1、 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
2、 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
3、 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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、 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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
