高精度光纤光栅振动解调系统研究与应用_魏鹤鸣.pdf

国外电子测量技术北大中文核心期刊D O I:1 0.1 9 6 5 2/j.c n k i.f e m t.2 2 0 4 3 5 8高精度光纤光栅振动解调系统研究与应用*魏鹤鸣 车嘉炜 侯林嵩 刘云启 庞拂飞 王廷云(上海大学特种光纤与光接入网重点实验室 上海 2 0 1 9 0 0)摘 要:为实现工程系统中对振动信号的检测,提出了一种基于衍射光栅的光纤布拉格光栅(F B G)振动解调系统。解调系统通过色散成像原理获取传感器反射光谱,由所设计的嵌入式单元进行信号处理,并通过专用的上位机解调软件完成数据处理与分析。将系统封装为解调仪器,能实际应用于振动信号的探测。所设计的系统波长解调范围为1 5 2 51 5 7 0 n m,波长重复性可达1 p m,分辨率为0.5 p m,可实现8通道复用测量,最高光谱解调速度可达1 0 k H z。实验结果表明,该F B G振动解调系统能够高精度测量不同频率与幅度的振动信号,最小可探测应变约为0.3 1 9/H z1/2,在结构安全监测等领域具有重要的应用前景。关键词:光纤布拉格光栅;振动传感;光谱检测法;光纤传感中图分类号:TH 7 4 1文献标识码:A国家标准学科分类代码:5 1 0.2R e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f h i g h-r e s o l u t i o n f i b e r B r a g g g r a t i n g v i b r a t i o n d e m o d u l a t i o n s y s t e mW e i H e m i n g C h e J i a w e i H o u L i n s o n g L i u Y u n q i P a n g F u f e i W a n g T i n g y u n(K e y L a b o r a t o r y o f S p e c i a l O p t i c a l F i b e r a n d O p t i c a l A c c e s s N e t w o r k,S h a n g h a i U n i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 1 9 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T o r e a l i z e t h e d e t e c t i o n o f v i b r a t i o n s i g n a l s i n e n g i n e e r i n g s y s t e m s,a f i b e r B r a g g g r a t i n g(F B G)v i b r a t i o n d e m o d u l a t i o n s y s t e m b a s e d o n d i f f r a c t i o n g r a t i n g i s p r o p o s e d.T h e d e m o d u l a t i o n s y s t e m a c q u i r e s t h e s e n s o r r e f l e c t i o n s p e c t r u m t h r o u g h t h e d i s p e r s i o n i m a g i n g p r i n c i p l e,a n d t h e s i g n a l p r o c e s s i n g i s c a r r i e d o u t b y t h e d e s i g n e d e m b e d d e d u n i t,w h i l e t h e d a t a p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s a r e c o m p l e t e d b y t h e s p e c i a l u p p e r c o m p u t e r d e m o d u l a t i o n s o f t w a r e.T h e s y s t e m i s p a c k a g e d a s a d e m o d u l a t i o n i n s t r u m e n t,w h i c h c a n b e p r a c t i c a l l y a p p l i e d t o t h e d e t e c t i o n o f v i b r a t i o n s i g n a l.T h e d e s i g n e d s e n s i n g s y s t e m h a s a w a v e l e n g t h d e m o d u l a t i o n r a n g e f r o m 1 5 2 5 t o 1 5 7 0 n m,a w a v e l e n g t h r e p e a t a b i l i t y o f 1 p m,a r e s o l u t i o n o f 0.5 p m,8-c h a n n e l m u l t i p l e x i n g w i t h a m a x i m u m s p e c t r a l d e m o d u l a t i o n s p e e d o f 1 0 k H z.T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d F B G v i b r a t i o n s e n s i n g s y s t e m c a n b e u s e d f o r h i g h-a c c u r a c y m e a s u r e m e n t s o f v i b r a t i o n s i g n a l s o f d i f f e r e n t f r e q u e n c i e s a n d a m p l i t u d e s w i t h a m i n i m u m d e t e c t a b l e s t r a i n o f a b o u t 0.3 1 9/H z1/2,w h i c h h a s p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s i n t h e f i e l d o f s t r u c t u r a l h e a l t h m o n i t o r i n g.K e y w o r d s:f i b e r B r a g g g r a t i n g;v i b r a t i o n s e n s i n g;s p e c t r o s c o p i c m e t h o d;o p t i c a l f i b e r s e n s i n g 收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 2*基金项目:国家自然科学基金(6 2 0 0 5 1 5 3)、上海市自然科学基金(2 0 Z R 1 4 2 0 3 0 0)项目资助0 引 言振动测量技术通常用于工程系统的故障预警和诊断,对于监测并保持现代工程系统的健康状态至关重要1-4。对于性能良好的机械构件而言,其振动信号平稳,固有振动频率主要集中在01 0 k H z5。若设备在服役过程中发生故障,其固有振动信号将会发生改变,因此,有必要对其振动信号进行检测并实现对故障的诊断,以避免事故的发生。目前,对这类振动信号检测的传感技术主要有电学类振动传感器和光纤振动传感器。相比较而言,光纤传感器体积小、重量轻、抗电磁干扰,具有灵敏度高、稳定性好、耐腐蚀、易于嵌入到被测结构中等优点,能够实现被测结构的全寿命测量6-8。目前基于光纤的振动传感技术主要有干涉型振动传感器、强度型振动传感器以及光纤光栅型(F B G)振动传感器9。光纤干涉型振动传感器主要基于相位解调,具有高28北大中文核心期刊国外电子测量技术 分辨率和精 度,但难 以 实 现 传感 器 复 用 且系 统 相 对复杂1 0。光纤强度型振动传感器具有结构简单、成本低、带宽大等优点,但测量结果易受光纤弯曲和功率波动等因素的影响1 1。相比较而言,光纤光栅型振动传感器是一种基于波长解调的传感器件,具有波长复用能力,能够实现分布式/准分布式测量,对光强波动和光纤弯曲损耗等不敏感,能响应高频动态应变,在光纤振动传感领域具有广泛的应用1 2-1 5。目前,F B G振动传感器的解调技术主要分为扫描法、干涉法和光谱法1 6-1 8。基于可调谐激光器法1 9-2 0、法布里-珀罗滤波 器 法2 1和 声 光可 调 滤 波器法1 6的扫描方法,受到低采样率的限制,且难以实现多路复用。干涉解调法精度高,国内外基于此开展了大量的研究,Q i a o等1 8采用基于光折变晶体的双波混频(t w o-w a v e m i x i n g,TWM)干涉仪,实现对F B G的动态解调,该解调技术具有自适应性和可复用性,光谱分辨率可达0.3 p m。W e i等2 2采用非平衡迈克尔逊干涉仪(M I)作为F B G的解调方案,提出了一种基于反射型光放大器的自适应光纤激光F B G动态应变传感系统,能自适应环境的低频扰动,可探测频率为兆赫兹量级的超声信号。尽管干涉法在解调速率和精度方面具有明显的优势,但干涉仪可测量相位变化范围小,很难用于大幅度振动信号测量。光谱解调法主要利用衍射光栅或棱镜等光学器件实现F B G的光谱解调,F e n g等1 7提出了一种基于衍射光栅的高速解调技术,对光学模型进行了仿真,并对结构参数进行了优化,该解调设备的波长分辨率为1 p m,解调速度约为2 k H z。相比较而言,虽然光谱解调法难以实现对高频振动信号的测量,但其解调速率通过硬件改进仍可达到数十千赫兹,且光谱法解调精度较高,同时具备探测微弱和大幅度振动信号的能力,能够满足绝大多数工程系统中对振动信号的测量需求。本文提出一种基于衍射光栅色散成像原理的光谱法解调方案,结合嵌入式单元及上位机解调软件,搭建了一套8通道高速高精度光纤光栅振动传感系统。系统具有1 p m的波长重复性,分辨率可达0.5 p m,最高解调速度达1 0 k H z。1 高速光纤光栅振动解调系统1.1 F B G振动传感原理 F B G的结构与工作原理如图1所示,当宽谱光源光传输经过F B G时,部分光被反射回,其反射光中心波长可表示为2 3:B=2ne f f(1)式中:布拉格波长B是F B G反射光的中心波长;ne f f是纤芯的有效折射率;是光栅周期。从式(1)可以看出,反射光的中心波长B与纤芯的有效折射率ne f f和周期数呈现线性关系。当F B G所处环境的温度、应变发生变化时,会使得光栅的周期或纤芯折射率发生变化,反射光的中心波长将相应改变3,可表图1 F B G振动传感原理示为:B(f)B=(1-e)(f)+(+)T(2)式中:B(f)是F B G中心波长偏移量;为轴向应变量;T是温度增量;e是光纤弹性光学系数;和分别是光纤的热光系数和热膨胀系数。振动信号可以通过F B G的中心波长偏移进行编码,使用F B G解调仪器可以记录F B G中心波长并解调振动信号。1.2 衍射光栅的色散原理 常见的光纤光栅传感系统通常包括光源、光纤光栅传感器、解调模型和解调软件。本文的解调模型是由光纤准直器、衍射光栅、反射镜以及探测器阵列组成的光学成像系统。如图2所示,来自F B G的反射光经过准直后到达衍射光栅1,根据衍射光栅的色散原理,不同波长的光将被衍射出一个与波长相关的角度,该角度信息为:=a r c s i