[发明专利]基于双折射光纤环镜的振动动态监测系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于双折射光纤环镜的振动动态监测系统及方法。具体地说，是采用双折射光纤环镜传感器对物体振动信号进行动态监测的系统及方法。

背景技术

振动是实际生产和生活中经常遇到的问题，振动在工程实际中无处不在。效益巨大、造价昂贵的大型系统，如航天飞机、海上平台、桥梁、建筑物等经常运行在高温、高压、大负荷等恶劣条件下，它们的破坏对国民经济和人民生命财产安全造成严重后果。据统计，故障中有百分之六十以上是来自环境因素，而在环境因素中，振动引起的故障几乎占百分之三十。

因此，对结构进行振动监测是保证结构安全，消灭隐患的重要措施之一。

目前，应用于振动信号监测的传感器有电阻式、电感式、电容式、磁电式、压电式、压阻式和光纤式等传感器，在一些电磁干扰严重的场合，比如电磁炮、雷达天线和车载天线等，普通的电式传感器由于电磁干扰严重，几乎无法正常工作。与其它传感器相比，光纤传感器以质量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀性、电气绝缘、集传感与传输于一体等突出优点，在结构振动监测领域得到广泛应用，但现有的光纤振动测试系统，灵敏度较低。双折射光纤环镜传感器具有灵敏度高、制作简单、成本低等优势，在应变、温度、位移、弯曲等传感测量领域得到广泛的应用。双折射光纤环镜传感器的原理是：双折射光纤受外界物理量作用后，长度和双折射率均发生变化，从而导致双折射光纤环镜光程差改变，导致干涉光谱的变化。通过干涉光谱的变化，来实现外界物理量的测量。

由于激烈的振动过程中，可能使光纤环镜中的任一光纤发生不规则移动，导致光纤环镜光程差改变，干扰真实物理量的测量，因此，具有灵敏度高的双折射光纤环镜传感器主要还是应用于相对静态的物理量测量，很少将双折射光纤环镜传感器应用于激烈的振动测量。

由于双折射光纤是通过材料热膨胀系数的差异产生不对称应力来形成双折射，温度对双折射影响较大，因此双折射光纤环镜存在严重的传感量和温度交叉敏感的问题。传感器本身不能分辨被测物理量与其它物理量引起的的变化，从而使传感精度大大降低，甚至失效。虽然有学者提出了很多传感量与温度区分测量的方案，但这些方案在改善双折射光纤环镜传感量和温度交叉敏感的同时也增加了系统的复杂性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双折射光纤环镜的振动动态监测方法，该方法不仅能满足振动信号的动态监测，还具有灵敏度高的特点，且能够解决双折射光纤环镜的振动传感量和温度交叉敏感的问题。

本发明的基于双折射光纤环镜的振动动态监测方法，包括下述步骤：

a、制作双折射光纤环镜：采用光纤耦合器、双折射光纤、光纤偏振控制器构建双折射光纤环镜；其中，双折射光纤的一端与光纤耦合器的一个输出臂相连接，双折射光纤的另一端与光纤偏振控制器的一端相连接，光纤偏振控制器的另一端与光纤耦合器的另一个输出臂相连接；

b、将双折射光纤粘贴在被测物体上，将双折射光纤环镜固定在被测物体上；

c、采用双折射光纤环镜、光源、光电转换器、信号放大器、数据采集卡及计算机构建振动信号的动态监测系统，其中，光源与光纤耦合器的输入端口相连接，光电转换器的输入端与光纤耦合器的干涉光谱输出端口相连接，光电转换器的输出经信号放大器与数据采卡相连，数据采卡采集的数据输入计算机；

d、振动监测：被测物体处于振动状态时，通过计算机采集双折射光纤环镜电压随时间变化的数据，将获取的数据中的直流分量去除，然后进行快速傅里叶变换，便可得到被测物体振动频率和振动幅值。

上述的振动动态监测方法，在步骤d前有步骤d⁰：对被测物体施加应变，获取应变值与对应电压的数据，并对该数据进行数据拟合，从而标定该系统应变与电压的关系；在步骤d后有步骤d¹：通过振动幅值，根据步骤d⁰的数据拟合，计算出被测物体的应变大小。

上述的振动动态监测方法，如果需要针对另一被测物体进行振动的测量时，首先判断该另一被测物体与所述被测物体是否属于同一被测物体，如果是，则直接操作步骤d；如果不是，则重复步骤b至步骤d。

上述的振动动态监测方法，光纤耦合器为3dB光纤耦合器。

上述的振动动态监测方法，光源为中心波长为1550nm的激光光源；激光光源经光隔离器与光纤耦合器的光源输入端口相连接。由于激光光源是窄带光源，光功率主要集中于中心波长1550nm波段，光纤环镜在1550nm波长附近处，光强随应变而强烈变化，所以本系统灵敏度较高。

本发明同时提供了一种基于双折射光纤环镜的振动动态监测系统。