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: using fibre resonant design principles and realize a fiber optic micro vibration sensor. Fiber optic micro vibration sensor to basically have two kinds of structure form: charged micro vibration sensor and uncharged micro vibration sensor to adapt to different environment of on-line detection.

Keywords: optical fiber sensor fiber resonance on-line detection

1.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50～100 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：

ωr=βr²EIρA=βrℓ2EIρπR2ℓ2=K r²EI/ρπR2（r=1,2,3…)

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式中βrℓ是方程cosβrℓ * Chβrℓ = - 1 的解, 令Kr = βrℓ, 前三阶的特征根为K1= 1.875, K2= 4.694, K3 = 7.855。ρ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50～100 倍, 从而能够精确测量微振动幅度。

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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—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lmm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(ωt+Ф)

A——电场E的振幅矢量；ω——光波的振动频率；φ——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。

CCD连接器电池光源

光纤

绝缘材料

图象采集卡计算机

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。

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5.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。

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。

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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。

7.结论

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