek n o w l e d g eb a s ea n dr e a s o n i n g m e c h a n i s mr e l e v a n tt os t u d yt h eh e a l t hs t a t u so fr o t a r yd u m pa n a l y t i c a lm e t h o d s i n t h i sp a p e rt h em a i np o i n t si n c l u d e ： ( 1 ) s t u d i e st h ed e v e l o p m e n to ff i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n gt h es t a t u sq u o ， i i 武汉理工大学硕士学位论文 c o m b i n e d 、 ，i t l lm o n i t o r i n gr e q u i r e m e n t sr o t a r yd u m pt os t u d yt h e f i b e rg r a t i n g s e n s o r , d e m o d u l a t i o n ，t h ep r i n c i p l eo fs e n s o rn e t w o r k s ( 2 ) s t u d i e sr o t a r yd u m pa n ds t r u c t u r a lp r o p e r t i e so ft h em e t a l sa n a l y z e d r o t a r yd u m pm e t a ls t r u c t u r eo ft h ep h e n o m e n o no ff a i l u r ea n di t si n f l u e n c i n g f a c t o r s ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tk e yp o i n t sr o t a r yd u m p ，d e s i g n sf i b e rg r a t i n g s e n s o rp o i n t sp r o g r a m ( 4 ) u s e sr o t a r yd u m pk n o w l e d g e ，s e t su pk r l o w l e d g er u l e sa n dr e a s o n i n g p r o c e s s e s ，i m p l e m e n t so ft h ea b n o r m a lr e a s o n i n ga n a l y s i so fm o n i t o r i n gd a t af o rt h e r o t a r yd u m pm a c h i n em a i n t e n a n c ed e c i s i o ns u p p o r t k e yw o r d ：r o t a r yd u m p f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s i n gm o n i t o r i n gs y s t e m i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 签叫 ，i o 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 翻车机是一种高效率的大型机械化卸车设备，已广泛使用在冶金、发电、 化工及港口等大型企业的贮料场中。在作业过程中，由于所受载荷大，工况复 杂，工作环境恶劣，经常出现局部裂纹和开焊等一系列问题。通过对翻车机关 键控制截面的应力、变形等参数以及结构动力特性参数的测试，分析和评估结 构的安全可靠性，及时发现问题并适时地维修保养以保证翻车机的安全可靠和 长久耐用，成为世界各国争相研究的工程技术难题。这些问题的研究和解决， 能够确保翻车机的安全运营和长久耐用。 翻车机健康监测与诊断系统的研究，对管理部门和相关的研究单位而言， 具有如下重要意义： ( 1 ) 通过翻车机健康状况的实时监测和安全报警确保翻车机运行安全 采用监测技术，能够长期实时监测翻车机结构受力状况、位移变形等反映 翻车机健康状况的信息，翻车机维修人员通过这些实时监测信息能够及时掌握 翻车机的技术状况。对于涉及翻车机运行安全方面的结构参数，当其超出设定 阈值时系统能够及时预警报警，通过采取必要的管制措施能够保障翻车机安全 运行。 ( 2 ) 为翻车机管理部门科学维修翻车机提供必要的技术支持 研究表明，最安全牢固、经久耐用的翻车机是那些得到科学管理、及时维 修的翻车机。翻车机养护部门需要翻车机结构的关键信息以供维修决策，传统 的管理活动在很大程度上依赖于管理者和技术人员的经验，缺乏科学系统的方 法，往往对翻车机的状况缺乏全面的把握和了解，翻车机关键信息得不到及时 采集。如果对翻车机的潜在故障估计不足，就很可能失去维修的最佳时机，加 快翻车机损坏的进程，缩短翻车机的服务寿命。如果对翻车机的潜在故障估计 过高，便会造成不必要的资金浪费，使得翻车机的能力不能充分发挥。 翻车机健康监测与诊断系统的研究，能够为翻车机的维修决策提供及时信 息，以便及时地针对性科学维修保养。避免翻车机出现重大机损事故，造成重 武汉理工大学硕士学位论文 大经济损失。 ( 3 ) 为开展翻车机科学管理研究和积累翻车机管理经验提供平台 随着我国港口的快速发展，大型港口的翻车机应用越来越广泛，如何用好、 管好和养好这些翻车机是十分紧迫的课题。 本文的研究，将先进的光纤光栅传感技术、自动化技术、通信技术和数据 处理技术等最新成果应用于翻车机监测于诊断领域，能够适时监测反映翻车机 安全状况的关键参数，采集翻车机健康监测和其他港口大型机械工程研究所迫 切需要科学数据，为众多的港口大型机械技术研究相关单位提供了科学研究的 平台和管理经验。 1 2 相关研究领域及其发展现状 1 2 1 监测技术的研究现状 2 0 世纪5 0 年代以来，由于大型结构安全事故的不断发生和事故后果的严重 性，对大型结构进行健康监测具有极大的科研价值和现实意义，国内外的工程 专家学者很早就意识到这些重大意义，工程技术人员对大型结构监测展开了积 极的探索i l i 。大型结构健康监测技术涉及到测试技术、分析技术及信息技术等领 域，是学科交叉的综合性系统工程，直接全面地反映了一个国家的大型结构建 设与管理维护水平。由于测试技术条件的局限性，上世纪9 0 年代前主要采用电 阻应变计、振弦式传感器和电磁类测试技术，难以实现结构受力状况的长期可 靠监测；其他的结构位移变形和荷载状况实时监测的技术尚不能成熟应用【2 】。因 此，实际上难以实现真正意义的大型结构长期健康监测系统。 在国外，由于新型传感技术特别是光纤光栅传感器在这一领域的应用，实 现了监测系统的长期有效性，推动了大型结构健康监测技术的长足进步，真正 意义的大型结构健康监测系统于上世纪9 0 年代初得到了巨大发展。欧美等发达 国家将光纤光栅传感技术从军用转向民用，在桥梁健康监测领域取得了大量的 应用成果，以下是光纤光栅传感器在桥梁健康监测领域的国外主要应用实例【3 1 。 1 9 9 3 年，在加拿大c a l g a r y 建造的一座新型公路桥( b e d d i n g t o nt r a i l 桥) ， 其桥墩部分首先采用了碳纤维复合材料代替混凝土中的钢筋，同时在桥梁中布 置了b r a g g 光栅传感器，以监测使用碳纤维复合材料代替钢筋的效果及桥梁内部 的应变状态。在欧洲，s m a r t e c 公司将长标距的光纤应变传感器应用于多座大桥， 2 武汉理工大学硕士学位论文 长期监测这些桥梁的关键部位应变历程曲线，据此判断结构的安全耐久性，取 得了很好的应用成果。1 9 9 6 年，瑞士的s a m u e lv u r p i l l o t 等人对v e r s o i x 桥进行 了以光纤传感技术为主的实时监测，整个监测系统由传感器和信息处理器两个 部分组成，利用该系统已成功地对五座桥梁进行了实时监测。1 9 9 9 年夏，美国 新墨西哥l a sc r u c e s1 0 号洲际高速公路的一座钢结构桥梁上安装了1 2 0 个光纤 光栅温度传感器，创造了单座桥梁上使用该类传感器最多的记录。佛蒙特大学 的一个研究小组用光纤光栅传感器远距离监测沃特伯里佛蒙特钢结构大桥。进 入2 1 世纪后，美、日、加和欧洲等发达国家加快了光纤光栅在桥梁健康监测领 域的应用，并取得了大量研究成果。 需要特别指出的是，光纤光栅传感器基于光波长变化的数字测量原理，使 其比普通光纤传感技术更为优越，有着很好的应用前景。以前，英、美等国对 光纤光栅传感技术的应用仅限于军用，就是因为其稳定性好、精度极高和长期 可靠，因此对我国实行技术封锁。近几年才应用于民用土木工程结构的监测， 通过在桥梁上应用的许多工程实例，证明了光纤光栅传感技术对桥梁长期健康 监测的巨大推动作用【4 j 。 在我国，始于上世纪9 0 年代末的大型结构健康监测工作起步较晚，究其原 因主要是由于观念、资金、测试技术和监测手段的落后。随着我国改革开放的 不断深入，对外经济、文化、科学技术等方面交流的不断扩大，综合国力的不 断增强，交通基础设施和大型桥梁的建设得到了前所未有的关注，基本建设的 投入迅速增加。多次桥梁垮塌的事故给桥梁工程技术人员和管理部门敲响了警 钟，桥梁健康监测的意义和作用已逐步为桥梁建设者、设计人员和管理人员所 认识。同时测试技术和监测手段的全面提高和更新，桥梁监测的软、硬件条件 都发生了大的改变，使得我国的桥梁健康监测成为可能【5 l 。 但是，这些监测系统由于技术经济条件的制约，光纤光栅传感测试系统由 于需要国外进口而价格昂贵，仅仅在非常重要的关键局部使用很少的测点。实 际工程中仍然大量采用传统的电测手段，测试精度和长期稳定性达不到健康状 况评估的要求。 1 2 2 存在问题， 综上所述，国内外大型结构工程健康监测技术经过多年的发展，通过解决 很多关键技术难题取得了大量的研究成果 6 j 。如光纤光栅传感技术的逐步实用化 3 武汉理工大学硕士学位论文 解决了主要测试技术的长效性问题；结构分析和损伤识别等的研究进展为监测 数据的应用指明了方向；计算机网络系统技术为健康监测的网络化和远程化提 供了必要技术手段，等等。 但是，国内外在翻车机的健康监测系统建设方面，主要存在以下问题： ( 1 ) 技术条件的局限导致必要测试项目不全面 国外较早建立健康监测系统的翻车机，由于技术条件发展的局限，多数系 统的监测内容单一，翻车机健康监测相关的必要信息采集尚未实现。 在国内，由于光纤光栅解调仪的进口受到控制，造成了价格昂贵和服务受 限的局面。有些应用单位为了充分应用解调仪的资源，采取了光开关多路切换 的方式增加测点，使得监测数据的采样频率受到限制，无法实现高速信号采集。 这些条件限制了光纤光栅传感技术在我国的大规模使用，现有的工程应用仅局 限于小规模的单项重点部位的测试，尚未将其大规模地应用于翻车机健康监测 系统中，以实时地测试桥梁的应变、温度、振动和位移等参量。 ( 2 ) 缺乏对翻车机实施结构受力和变形长期监测的有效技术 尽管电阻应变计、振弦式传感器和电磁类测试技术在翻车机检测领域的应 用解决了结构受力检测的主要难题，但由于其寿命短，无法实现长期在线监测， 基于光纤光栅的翻车机长期在线监测系统，国内外无实用化的产品。 ( 3 ) 缺乏对监测数据的有效利用和工程实用化评估分析系统 尽管国内外在机械金属结构损伤识别和健康状况评估方面取得了大量的研 究成果，但是目前国内外尚无商业化的评估分析系统。面临这一问题，如何利 用健康监测系统长期连续监测的数据，为翻车机管理部门提供必要决策信息和 依据，成为每一台翻车机健康监测系统面临的共同问题。 综上所述，我们可以看出翻车机健康监测系统的实施具有相当的技术难度， 在世界范围都是具有挑战性的技术。但是，随着测试技术的发展和相关支撑技 术的发展，以及这些技术的工程化应用经验的积累，国内外健康监测系统发展 到现在，已经取得了长足的进步。同时，我们应该看到结构信息采集的实时监 测的重要性，对翻车机健康监测系统的应用具有至关重要的基础性作用，翻车 机结构长期连续变化信息的可靠采集是关键，目前的翻车机健康状况评估系统 缺乏的是长期监测数据。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文主要工作 本文综合国内外有关文献，对光纤光栅传感技术的发展和现状进行了研究， 运用光纤光栅应力传感器、光纤光栅解调仪，结合翻车机相关专家知识，提出 了基于光纤光栅传感的翻车机在线监测的一种设计方法，分析了翻车机专家知 识建立知识库和相关推理机制，研究了翻车机健康状况的分析方法。 1 4 本文结构安排 全文共有5 章：第1 章绪论，介绍了本论文课题的来源、研究的目的和意 义、相关研究领域的文献综述以及本文的主要工作；第2 章研究并阐述了光纤 光栅传感的相关理论；第3 章研究并阐述了翻车机金属结构特性的相关理论技 术；第4 章研究并提出了一个基于光纤光栅传感的翻车机在线监测与评价系统 的实现方案；第5 章归纳了本文的主要研究内容和所取得的成果，并展望了今 后的研究工作。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤布拉格光栅传感原理 1 9 7 8 年，加拿大的k o h i l l 及其同事在实验中观察到氖离子激光在光纤中 相向传输形成驻波时，在光纤中形成折射率周期分布的光栅【7 】。这种周期分布的 光栅也称作“h i l l 光栅”，在光纤中作为布拉格反射器使用。它可将满足布拉格条 件的前向传输光变作反向传输光，反射波长与光栅栅格常数和折射率有关。光 照除去后，光栅还存在，其反射率在长时间光照达到饱和时可达到1 0 0 ，带宽 却很窄。 1 9 8 9 年，美国的m e l m 等人发明了紫外侧写入技术，他们利用两束干涉的 紫外光从光纤的侧面写入了光栅【8 i 。这项技术不仅大大提高了光栅的写入效率， 而且可以通过改变两束相干光的夹角从而达到控制布拉格波长的目的。紫外侧 写入技术问世后世界各国对光纤光栅及其应用研究迅速开展起来，光纤光栅的 制作及光纤光敏化技术不断发展。 1 9 9 3 年，k o h i l l 等人提出了位相掩模写入技术，利用紫外激光经过位相 掩模衍射后的士1 级衍射光形成的干涉条纹对光纤曝光写入光纤光栅【9 j 。此技术的 提出极大地放宽了对写入光源相干性的要求，使得光纤光栅的制作更加容易， 并使得光纤光栅的批量生产成为可能。同年e j l e m m r e 等人提出了一种提高光 纤敏感性的简单有效方法低温高压载氢技术【i o l 。他们将光纤浸入2 0 7 5 0 个大气压、2 0 7 5 的氢气中使得氢分子充分扩散进入光纤纤芯内部。然后再 用紫外光写入光纤光栅，这样可以使光纤敏感性提高近两个数量级。载氢技术 极大地降低了光纤光栅的制作成本，人们可以不必使用价格昂贵的高浓度掺锗 光纤，在普通通信光纤上就可以很容易地写制出高反射率的光纤布拉格光栅。 随着光纤光栅写入技术的逐渐完善，世界各国掀起了光纤光栅技术研究的 热潮，各种基于光纤光栅的有源和无源器件也不断涌现，光纤光栅被广泛应用 于光纤通信、光纤传感和光信息处理等各个领域。 2 1 光纤光栅的结构 如图2 1 为光纤光栅的结构图【1 1 l ，它是通过改变光纤芯区折射率，产生小的 周期性调制而形成的。所谓调制，就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生 6 武汉理工大学硕士学位论文 大小起伏的变化。光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂( 通 常是掺锗) ，使芯层折射率n l 比包层折射率i 1 2 大，从而形成波导。光就可以在芯 层中传播。 图2 1 光纤光栅基本结构 当芯层折射率受到周期性调制后，即成为布拉格光栅。布拉格光栅会对入 射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配 的窄带光( 带宽通常约为o 1 - - - , 0 5 n m ) 。这样，光纤光栅就起到了光波选择反射 镜的作用。对于这类调谐波长反射现象的解释，首先是由威廉布拉格爵士给出 的，因而这种光纤光栅被称为光纤布拉格光栅( f b g ) ，反射条件就称为布拉格条 件。只有满足布拉格条件的光波才能被光纤光栅反射。所谓相位相匹配是指布 拉格波长决定于折射率调制的空间周期a 和调制的幅度大小，用数学公式表示 如下： 2 , b = 2 甩斫人 ( 2 1 ) 1 为光栅的布拉格波长，“盯为光栅的有效折射率( 折射率调制幅度大小的 平均效应) ，人为光栅条纹周期( 折射率调制的空间周期) 。 以上为折射率调制周期为均匀的情况，如果芯层折射率调制周期不均匀， 特别是调制周期沿光纤轴线线性变化，则反射光为宽带光，这种光纤光栅称之 为啁啾光纤光栅1 1 2 】。 对公式( 2 1 ) 取微分得： 厶= 2 n 酊a a + 2 a n 万a ( 2 - 2 ) 从式中可以看出，当n e f f 或人改变时，中心反射波长会相应的发生改变。光 纤光栅传感的基本原理是( 参见图2 - 2 ) - 当光栅周围的温度、应变、应力或其 它待测物理量发生变化时，将导致光栅周期人或纤芯折射率n e f f 的变化，从而使 光纤光栅的中心波长产生位移a l b ，通过检测光栅波长的位移情况，即可获得待 7 武汉理工大学硕士学位论文 测物理量的变化情况。 入射光谱 一 反射光谱 包层h - e e 光栅 纤芯 透射光谱 专 2 2 光纤光栅传感的基本原理 2 2 1 光纤光栅的温度特性 当温度发生变化( a t ) 时，一方面由于热膨胀效应使光纤光栅伸长而改变 其光栅周期，可以表示成【1 3 1 ： a a ：a a t a a 7 ( 2 3 ) = ( 2 3 ) 式中口为材料的膨胀系数。对于掺锗石英光纤，口取值5 5 x 1 0 7 一。另一方 面由于热光效应使光栅区域的折射率发生变化，可以表示成： 一a n a r ：一上堕坐t ( 2 - 4 )一= = 一一= 一一，、 锄锄d y 刀 式中v 为光纤的归一化频率。温度变化引起的光纤光栅波长漂移主要取决 于热光效应，它占热漂移的9 5 左右，可以表示成： 孝= 一石1 堕一d v ( 2 - d v d t 5 ) 7 刀巧 善称之为热光系数。硅纤中善= 6 6 7 x 1 0 石。所以温度对光纤光栅波长漂移 总的影响为： 8 武汉理工大学硕士学位论文 口 a - a n ：( 口+ 孝) 丁 九 2 2 2 光纤光栅轴向应力特性 当外界轴向应力作用于光纤光栅上时， 而改变其光栅常数，可以表示为【l 禾1 5 】： a a 2 t ( 2 6 ) 一方面使光纤光栅被机械性的拉长 ( 2 - 7 ) 其中为考察点处轴向应变，同时弹光效应使得光纤光栅折射率发生变化： ：塑坠型2 q ( 2 8 ) 对式( 2 8 ) 两端同时除以咒可得： a 。n e f f ：立堕掣止业占，2 捍谚 其中 ( j = 1 ，2 ) 为p o c k e l 系数，y 是p o i s s o n 比，定义有效弹光系数凡： n ：堑：堕二堂! 型 2 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 硅纤中n = o 2 2 ( 光纤光栅的光学参数参见附录一) 所以式( 2 1 0 ) 可以表示为： a n e f f ：一q ( 2 1 1 ) 刀 这两种作用的总贡献为： 华：( 1 一) q 如 对于石英光纤，可取n = o 2 2 ，则有： 孥：o 7 8 q ( 2 1 2 ) 由魄可很方便地求出外界轴向应变q 。实际应用中，6 x 是很小的量，可 以引入应变量的1 1 0 6 即邮，作为应变量的度量单位。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 光纤光栅横向应力特性 当横向应力变化( p ) 时，光纤光栅的反射波长也会发生变化，可表示成： 丝：一一0 a + 三刍廿 ( 2 1 4 ) 旯r 。人a p刀a p 。 又因为 口a a ：一( 1 - 2 v ) a a pe 口墨：堡( 1 功) ( 2 e 2 + e 1 1 ) 2 e 玎西a p 、“ “ ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 把式( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 代入式( 2 1 4 ) 得： 等十半喀( 1 - 2 v ) ( 2 即驯廿 协 当光纤光栅受温度、轴向应力和横向应力这三个物理量同时作用时，总漂 移量可表示为： 竽：( 1 一乞) q + + f ) 丁+ 【一毕+ 等( 1 2 坝2 e 2 + 剐】凹 ( 2 - 1 8 ) b e三也 1 5 5 p m 时应变和温度引起光纤光栅反射波长漂移的典型值分别为 1 1 5 p m 衅和大约1 3p m 0 c ，而横向压力引起的波长漂移典型值为3 1 3p m m p a 。 可见光纤光栅传感器对横向压力不太敏感，除非用来测高压或者波长分辨率极 高的装置，或者借助某种装置将横向压力转化为对光纤光栅作用的应力。 2 3 光纤光栅解调技术 解调技术是光纤布拉格光栅传感的关键技术之一，所谓解调技术即是对波 长漂移进行精确测量的技术。对b r a g g 波长解调的传统手段是使用光谱仪、单色 仪等仪器。但是这类仪器不仅价格昂贵而且体积庞大，构成的系统缺乏必要的 紧凑性和牢固度，在一个面向实际应用的传感系统中采用这类仪器检测光纤光 栅的波长位移是极不现实的。为了开发结构简单而且实用的高分辨率光纤光栅 传感器信号解调系统，近年来国内外开展了许多研究工作，并取得了令人注目 的进展。新型的波长编码解调技术得到了较大的发展，已有多种新型的解调系 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 统出现在工程应用中。 光纤光栅解调常用的方法有：非平衡m a t h z e h n d e r 干涉检测、可调光纤 f a b r y - p e r o t 滤波器和匹配光纤布拉格光栅滤波解调。 2 3 1 非平衡m a t h z e h n d e r ( m z ) 干涉检测 这种方法是在1 9 9 2 年，由a d k e r s e y 等人提出。当一定中心波长的光波通 过非平衡光纤干涉仪时，将产生与波长成反比的相位差，借此可测量相应的光 波长。图2 3 所示为非平衡m z 光纤干涉仪示意刚1 6 j 。 宽带光源经耦合器入射到光纤光栅传感器，可设计为测量不同物理量的传 感元件。光纤布拉格光栅反射光经两个耦合器进入不等臂长的m a t h z e h n d e r 干 涉仪，两臂光程差为n d 。此时，可认为光纤布拉格光栅反射光为干涉仪的光源， 由干涉仪原理可知，当输入光波长变化九时，其输出相位变化为： 则) = 2 万耐等 ( 2 1 9 ) 通过检测九的值可知应变的大小。考虑到直流分量产生的漂移对测量的结 果影响相对较大，所以在干涉仪中引入了相移补偿反馈系统，驱动p z t 膨胀， 从而使缠绕于其上的光纤伸长，抵消直流零漂。 3 d b 传f i k 感； 图2 3 非平衡m z 干涉检测 l 广一光源；d 光探测器；a 差放 非平衡m z 干涉仪法仅适合于相对测量，而不能用于绝对测量。由于非平 衡m z 干涉仪受环境干扰大，如果不采取特殊措施，只能用于频率高于1 0 0 h z 的动态测量。为了抵消噪声造成的低频相位偏移，可在干涉仪的一臂中加入p z t 调制器。这种解调方式的局限性是m a e h z e h n d e r 光纤干涉仪在测量中受到周围 环境干扰因素的影响，而随机干扰因素会引起干涉仪的信号臂和参考臂相位产 武汉理工大学硕士学位论文 生随机波动，这种相位漂移将会引起检测信号的消隐或是畸变，直接影响到干 涉仪的测量精度。 该方法的优点：能够提供宽带宽、高解析度的解调能力。缺点：不适用于 对绝对应变的测量。 2 3 2 可调谐光纤f a b r y p e r o t ( f p ) 滤波法 可调光纤f a b r y p e r o t 滤波器解调系统如图2 _ 4 所示1 1 7 】。可见光源经隔离器 进入传感器阵列，反射光信号经3 db 耦合器耦合到可调谐f a b r y p e r o t 滤波器， 当锯齿波驱动f a b r y p e r o t 滤波器使其透射波峰与光纤布拉格光栅反射峰重合 时，即可由此时的f a b r y p e r o t 滤波器驱动电压透射波长关系测得光纤布拉格光 栅反射峰位置。但由于透射谱是反射谱与f a b r y - p e r o t 滤波器透射谱的卷积，会 使带宽增加，分辨率减小。为此， 抖动信号 混台器 图2 - 4 可调光纤f a b r y p e r o t 滤波器 在扫描电压上加一小的抖动电压，输出经混频和低通滤波器，测量抖动频 率，在信号为零时，所测即为光栅的反射峰值波长，此时可抖动提高系统的分 辨率。在四个光栅组成的阵列探测中，可得3 i t s t r a i n 的应变分辨率。在只有一个 光栅时，其最小分辨率小于0 3 p , s t r a i n 。 该方法的优点：信噪比和分辨率都很高。缺点：它的稳定性和可调谐的范 围尚不够理想，在一定程度上限制了光栅的个数和使用范围，并且解调频率不 够高，目前美国m i c r oo p t i c s 公司研制的最高工作频率在1 0 0 h z 左右。 2 3 3 匹配光纤布拉格光栅滤波解调 匹配光纤布拉格光栅滤波法如图2 5 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 匹配液 图2 5 匹配光栅解调示意图 其基本思想为使用两对相同的光纤布拉格光栅，每对光栅其一作为传感元 件，另一作为解调应用，解调光纤布拉格光栅在压电陶瓷p z t 的作用下，其反 射波长将在一定范围内来回移动，光谱移动范围涵盖了传感光栅的反射谱，当 二光纤布拉格光栅波峰重合时，光信号强烈反射，通过p z t 的电压波长调谐关 系即可测得作用于传感光栅的物理量。 该方法的分辨率取决于所使用的光纤布拉格光栅带宽，对于一对带宽为 0 2 n m 的光栅，分辨率为4 1 2 i - t s t r a i n ，而对于带宽0 0 5 n m 的光栅，分辨率为 1 p s t r a i n 。该系统结构简单，造价低廉，不足之处为：由于信号光经过许多耦合 器到达解调光栅，最终导致系统信噪比下降，而且响应频率也不够高。 2 4 光纤b r a g g 光栅传感系统和传感网络基本构成 为了深入的研究光纤光栅的传感机理和传感特性，需要从它的结构出发， 建立传感模型。 2 4 1 应变传感模型 在所有引起光栅布拉格波长漂移的外界因素中，最直接的为应变参量，因 为无论是对光栅进行拉伸还是压缩，都势必导致光栅周期人的变化，并且光纤本 身所具有弹光效应使得有效折射率n e f f 也随外界应力状态的变化而变化，这为 采用光纤布拉格光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理特性。 一般情况下，对于光纤光栅来讲，由于它本身属于各向同性柱体结构，所 以施加于其上的应力总可以在柱坐标系下分解为o t 、0 0 和a z 三个方向。在这里 仅讨论纯轴向应力作用的应变传感模型。 ( 1 ) 各向同性介质中虎克定理的般形式 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 虎克定理的一般形式可由下式表示： 6 i = c i j j( i , j = l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) ( 2 - 2 0 ) 其中o i 为应力张量，c i j 为弹性模量，j 为应变张量。对于各向同性介质， 由于材料的对称性，可对c i j 进行简化，并引入l a m e 常数九、p 得到： 力+ 2 z 允 a 0 o o 五 a + 2 9 五 o o o 允 允 名+ 2 9 0 0 0 o o0 oo0 0 00 0 0 00 0 0 ( 2 2 1 ) 其中l a m e 常数九，p 可由材料弹性模量e 及泊松比u 表示为： d e 1 肛丽 ( 2 - 2 2 ) 2 夏而ej “= l 2 ( 1 + )j 此式即为均匀介质中虎克定理的一般形式。对于光纤来说，由于它为柱型 结构，通常采用柱坐标下应力应变的表示方式，即将上式中的下标改为( r ，巾， z ) 的组合来表示纵向、横向及剪切应变。 ( 2 ) 均匀轴向应力作用下光纤光栅传感模型 均匀轴向应力是指对光纤光栅进行纵向拉伸或压缩，此时各向应力可表示 为d z z ：p ( p 为外加压强) ，6 n = 6 0 0 = 0 ，且不存在切向应力。根据公式( 2 2 1 ) 可求得各方向应变如公式( 2 2 3 ) 。式中e 及d 分别为石英光纤的弹性模量及泊 松比。现已求得了均匀轴向应力作用下各方向的应变值，下面以此为基础进一 步求解光纤光栅的应力灵敏度系数。 绯 l j 将公式( 2 2 ) 展开得： p d e p d e p e 1 4 ( 2 2 3 ) 所以彩础彩绑 1 2 3 4 5 6 盯 仃 盯 仃仃 盯 武汉理工大学硕士学位论文 = 2 人( 鲁址+ 誓血 + 2 瓮址拧咿 c 2 出， 这里l 代表光纤的纵向伸缩量，a a 表示由于纵向拉伸引起的光纤直径变 化，d 抽e f f a l 表示弹光效应，& l e f t & 表示波导效应。下面首先推算由弹光效应 引起的布拉格中心波长偏移。 相对介电抗渗张量p i j 与介电常数两有如下关系： 岛5 名扩2 屈 q - 2 5 其中n i j 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，在此仅研究光纤光栅反射模的有效折射率n e f f ，故可 将上式变形为： 鼢时一等 亿2 6 ) 由于血够2 ( 锄万让灶，( 2 2 4 ) 式中略去波导效应其余项可变形为： k 2 毋= 2 a 降例砌露山釜 亿2 7 ， 其中z z = l l 为纵向应变。由于( 2 2 5 ) 式的存在，可以得到更为简单的m 兄 的表达式。实际上，在有外界应力存在的情况下相对介电抗渗张量1 3 i j 应为应力。 的函数，对d i j 进行泰勒展开并略去高阶项，利用( 2 - 2 5 ) 式，同时引入材料的 弹光系数蹦得到： ，、 l 剖如们z 沁厅峭z ( 2 - 2 8 ) 式中利用了光纤的轴对称性萨e 0 ，将此式代入( 2 - 2 7 ) 式得到弹光效应导 致的相对波长漂移为： 等一譬阶址朋2 屯妊， 沼2 9 ， a r 二 n 入1 式中利用了均匀光纤在均匀拉伸下满足的条件：百瓦一1 。将( 2 2 3 ) 式 代入上式得到： 等- - 譬蚧咖喝】1 卜降忙一 ( 2 - 3 。) 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 令：一车配。+ 丑：弘一p i ：】，忍为有效弹光系数。可得光纤光栅由弹光效 应引起的纵向应变灵敏度系数： 訾， 疋= 5 2 1 一e ( 2 - 3 1 ) 还可得b r a g g 光栅的二阶应变灵敏度为： 粤 k 广乞厶_ ( 1 一只) 2 + 2 e , 2 ( 2 3 2 ) 于是由应变s z 引起的b r a g g 波长变化可写为： 丸= ( k 。g + 去髟9 2 ) 。砧 ( 2 3 3 ) 对掺锗石英光纤，p l l = o 1 2 1 ，p 1 2 = 0 2 7 0 ，y = 0 1 7 ，n e f f = 1 4 5 6 ，因此 o 2 2 ，缸如7 8 4 。如果采用1 3 肛m 系列光栅，由公式( 2 3 1 ) 可以得到每个 微应变引起的波长漂移为0 7 8 4 x 1 0 6 x 1 3 x 1 0 6 = 1 0 2 p m ，a e 2 = 0 7 0 。含有光栅的 光纤所允许施加张力的典型值达到1 的应变，此时忽略光栅的二阶灵敏度所引 起的误差不超过o 5 ，因此光纤光栅b r a g g 波长与所受的应变有较好的线性关 系，实际应用中可以不考虑二阶应变灵敏度的影响。 下面讨论由于光纤芯径变化引起的波导效应而产生的布拉格波长漂移现 象。对于单模光纤，其传播常数p s 与光纤芯径密切相关，从而使得有效折射率 n e 仃也随纤芯的改变而改变。引入光纤归一化频率y = k o 口2 巧三一刀刍) 以及横 向传播常数u = 口七。2 作2 一几2 ，可将有效折射率n e 行表示为： 刀= 刀乙一( v v ) 2 坛一2 ) ( 2 3 4 ) 其中u