[发明专利]一种光纤振动传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤振动传感器，具体涉及具有阻尼装置的光纤光栅振动传感器，可用于地震波检测、环境振动测量、设备振动测量等技术领域。

背景技术

振动测量早已经是现代工业生产、科学研究过程中非常重要的领域。传统的振动传感器一般是采用电学量传感器如压电或电磁式，而后经过电缆将信号传输至终端进行信号的处理。由于电子元器件对于恶劣环境的适应性差(温度每升高10℃就会使电子仪表的故障率成倍增加)、微弱的电信号容易收到电磁干扰(电磁测量的先天不足)、特殊测量地点的安全要求(电信号容易对易燃易爆场所造成安全威胁)以及远距离传输使得信号大幅损耗等要求一种新的测量方式来替代传统的电测试。

光纤传感技术是现代通信的产物，是随着光纤及通信技术的发展而逐步发展起来的一门崭新技术。光在传输过程中，光纤易受到外界环境的影响，如温度、压力等，从而导致传输光的强度、相位、频率、偏振态等光波量发生变化，从而通过监测这些量的变化可以获得相应的物理量。光纤传感器具有下列特点：不受潮湿环境影响，能避免电磁场的干扰，电绝缘性好；耐久性好，具有抵抗包括高温在内的恶劣环境及化学侵蚀的能力；质量轻，体积小，对结构影响小，易于布置；信号、数据可多路传输，单位长度上信号衰减小等优点，可以完全胜任在恶劣环境正常工作的任务。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在光纤纤芯内形成空间相位光栅。当多波长信号入射进入光纤时，满足光栅反射条件的某个波长信号(称为Bragg波长)，会被耦合成反向波并沿原光纤线路反向传输。光纤光栅传感的基本原理是：温度、应变和应力等物理量的变化会引起光纤光栅的栅距和有效折射率的变化，从而使光纤光栅反射的Bragg波长发生漂移，通过检测光纤光栅Bragg波长的变化就可以获得相应的温度、应变和应力的信息。光纤光栅传感器不仅拥有光纤传感器的优势，而且还拥有自身特殊的优点：测量动态范围只受光源谱宽的限制，不存在多值函数问题；检出量是波长信息，因此不受接头损失、传输损耗、弯曲损耗、光源功率起伏等因素的影响，对环境干扰不敏感，稳定性好；波长编码，可以方便实现被测量的绝对测量；输出线性范围宽，在10000微应变范围内波长移动与应变有良好的线性关系，频带宽，信噪比高；便于利用波分复用技术串联多个光纤光栅形成分布式传感网络，因此光纤光栅传感技术有着广阔的应用前景。

光纤光栅振动传感器中，以悬臂梁形式的居多，该类型的振动传感器结构简单、成本低廉、灵敏度高等诸多优点而受到欢迎。国内外关于此方面的文章如“一种布拉格光纤光栅加速度传感器，《激光杂志》2005年第26卷第1期”、“新型光纤光栅加速度传感器的设计与实现《仪器仪表学报》，2006年27卷第一期”以及“Unattended ground sensor based on fiberBragg grating technology Proceedings of SPIE Vol.5796”等等。

但是基于这种结构的传感器大多没有采取阻尼装置，于是在实用中特别是在高速动态信号作用下，传感器不能真实反映待测信号的实时特性。测振传感器在工作时，其动态响应为(《振动测试和分析》，人民铁道出版社，1979年，第83页)：

其中，u——

      w_B——强迫振动角频率，

      w₀——仪器自振角频率，

      D——

      C——阻尼力系数，

      C_c——临界阻尼力系数，

——初始相位角

x_m——振动的最大幅值。

方程中第一项和第二项是振动系统的自振项，包括了由初始条件及强迫项所引起的自由振动，由于是有阻尼的衰减振动，经过一定时间后即衰减到可忽略不计。第三项是强迫振动部分。但实际情况是，没有采取阻尼系统的悬臂梁系统的阻尼力(空气阻尼)很小，其自由振动项时间历程常达数秒，会混迭在后续的强迫振动中，严重影响传感器的性能。如文献(Temperature-Insensitive Fiber Bragg Grating Accelerometer，IEEEPHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，VOL.15，NO.10，OCTOBER2003)表明未添加阻尼装置的悬臂梁传感器在冲击信号作用下，在传感器信号作用结束2秒后悬臂梁还未停止下来，这极其不利于对后续连续信号的接收。

发明内容