[发明专利]一种温度不敏感的阻尼可调谐高精度光纤光栅振动传感器

说明书

技术领域

本发明具体公开了一种温度不敏感的阻尼可调谐高精度光纤光栅振动传感器。

背景技术

在工程技术领域存在着大量的振动现象，振动测量在大型设备运行状况健康检测，故障预警中具有重要作用。目前常用的振动检测方法大多基于压电类振动传感器，其缺点是测量精度低，稳定性差，且易受电磁干扰的影响，大大影响了振动信号的测量与分析。与传统的电类传感器相比，光纤光栅传感器因具有采用波长编码，灵敏度高，抗电磁干扰，能够在恶劣的环境下工作、易于组网等特点而受到越来越多的重视。光纤光栅传感器本身也存在温度、应变交叉敏感度问题，在很大程度上影响了传感器的应用于普及。本专利设计一种双光栅结构的光纤振动传感器，通过两支光栅中心波长的差实现振动信号的测量，有效解决温度变化，光源波动，光电转换效率、信号衰减等因素对传感器性能的影响，在传感器中增加可调谐电磁阻尼结构保障传感器响应的精度与稳定性，以适应不同的测量环境与测量需求。在土建、煤炭、化工等特殊应用环境下具有重要的工程应用价值。

发明内容

为了解决现有技术存在的缺点，本发明采用的技术方案如下：

本发明采用的技术方案如下：

一种温度不敏感的阻尼可调谐高精度光纤光栅振动传感器，包括一个悬臂梁,所述的悬臂梁的端部连接一块永磁铁,在所述的永磁铁的上下分别放置直径和导线圈数相同的密封线圈；所述的悬臂梁的上表面和下表面分别对称的设有一个传感光栅，所述的传感光栅通过传输光纤引出。

所述的悬臂梁采用铍青铜制作，弹性模量E＝128GPa，固有频率计算可得f_n＝330Hz。

所述的悬臂梁的尺寸为长度L=90mm,高度h=1mm,宽度b=5mm。

所述的永磁铁的质量m=8g。

所述的传感光栅的中心波长为λ_B＝1548.63nm。

在距离悬臂梁固定端10mm处的上下端面的中线上各设一个小槽，所述的传感光栅采用环氧树脂胶将传感光栅粘贴在小槽内。

所述的传感光栅经过退火处理。

所述的光纤光栅振动传感器设置于一个壳体内，传输光纤从壳体内引出，在壳体上传输光纤引出的位置设有一个法兰。

所述的光纤光栅振动传感器的测试系统包括激振器、宽带光源、耦合器、解调装置和计算机显示装置，所述的激振器对传感器进行激振，所述的宽带光源通过耦合器与传感器的一条传输光纤耦合，另一条传输光纤从耦合器的出口处与解调装置相连，所述的解调装置与计算机相连。

本发明的有益效果是：

本发明采用被动式电磁阻尼结构调节传感器的响应特性。悬臂梁的端部采用一块永磁铁作为（振子）质量块m，在永磁铁的上下分别放置直径和导线圈数相同的密封线圈，当电磁铁在线圈内运动时，根据法拉第效应，先圈内会产生相反的电磁力抑制悬臂梁的振动，且悬臂梁的加速度越大，反向电磁力也越大，使悬臂梁尽快达到稳定状态。本结构中阻尼产生是被动的，并且阻尼的大小可通过线圈的匝数进行控制，因而非常适合在振动传感器中使用。

另外，本发明将光栅分别粘贴在等强度悬臂梁中轴线的上下两侧，振动引起悬臂梁发生拉伸/压缩变化，导致两支传感光栅的中心波长发生反方向漂移，通过解调两传感光栅中心波长差的变化，实现振动加速度的测量，采用双光栅结构能够有效提升信号测量精度，且消除了温度变化对测量结果的影响，使传感器具有温度不敏感性；由于本传感器通过双光栅中心波长差的变化实现对振动信号的测量，因而传感器的测量结果不受光源波动，光电转换效率等因素的影响，保持传感性能稳定，为适应不同测量情况的需求，传感器采用电磁阻尼结构，稳定性好且易于实现，可根据不同测量要求，调节传感器的阻尼，灵活实现振动与共振的准确测量。本发明所设计的光纤振动传感器在化工、石油、煤炭等高温、高压、强腐蚀特殊环境下具有良好的使用前景。

附图说明

图1：双光栅传感器原理示意图；

图2：传感器工作原理图；

图3：本发明的结构图；

图4：传感器性能测试系统；

图5：传感光栅受拉应变下的中心波长漂移；

图6：传感光栅受压应变下的中心波长漂移；

图7：两传感光栅中心波长差与应变关系；

图8：压电传感器30Hz时响应

图9：压电传感器90Hz时响应；

图10：光纤传感器30Hz时响应；

图11：光纤传感器90Hz时响应；

图12：光纤与压电传感器幅值响应趋势图；