CN103308144A

CN103308144A - 光纤布拉格光栅振动传感测量***及使用方法

Info

Publication number: CN103308144A
Application number: CN2012100611720A
Authority: CN
Inventors: 李严; 赵克
Original assignee: Guilin Guangming Technology Industry Ltd
Current assignee: Guilin Guangming Technology Industry Ltd
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2013-09-18

Abstract

本发明为光纤布拉格光栅振动传感测量***及使用方法，上位机连接可调谐激光光源、采集卡和信号处理电路，可调谐激光光源的同步触发输出端口与采集卡的同步触发输入端口连接。光源输出的激光接入耦合器的分光端口，耦合器合路端口串接n个分布在不同测试位置、工作波长区域不同的FBG。耦合器另一分光端口接光电探测器，经信号处理电路至采集卡。本法在无振动的初始状态下对n个FBG进行光谱扫描；通过采集卡同步采集选取并存储各FBG的设定波长λ_m；采集卡按上位机设置的采集频率采集受振动的各FBG对λ_m的反射光功率信息，送入上位机进行FFT，得到各点振动频率。本发明可监测多点，测量精度高，抗噪能力强，高速动态测量和解调高频信号，即时得到结果。

Description

光纤布拉格光栅振动传感测量***及使用方法

(一)技术领域

本发明涉及光电检测领域，具体为一种光纤布拉格光栅振动传感测量***及使用方法。

(二)背景技术

随着科学技术的飞速发展，作为检测技术重要领域之一的传感器地位日益突显，在朝着精确、灵敏、适应性强、小巧和智能化的方向发展。当前光通信技术迅速向着超高速、大容量通信***的方向发展，并逐步向全光网络演进。这种形势下出现了新的传感技术，即光纤传感器。光纤传感器具有传统传感器无法比拟的优势：容量大、灵敏度高、带宽大、重量轻、体积小、多用途、对介质影响小、抗电磁干扰和耐腐蚀且本质安全、易于实现多路或分布式传感等等。

光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，光纤布拉格光栅传感器(Fiber Bragg Grating Sensor，FBG)是一种波长调制型光纤传感器，当入射激光波长为FBG反射光谱的响应波长时，入射光被反射，否则透射。光纤布拉格光栅传感器的响应波长随外界物理量改变，故其可用于检测应力、应变、温度、压力、位移、加速度、倾角等多种参量的光纤传感器和光纤传感网。

在民用和军用领域振动测量技术都有着广泛的应用，用于检测振动信号的光纤布拉格光栅振动传感器是光纤传感器中的一种，其应用于建筑结构振动测量、电梯电机振动频率测量和机械手振动位移测量等。目前国内外对光纤光栅振动传感技术的发展高度重视，从多方面进行了具体的探讨和研究，无论是传感器结构设计还是信号检测解调方面都已经取得了一定的进步，常用的解调方法包括非平衡M-Z干涉检测、可调光纤F-P滤波器、匹配光纤布拉格光栅滤波解调和可调谐激光器波长扫描解调。

但目前尚未有同时复用多个光纤光栅传感器、测试范围大的光纤光栅振动传感测量***，限制了光纤布拉格光栅的应用。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种光纤布拉格光栅振动传感测量***，***中含有多个串联的光纤布拉格光栅传感器。

本发明的另一目的是提供一种光纤布拉格光栅振动传感测量***的使用方法。

本发明设计的光纤布拉格光栅振动传感测量***包括上位机、可调谐激光光源、耦合器、光纤光栅传感器和光电探测器。所述光纤光栅传感器为光纤布拉格光栅传感器(Fiber Bragg Grating Sensor，FBG传感器)，上位机连接可调谐激光光源。还有具有同步和非同步两种工作模式的采集卡和信号处理电路，上位机连接采集卡。可调谐激光光源具有同步触发输出端口，采集卡具有与之配合的同步触发输入端口，二者相连接。上位机控制可调谐激光光源输出激光的波长，控制采集卡的工作模式并进行数据分析。信号处理电路含有信号放大电路。可调谐激光光源输出的激光束接入3dB耦合器的一个分光端口，激光束到达3dB耦合器合路端口所串接的n个光纤光栅传感器，n为1～120的整数，n的大小由激光调谐范围和各光纤光栅传感器带宽决定。所串联的n个光纤光栅传感器的工作波长区域均不相同、反射光谱都有一定的带宽，其中反射光能量最高的波长点为其中心波长。n个光纤光栅传感器分布在不同的测试位置，当其中某个光纤光栅传感器所处环境的外界物理量发生改变时，影响该光纤光栅传感器的有效折射率和光纤周期，从而使其反射光波长在一定的范围内偏移，且对应其所处的测试位置的物理量变化。3dB耦合器的另一分光端口接至光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号，其输出的电流信号经信号处理电路放大并转变成电压信号接入采集卡，用以捕获该分光器合路端串联的各个光纤光栅传感器反射光信号并进行模数转换。采集卡在同步采集模式下接受同步触发信号进行同步采集。采集卡在非同步模式下，采集的平均时间间隔由上位机设置，采集卡按上位机设置的采集频率采集数据、送入上位机。采集卡位数越多，则灵敏度越高；并且采集速度越快，则能测试的振动频率越高。

当光源输出波长保持不变，外界物理量变化引起光纤光栅传感器的反射光中心波长发生偏移时，则接收到的反射光功率产生变化。利用此点，本***先测定各光纤光栅传感器的反射光谱，以此确定各光纤光栅传感器的设定波长。当可调谐激光光源输出各光纤光栅传感器的设定波长时，采集各光纤光栅传感器反射光功率的数据，由其变化即可检测各光纤光栅传感器所处位置的振动频率。

在本光纤布拉格光栅振动传感测量***中所使用的各光纤光栅传感器的响应波长偏移范围均属于本***的可调谐激光光源所覆盖的波长范围。本***所用的可调谐激光光源的扫描波长总带宽为λ_ALL。n个光纤光栅传感器的反射光谱带宽相等为λ_BW，工作波长区域互不相同，各光纤光栅传感器反射光谱边缘性良好，纹波小，那么n要满足：

n＜λ_ALL/λ_BW

各光纤光栅传感器对其中心波长的光反射率为80％～90％。反射光谱波峰两边斜率是由光纤光栅传感器本身特性决定，制作时，可以使斜率尽量大，那么测试的振动信号强度动态范围小而灵敏度高；反之，若斜率小则动态范围大而灵敏度低。测量过程中，选取反射光谱波峰两侧中线性较好较光滑的一侧的线性波长区间的中间波长作为传感器工作时的设定波长，从而保证测量振动信号的最大动态范围。

本发明设计的光纤布拉格光栅振动传感测量***的使用方法为：先测定本***各光纤光栅传感器的反射光谱，确定各光纤光栅传感器对应的设定波长。之后使可调谐激光光源依次输出各光纤光栅传感器的设定波长，采集各光纤光栅传感器反射光功率的数据，由其变化检测计算各光纤光栅传感器所处位置的振动频率。

本方法具体步骤如下：

I、在未受到振动影响的初始状态下对n个光纤光栅传感器进行光谱扫描，确定各光纤光栅传感器对应的设定波长。

上位机控制可调谐激光光源发出波长连续变化的激光对光纤光栅传感器进行波长扫描，同时控制采集卡同步采集n个串联光纤光栅传感器的反射光谱分布情况生成校准表，一个波峰代表一个光纤光栅传感器的反射光谱。选取各光纤光栅传感器反射光谱波峰两侧中线性较好较光滑的一侧的线性波长区间的中间波长作为各光纤光栅传感器工作时的设定波长，记录为λ_m并存储于上位机中，m＝1，2，3，……n，m为n个光纤光栅传感器的序号。

II、按照步骤I记录的n个光纤光栅传感器的设定波长λ_m依次设定可调谐激光光源的输出激光波长，采集受振动影响的各光纤光栅传感器反射光功率的变化信息，并解调振动频率。

上位机取消采集卡的同步模式，控制采集卡以采集速率v对各光纤光栅传感器的反射光功率进行非同步采集，v越大则可测试的振动频率越高。按照步骤I记录的n个光纤光栅传感器波长λ_m依次设定可调谐激光光源的输出激光波长，对于每个激光波长λ_m，采集卡采集2^N个各光纤光栅传感器的反射光功率数据，N为大于等于10的整数，采集数据的变化即反映该λ_m所对应的光纤光栅传感器的波长偏移。上位机以2^N个数据为单位进行快速傅立叶变换(FFT)，对该λ_m对应的光栅传感器所受振动信号的频率成分进行解调，得到该光纤光栅传感器所处位置的振动频率。

N越大，采集点数越多，那么频率分辨力越高。

根据香农采样定理，当采样频率大于信号中最高频率2倍时，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，实际应用中采集速率v为所测振动信号最高频率的5～10倍。

本发明光纤布拉格光栅振动传感测量***及使用方法的优点为：1、串联多个光纤光栅传感器，可监测多个测试点的振动频率；2、测量精度高，抗噪能力强，可以检测低至0.1pm的光纤光栅传感器波长偏移对应的变化量；3、可高速动态测量和解调高频信号，即时得到测试结果；4、应用灵活，采用上位机控制；5、结构简单，易于维护。

(四)附图说明

图1为本光纤布拉格光栅振动传感测量***实施例的结构示意图；

图2为本光纤布拉格光栅振动传感测量***的使用方法实施例中各光纤光栅传感器的反射光功率-波长曲线图。

图3为本光纤布拉格光栅振动传感测量***的使用方法实施例中第8个光纤光栅传感器的测试结果时域图；

图4为本光纤布拉格光栅振动传感测量***的使用方法实施例中第9个光纤光栅传感器的测试结果时域图；

图5为图3所示第8个光纤光栅传感器测试结果的部分解调频谱图；

图6为图4所示第9个光纤光栅传感器测试结果的部分解调频谱图。

(五)具体实施方式

光纤布拉格光栅振动传感测量***实施例

本布拉格光纤光栅振动传感测量***实施例如图1所示，包括上位机、可调谐激光光源、耦合器、光纤光栅传感器、光电探测器、信号处理电路和采集卡。上位机连接可调谐激光光源和采集卡。采集卡具有同步和非同步两种工作模式，可调谐激光光源具有同步触发输出端口，采集卡具有与之配合的同步触发输入端口，二者相连接。上位机控制可调谐激光光源输出激光的波长，控制采集卡的工作模式并进行数据分析。可调谐激光光源输出的激光束接入3dB耦合器的一个分光端口，激光束到达该3dB耦合器合路端口串接的n个光纤光栅传感器。所串联的n个光纤光栅传感器的工作波长区域均不相同，且分布在不同的测试位置。3dB耦合器的另一分光端口接至光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号，其输出的电流信号经信号处理电路放大并转变成电压信号接入采集卡，采集卡在同步采集模式下，接受同步触发信号进行同步采集；在非同步模式下，采集卡按上位机设置的采集频率进行数据采集、送入上位机。

本例可调谐激光光源所覆盖的波长范围1525～1568nm，总带宽为：λ_ALL＝1568-1525＝43nm，本例使用的各光纤光栅传感器带宽相等：λ_BW＝0.25nm，那么n＜λ_ALL/λ_BW，n最大值为58。本例取n＝15。

各光纤光栅传感器对其中心波长的光反射率为80％～90％。

布拉格光纤光栅振动传感测量***的使用方法实施例

采用上述布拉格光纤光栅振动传感测量***实施例实施本使用方法，本例为测定电机的振动频率。具体步骤如下：

I、在未受到振动影响初始状态下对15个光纤光栅传感器进行光谱扫描，确定各光纤光栅传感器对应的设定波长。

将各光纤光栅传感器粘贴于电机不同部位上，此时电机处于关闭状态。

将可调谐激光光源的同步触发输出端口与采集卡的同步触发输入端口用同步电缆连接，上位机控制可调谐激光光源发出波长连续变化的激光对光纤光栅传感器进行波长扫描，扫描步进为10pm，扫描波长范围为：1525～1568nm，并使用采集卡同步采集15个串联光纤光栅传感器的反射光谱分布情况作为校准表，一个波峰代表一个光纤光栅传感器。为各光纤光栅传感器选取反射光谱波峰两侧中线性较好较光滑的一侧的线性波长区间的中间波长作为各光纤光栅传感器工作时的设定波长，记录为λ_m并存储于上位机中，m＝1，2，3，……15，m为各光纤光栅传感器的序号。本例各光纤光栅传感器的扫描光谱如图2所示，图中横坐标为波长，单位是nm，纵坐标是光强度对应的电压A/D值(即模数转换值)，λ_m的取值如表1所示。

表1光纤光栅传感器设定波长表

II、按照步骤I记录的n个光纤光栅传感器的设定波长λ_m依次设定可调谐激光光源的输出激光波长，测量各光纤光栅传感器受电机振动影响的反射光功率变化信息，并解调振动频率。

启动电机，电机工作时的振动频率为2950次/分。

上位机按照步骤I记录的15个光纤光栅传感器波长λ_m依次设定可调谐激光光源的输出激光波长，并取消采集卡的同步模式，控制采集卡以采集速率v＝305Hz对于每个激光波长λ_m采集2¹¹＝2048个各光纤光栅传感器的反射光功率数据，上位机以2048个数据为单位进行快速傅立叶变换，对该λ_m对应的光纤光栅传感器所受振动信号的频率成分进行解调，得到该光纤光栅传感器测试点的振动频率。图3和图4分别为本例***中第8、9个光纤光栅传感器测试结果的时域图形，图中横坐标为时间，单位为毫秒，纵坐标为反射光功率对应的电压A/D值；图5和图6则是相应数据进行快速傅立叶变换的部分频谱图，图中横坐标为频率值，单位为Hz，纵坐标为快速傅立叶变换的模值；由于快速傅立叶变换结果的对称性，图中只保留了前半部分的结果，即取不大于采样频率一半的结果，并且去掉了直流分量。频率分辨力为采样频率除以采集数据量，本例测试频率分辨力为305/2048＝0.15Hz。测试得到的振动主频率为49.5Hz，与电机实际振动频率49.2Hz相差约为0.3Hz。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.光纤布拉格光栅振动传感测量***，包括上位机、可调谐激光光源、耦合器、光纤光栅传感器和光电探测器；所述光纤光栅传感器为光纤布拉格光栅传感器，上位机连接可调谐激光光源；其特征在于：

还有具有同步和非同步两种工作模式的采集卡和信号处理电路，上位机连接采集卡；可调谐激光光源具有同步触发输出端口，采集卡具有与之配合的同步触发输入端口，二者相连接；上位机控制可调谐激光光源输出激光的波长，控制采集卡的工作模式并进行数据分析；信号处理电路含有信号放大电路；可调谐激光光源输出的激光束接入3dB耦合器的一个分光端口，激光束到达3dB耦合器合路端口所串接的n个光纤光栅传感器，n为1～120的整数，所串联的n个光纤光栅传感器的工作波长区域均不相同、反射光谱中反射光能量最高的波长点为其中心波长，n个光纤光栅传感器分布在不同的测试位置；3dB耦合器的另一分光端口接至光电探测器，光电探测器输出的电流信号经信号处理电路接入采集卡，采集卡在同步采集模式下接受同步触发信号进行同步采集，采集卡在非同步模式下，按上位机设置的采集频率进行数据采集、送入上位机。

2.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅振动传感测量***，其特征在于：

所述n的大小由激光调谐范围和各光纤光栅传感器带宽决定，所述的可调谐激光光源的扫描波长总带宽为λ_ALL，n个光纤光栅传感器的反射光谱带宽相等为λ_BW，n满足于：

n＜λ_ALL/λ_BW。

3.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅振动传感测量***，其特征在于：

所述各光纤光栅传感器对其中心波长的光反射率为80～90％。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤布拉格光栅振动传感测量***的使用方法，其特征在于：

先测定本***各光纤光栅传感器的反射光谱，确定各光纤光栅传感器对应的设定波长；之后使可调谐激光光源依次输出各光纤光栅传感器的设定波长，采集各光纤光栅传感器反射光功率的数据，由其变化检测计算各光纤光栅传感器所处位置的振动频率。

5.根据权利要求4所述的光纤布拉格光栅振动传感测量***的使用方法，其特征在于具体步骤如下：

I、在未受到振动影响的初始状态下对n个光纤光栅传感器进行光谱扫描，确定各光纤光栅传感器对应的设定波长，

将可调谐激光光源的同步触发输出端口与采集卡的同步触发输入端口相连，上位机控制可调谐激光光源发出波长连续变化的激光对光纤光栅传感器进行波长扫描，同时控制采集卡同步采集n个串联光纤光栅传感器的反射光谱分布情况生成校准表，选取各光纤光栅传感器反射光谱波峰两侧中线性较好较光滑的一侧的线性波长区间的中间波长作为各光纤光栅传感器工作时的设定波长，记录为λ_m并存储于上位机中，m为n个光纤光栅传感器的序号；

II、按照步骤I记录的n个光纤光栅传感器波长λ_m依次设定可调谐激光光源的输出激光波长，采集受振动影响的各光纤光栅传感器的反射光功率变化信息，并解调振动频率，

上位机取消采集卡的同步模式，控制采集卡以采集速率v对各光纤光栅传感器的反射光功率进行非同步采集，并按照步骤I记录的n个光纤光栅传感器波长λ_m依次设定可调谐激光光源的输出激光束波长，对于每个激光波长λ_m，采集卡采集2^N个各光纤光栅传感器的反射光功率数据，N为大于等于10的整数，上位机以2^N个数据为单位进行快速傅立叶变换，对该λ_m对应的光纤光栅传感器所受振动信号的频率成分进行解调，得到该光纤光栅传感器所处位置的振动频率。

6.根据权利要求5所述的光纤布拉格光栅振动传感测量***的使用方法，其特征在于：

所述步骤II采集卡的采集速率v为所测振动信号最高频率的5～10倍。