CN105510631A - 一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。本发明质量块固定于钢管的顶部，钢管的底部固定于底座上，左弹性钢片、右弹性钢片分别置于钢管的左右两边，左弹性钢片、右弹性钢片的下端都固定于底座上，左弹性钢片、右弹性钢片的上端分别连接固定到质量块的左右两端，左光纤Bragg光栅、右光纤Bragg光栅串联焊接后分别粘贴到左弹性钢片、右弹性钢片，左光纤Bragg光栅、右光纤Bragg光栅的一端通过光纤连接，左光纤Bragg光栅、右光纤Bragg光栅另一端的导出光纤分别从底座一侧引出。本发明通过采用光纤Bragg光栅，具有较强的抗电磁干扰能力和耐腐蚀能力适用于对变压器的长期监测；结构简单，便于操作。

Description

一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。

背景技术

电力变压器的工作环境恶劣，且其工作效率比较低，因此存在很大的漏磁，形成较强的电磁干扰，电力变压器的工作温度很高，即使是外壳也可能达到70度左右的高温。变压器的振动监测环境处于高电压、高磁场、高温度的恶劣环境中，变压器的振动频率范围大致在10～2000Hz。目前可用于变压器振动检测的传感器基本都是电磁式传感器，常见的有电涡流传感器、压电传感器等，其共同特点就是抗电磁干扰能力差，信号远程传输能力弱。

光纤传感器具有本质安全、具有抗电磁干扰、信号可远距离传输等优点，成为近年来学者研究的热点。光纤传感器虽然在强电磁环境中进行变压器振动在线监测具有天然的优势，但是目前的光纤传感器多用于静态量的检测，如火灾报警、应变测量等，能用于动态测量的传感器非常少，光纤光栅加速度传感器是目前的一个研究热点。各种光纤光栅加速度传感器发展迅速而且种类繁多。悬臂梁式光纤光栅加速度传感器因其结构简单性能稳定，得到了众多学者的青睐，从初期将光栅直接贴附于悬臂梁到其衍伸结构(如两点固定式)，但悬臂梁自身难以实现高频范围测量，多数只能在低频范围应用，阻碍了其发展。

通过采用光纤Bragg光栅高频加速度传感器对电力变压器进行实时在线振动监测时，需要考虑加速度传感器的构成，及避免过大的侧向干扰。

发明内容

本发明提供了一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器及其使用方法，以用于解决对电力变压器振动实时在线检测及解决对变压器振动实时在线检测时光纤Bragg光栅高频加速度传感器的结构、安装的问题。

本发明的技术方案是：一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器，包括左光纤Bragg光栅1、左弹性钢片2、光纤3、钢管4、底座5、质量块6、右弹性钢片7、右光纤Bragg光栅8、导出光纤9；其中质量块6固定于钢管4的顶部，钢管4的底部固定于底座5上，左弹性钢片2、右弹性钢片7分别置于钢管4的左右两边，左弹性钢片2、右弹性钢片7的下端都固定于底座5上，左弹性钢片2、右弹性钢片7的上端分别连接固定到质量块6的左右两端，左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8串联焊接后分别粘贴到左弹性钢片2、右弹性钢片7，左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8的一端通过光纤3连接，左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8另一端的导出光纤9分别从底座5一侧引出。

所述左光纤Bragg光栅1粘贴在左弹性钢片2左侧，右光纤Bragg光栅8粘贴在右弹性钢片7右侧。

所述左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8采用同一型号的光敏光纤制成。

一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器的使用方法，所述方法的步骤如下：

Step1、当把传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，质量块6、钢管4、左弹性钢片2、右弹性钢片7组成的弹性***作受迫振动，质量块6带动钢管4、左弹性钢片2、右弹性钢片7作应变变化，使得粘贴在弹性钢片的左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8和左弹性钢片2、右弹性钢片7一起作应变变化，将导致光纤光栅的波长产生相应的变化，光纤Bragg光栅波长变化Δλ₁、Δλ₂；

Step2、根据粘贴在弹性钢片上的左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8的中心波长变化值Δλ₁、Δλ₂与弹性***中加速度a的关系式计算出传感器被测对象的加速度变化；式中：E为钢管4的弹性模量，d₁、d₂分别为钢管4的内径和外径，s为弹性钢片的横切面积，λ为光纤Bragg光栅的中心波长，S_ε为光纤应变灵敏度系数，m为质量块6质量。

本发明的工作原理是：

当把传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，质量块6、钢管4、左弹性钢片2、右弹性钢片7组成的弹性***作受迫振动，结果质量块6带动钢管4、左弹性钢片2、右弹性钢片7作应变变化，使得粘贴在左弹性钢片2、右弹性钢片7的两个光纤光栅和左弹性钢片2、右弹性钢片7一起作应变变化，将导致左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8的波长产生相应的变化，被测对象加速度的检测转化为对光纤Bragg光栅波长的调制；其中，光纤Bragg光栅1粘贴在左弹性钢片2左侧，右光纤Bragg光栅8粘贴在右弹性钢片7右侧，左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8与左弹性钢片2、右弹性钢片7的粘贴方式有助于抵消振动的横向干扰，传感器导出光纤9与FBG解码仪连接，构成光纤Bragg光栅高频加速度传感器。

本发明的数学模型分析如下：

根据光纤光栅波长于应变变化关系式：

$\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}}=S_{\mathrm{\ϵ}}\·\mathrm{\ϵ}---\left(1\right)$

式中：S_ε为光纤应变灵敏度系数，ε为光纤Bragg光栅应变，Δλ为由应变引起的光纤Bragg光栅的波长移位，λ为光纤Bragg光栅的中心波长。

弹性***中加速度与应变的关系：

$a=\frac{F}{m}=\frac{E}{m}\·(\frac{\mathrm{\π}(d_2^2-d_1^2)}{4}+2\·s)\·\mathrm{\ϵ}---\left(2\right)$

可得到：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{m\·S_{\mathrm{\ϵ}}}{E\·\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right(d_2^2-d_1^2)+2\·s)}\·\mathrm{\λ}\·a---\left(3\right)$

式(2)中，F为质量块受到钢管和弹性钢片作用的弹力和，m为质量块质量，s为弹性钢片的横切面积，E为钢管的弹性模量(钢管和弹性钢片的弹性模量一样)，d₁、d₂分别钢管的内径和外径。式(3)给出了光纤光栅波长改变量与加速度的线性变化关系。

根据式公式(3)传感器加速度灵敏度：

$S_a=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{a}=\frac{m\·S_{\mathrm{\ϵ}}}{E\·\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right(d_2^2-d_1^2)+2\·s)}\·\mathrm{\λ}---\left(4\right)$

根据本发明的设计，光纤Bragg光栅与弹性钢片的粘贴方式有助于抵消振动的横向干扰，得到Δλ的修正公式：

Δλ＝(Δλ₁+Δλ₂)/2(5)

式(5)中Δλ₁为左光纤Bragg光栅的中心波长变化值，Δλ₂为右光纤Bragg光栅的中心波长变化值，公式(5)带入公式(3)得：

${\mathrm{\Δ\λ}}_1+{\mathrm{\Δ\λ}}_2=2\·\frac{m\·S_{\mathrm{\ϵ}}}{E\·\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right(d_2^2-d_1^2)+2\·s)}\·\mathrm{\λ}\·a---\left(6\right)$

根据式(2)可得到钢管的弹性系数k为：

$k=\frac{E}{L}\·(\frac{\mathrm{\π}(d_2^2-d_1^2)}{4}+2\·s)---\left(7\right)$

式中，L为钢管的长度。

由此得到***无阻尼谐振频率

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{E}{L\·m}\·(\frac{\mathrm{\π}(d_2^2-d_1^2)}{4}+2\·s)}---\left(8\right)$

本发明的有益效果是：

1、当把传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，质量块、钢管、弹性钢片组成的弹性***作受迫振动，结果质量块带动钢管、弹性钢片作应变变化，使得粘贴在弹性钢片的两个光纤光栅和弹性钢片一起作应变变化，将导致光纤光栅的波长产生相应的变化，被测对象加速度的检测转化为对光纤Bragg光栅波长的调制，光纤Bragg光栅粘贴在左弹性钢片左侧，右光纤Bragg光栅粘贴在右弹性钢片右侧，光纤Bragg光栅与弹性钢片的粘贴方式有助于抵消振动的横向干扰，调整钢管、弹性钢片的横切面积及质量块的质量以适应不同谐振频率的加速度传感器设计需求。

2、通过采用光纤Bragg光栅，具有较强的抗电磁干扰能力和耐腐蚀能力适用于对变压器的长期监测。

3、结构简单，便于操作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中各标号：1-左光纤Bragg光栅、2-左弹性钢片、3-光纤、4-钢管、5-底座、6-质量块、7-右弹性钢片、8-右光纤Bragg光栅、9-导出光纤。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器，包括左光纤Bragg光栅1、左弹性钢片2、光纤3、钢管4、底座5、质量块6、右弹性钢片7、右光纤Bragg光栅8、导出光纤9；其中质量块6固定于钢管4的顶部，钢管4的底部固定于底座5上，左弹性钢片2、右弹性钢片7分别置于钢管4的左右两边，左弹性钢片2、右弹性钢片7的下端都固定于底座5上，左弹性钢片2、右弹性钢片7的上端分别连接固定到质量块6的左右两端，左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8串联焊接后分别粘贴到左弹性钢片2、右弹性钢片7，左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8的一端通过光纤3连接，左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8另一端的导出光纤9分别从底座5一侧引出。

所述左光纤Bragg光栅1粘贴在左弹性钢片2左侧，右光纤Bragg光栅8粘贴在右弹性钢片7右侧。

所述左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8采用同一型号的光敏光纤制成。

一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器的使用方法，所述方法的步骤如下：

Step1、当把传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，质量块6、钢管4、左弹性钢片2、右弹性钢片7组成的弹性***作受迫振动，质量块6带动钢管4、左弹性钢片2、右弹性钢片7作应变变化，使得粘贴在弹性钢片的左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8和左弹性钢片2、右弹性钢片7一起作应变变化，将导致光纤光栅的波长产生相应的变化，光纤Bragg光栅波长变化Δλ₁、Δλ₂；

Step2、根据粘贴在弹性钢片上的左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8的中心波长变化值Δλ₁、Δλ₂与弹性***中加速度a的关系式计算出传感器被测对象的加速度变化；式中：E为钢管4的弹性模量，d₁、d₂分别为钢管4的内径和外径，s为弹性钢片的横切面积，λ为光纤Bragg光栅的中心波长，S_ε为光纤应变灵敏度系数，m为质量块6质量。

实施例2：如图1所示，一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器，包括左光纤Bragg光栅1、左弹性钢片2、光纤3、钢管4、底座5、质量块6、右弹性钢片7、右光纤Bragg光栅8、导出光纤9；其中质量块6固定于钢管4的顶部，钢管4的底部固定于底座5上，左弹性钢片2、右弹性钢片7分别置于钢管4的左右两边，左弹性钢片2、右弹性钢片7的下端都固定于底座5上，左弹性钢片2、右弹性钢片7的上端分别连接固定到质量块6的左右两端，左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8串联焊接后分别粘贴到左弹性钢片2、右弹性钢片7，左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8的一端通过光纤3连接，左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8另一端的导出光纤9分别从底座5一侧引出。

所述左光纤Bragg光栅1粘贴在左弹性钢片2左侧，右光纤Bragg光栅8粘贴在右弹性钢片7右侧。

一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器的使用方法，所述方法的步骤如下：

Step1、当把传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，质量块6、钢管4、左弹性钢片2、右弹性钢片7组成的弹性***作受迫振动，质量块6带动钢管4、左弹性钢片2、右弹性钢片7作应变变化，使得粘贴在弹性钢片的左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8和左弹性钢片2、右弹性钢片7一起作应变变化，将导致光纤光栅的波长产生相应的变化，光纤Bragg光栅波长变化Δλ₁、Δλ₂；

Step2、根据粘贴在弹性钢片上的左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8的中心波长变化值Δλ₁、Δλ₂与弹性***中加速度a的关系式计算出传感器被测对象的加速度变化；式中：E为钢管4的弹性模量，d₁、d₂分别为钢管4的内径和外径，s为弹性钢片的横切面积，λ为光纤Bragg光栅的中心波长，S_ε为光纤应变灵敏度系数，m为质量块6质量。

实施例3：如图1所示，一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器，包括左光纤Bragg光栅1、左弹性钢片2、光纤3、钢管4、底座5、质量块6、右弹性钢片7、右光纤Bragg光栅8、导出光纤9；其中质量块6固定于钢管4的顶部，钢管4的底部固定于底座5上，左弹性钢片2、右弹性钢片7分别置于钢管4的左右两边，左弹性钢片2、右弹性钢片7的下端都固定于底座5上，左弹性钢片2、右弹性钢片7的上端分别连接固定到质量块6的左右两端，左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8串联焊接后分别粘贴到左弹性钢片2、右弹性钢片7，左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8的一端通过光纤3连接，左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8另一端的导出光纤9分别从底座5一侧引出。

所述左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8采用同一型号的光敏光纤制成。

一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器的使用方法，所述方法的步骤如下：

Step1、当把传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，质量块6、钢管4、左弹性钢片2、右弹性钢片7组成的弹性***作受迫振动，质量块6带动钢管4、左弹性钢片2、右弹性钢片7作应变变化，使得粘贴在弹性钢片的左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8和左弹性钢片2、右弹性钢片7一起作应变变化，将导致光纤光栅的波长产生相应的变化，光纤Bragg光栅波长变化Δλ₁、Δλ₂；

Step2、根据粘贴在弹性钢片上的左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8的中心波长变化值Δλ₁、Δλ₂与弹性***中加速度a的关系式计算出传感器被测对象的加速度变化；式中：E为钢管4的弹性模量，d₁、d₂分别为钢管4的内径和外径，s为弹性钢片的横切面积，λ为光纤Bragg光栅的中心波长，S_ε为光纤应变灵敏度系数，m为质量块6质量。

实施例4：如图1所示，一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器，包括左光纤Bragg光栅1、左弹性钢片2、光纤3、钢管4、底座5、质量块6、右弹性钢片7、右光纤Bragg光栅8、导出光纤9；其中质量块6固定于钢管4的顶部，钢管4的底部固定于底座5上，左弹性钢片2、右弹性钢片7分别置于钢管4的左右两边，左弹性钢片2、右弹性钢片7的下端都固定于底座5上，左弹性钢片2、右弹性钢片7的上端分别连接固定到质量块6的左右两端，左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8串联焊接后分别粘贴到左弹性钢片2、右弹性钢片7，左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8的一端通过光纤3连接，左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8另一端的导出光纤9分别从底座5一侧引出。

一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器的使用方法，所述方法的步骤如下：

Step1、当把传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，质量块6、钢管4、左弹性钢片2、右弹性钢片7组成的弹性***作受迫振动，质量块6带动钢管4、左弹性钢片2、右弹性钢片7作应变变化，使得粘贴在弹性钢片的左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8和左弹性钢片2、右弹性钢片7一起作应变变化，将导致光纤光栅的波长产生相应的变化，光纤Bragg光栅波长变化Δλ₁、Δλ₂；

Step2、根据粘贴在弹性钢片上的左光纤Bragg光栅1、右光纤Bragg光栅8的中心波长变化值Δλ₁、Δλ₂与弹性***中加速度a的关系式计算出传感器被测对象的加速度变化；式中：E为钢管4的弹性模量，d₁、d₂分别为钢管4的内径和外径，s为弹性钢片的横切面积，λ为光纤Bragg光栅的中心波长，S_ε为光纤应变灵敏度系数，m为质量块6质量。

其具体参数为：

1、质量块参数为：质量m＝0.1千克，边长为10mm的正方体；钢管外径d2＝10mm，钢管内径d1＝9.5mm，钢管的长度L＝40mm；弹性钢片的横切面积s＝1mm*0.5mm，Young’s模量为E＝128GPa；

2、光纤Bragg光栅的技术参数为：中心波长λ＝1550nm，S_ε＝0.78*10^-6με^-1；

3、按附图1配置实验；

4、用光纤光栅解调仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长；

5、根据公式(5)，根据粘贴在弹性钢片上光纤Bragg光栅的中心波长变化值Δλ₁、Δλ₂可得到被测对象的加速度a：

$a=\frac{({\mathrm{\Δ\λ}}_1+{\mathrm{\Δ\λ}}_2)}{2\·m\·S_{\mathrm{\ϵ}}\·\mathrm{\λ}}\·E\·\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right(d_2^2-d_1^2)+2\·s)$

将各已知量代入公式(4)、(8)，理论计算表明，传感器谐振频率为2649.1Hz，灵敏度系数为1.1pm/g。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器，其特征在于：包括左光纤Bragg光栅(1)、左弹性钢片(2)、光纤(3)、钢管(4)、底座(5)、质量块(6)、右弹性钢片(7)、右光纤Bragg光栅(8)、导出光纤(9)；其中质量块(6)固定于钢管(4)的顶部，钢管(4)的底部固定于底座(5)上，左弹性钢片(2)、右弹性钢片(7)分别置于钢管(4)的左右两边，左弹性钢片(2)、右弹性钢片(7)的下端都固定于底座(5)上，左弹性钢片(2)、右弹性钢片(7)的上端分别连接固定到质量块(6)的左右两端，左光纤Bragg光栅(1)、右光纤Bragg光栅(8)串联焊接后分别粘贴到左弹性钢片(2)、右弹性钢片(7)，左光纤Bragg光栅(1)、右光纤Bragg光栅(8)的一端通过光纤(3)连接，左光纤Bragg光栅(1)、右光纤Bragg光栅(8)另一端的导出光纤(9)分别从底座(5)一侧引出。

2.根据权利要求1所述的光纤Bragg光栅高频加速度传感器，其特征在于：所述左光纤Bragg光栅(1)粘贴在左弹性钢片(2)左侧，右光纤Bragg光栅(8)粘贴在右弹性钢片(7)右侧。

3.根据权利要求1所述的光纤Bragg光栅高频加速度传感器，其特征在于：所述左光纤Bragg光栅(1)、右光纤Bragg光栅(8)采用同一型号的光敏光纤制成。

4.一种根据权利要求1至3中任一项所述的光纤Bragg光栅高频加速度传感器的使用方法，其特征在于：所述方法的步骤如下：

Step1、当把传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，质量块(6)、钢管(4)、左弹性钢片(2)、右弹性钢片(7)组成的弹性***作受迫振动，质量块(6)带动钢管(4)、左弹性钢片(2)、右弹性钢片(7)作应变变化，使得粘贴在弹性钢片的左光纤Bragg光栅(1)、右光纤Bragg光栅(8)和左弹性钢片(2)、右弹性钢片(7)一起作应变变化，将导致光纤光栅的波长产生相应的变化，光纤Bragg光栅波长变化Δλ₁、Δλ₂；

Step2、根据粘贴在弹性钢片上的左光纤Bragg光栅(1)、右光纤Bragg光栅(8)的中心波长变化值Δλ₁、Δλ₂与弹性***中加速度a的关系式计算出传感器被测对象的加速度变化；式中：E为钢管(4)的弹性模量，d₁、d₂分别为钢管(4)的内径和外径，s为弹性钢片的横切面积，λ为光纤Bragg光栅的中心波长，S_ε为光纤应变灵敏度系数，m为质量块(6)质量。