本發(fā)明涉及光纖型振動傳感器測量領域，具體涉及一種光纖型振動傳感測量系統(tǒng)。

背景技術：

光纖型傳感器作為一種波長調(diào)制型的光子器件，不僅具有質(zhì)量輕、體積小、精度高、可復用性、抗腐蝕性和免電磁干擾等優(yōu)點，且具有商業(yè)化的應用。振動是一種常見的現(xiàn)象，在工程實踐中對于振動問題的合理解決方案，具有重要的工程應用價值。在結(jié)構(gòu)應變監(jiān)測或者傳感器設計中，通常需將光纖光柵粘貼于被測對象或者彈性體表面或者埋入其中，進而實時感知被測體對應的振動應變值。為此粘貼層的效果直接決定了被測體應變測量的精度以及傳感器測試的重復性，其廣泛的應用于博物館、體育館、通信基站、油漆管等，具有非常重要的應用價值。

光纖型振動傳感器依據(jù)其工作原理主要分為：光強度調(diào)制、模式調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)制、相位調(diào)制及波長調(diào)制型。對于便于工程實現(xiàn)的光纖型振動傳感器一般都是采用強度調(diào)制型。

傳統(tǒng)型的光纖振動傳感器的研究都基于被測體受到軸向力作用的假設，而在實際測量中許多被測件還會受到彎矩作用而產(chǎn)生應變，等臂懸臂梁振動測試點擾度并不對稱，在一定程度上受擾度不同影響測試振動測試加速度及振幅的效果。本文針對應用于受彎件的刻槽型光纖光柵應變傳遞規(guī)律進行分析。這種傳感器采用特殊懸臂梁結(jié)構(gòu)，能夠有效地減小因環(huán)境噪聲和溫度帶來的信號噪聲和失真，讓測試效果更準確，靈敏度更高，此外還可以轉(zhuǎn)動電動分度頭，可以實現(xiàn)對物體角速率的檢測，剛性懸臂梁在轉(zhuǎn)動的過程中，由于質(zhì)量塊重力作用會產(chǎn)生周期性形變，檢測周期性形變就可以得到周期性信號，解算周期性信號就得出剛性結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動角速度；

現(xiàn)有的光強調(diào)制型光纖振動傳感系統(tǒng)一般原理為：入射光由于受到被測強度的調(diào)制，外殼與外部剛性連接，外部振動時外殼也隨之振動，懸臂梁和質(zhì)量塊因慣性力的作用，相對外部位置會發(fā)生上下振動，當有外界擾動作用在光纖光柵上時，將引起光纖光柵折射率等光傳輸特性發(fā)生變化，從而引起光傳輸諧振波長及傳輸衰減發(fā)生變化，測得微彎程度可感測振幅及加速度。此類光纖振動傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、便于實現(xiàn)等特點?，F(xiàn)有的測量裝置缺點是靈敏度低、成本高及穩(wěn)定性差且不能測出受到彎矩作用而產(chǎn)生應變的情況。

基于以上所述，本發(fā)明提出了一種光纖型振動傳感測量系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決以上現(xiàn)有技術的問題。提出了一種同一精度水平上方便操作、平臺簡單、抗電磁干擾強、信息容量大、傳輸距離遠、性能優(yōu)異，降低試驗平臺成本，更具可行性的。本發(fā)明的技術方案如下：

一種光纖型振動傳感測量系統(tǒng)，包括振動系統(tǒng)，所述振動系統(tǒng)包括支撐梁、懸臂梁，所述懸臂梁垂直設置于支撐梁上，所述支撐梁固定安裝在支撐梁剛性梁上，所述懸臂梁上固定有一光纖，其在所述光纖上選擇一位移和能量最敏感點作為刻槽光纖光柵的黏貼點，所述懸臂梁采用光敏感材料，通過在所述質(zhì)量塊上方采用全光脈沖使得懸臂梁振動，所述全光脈沖采用全光驅(qū)動系統(tǒng)，且在懸臂梁的末端位置處上下對稱設置有質(zhì)量塊，通過設置一光檢測系統(tǒng)測量振動加速度及振幅信號。

進一步的，所述全光驅(qū)動系統(tǒng)主要包括激光光源、將光束進行3DB分光的光耦合器、減少反射光對光譜輸出功率穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響的光隔離器、調(diào)節(jié)光相位的相位調(diào)制器、用于探測干涉條紋的光電探測器、用于感測外界變化的刻槽型光纖光柵與懸臂梁間形成的F-P干涉儀，所述刻槽光纖光柵在懸臂梁上粘貼位置的選取是通過對懸臂梁不同粘貼位置的應力、擾度進行分析，分別計算出懸臂梁自由端的擾度、作用力量程及光纖的最大微應變，選擇最佳粘貼點；所述激光光源發(fā)出的激光通過3dB光耦合器耦合進光纖，以便光功率可以均等的分開到懸臂梁上，然后光功率在3dB耦合器里面進行傳輸并分別到達F-P干涉儀，一部分信號將進入光檢測器，通過相應光纖光柵波長及衰減的變化可以測出振動的頻率、幅度及加速度大小。

進一步的，所述振動系統(tǒng)還包括電動分度頭，所述電動分度頭不旋轉(zhuǎn)時當作支撐塊，在旋轉(zhuǎn)時可以實現(xiàn)對物體角速率的檢測，剛性懸臂梁在轉(zhuǎn)動的過程中，由于質(zhì)量塊重力作用會產(chǎn)生周期性形變，檢測周期性形變就可以得到周期性信號，通過光束與光路輸出的光束經(jīng)過光電探測器可以形成電信號，將電信號作為輸入接入到頻譜分析儀中通過兩路信號之間的頻率變化解算周期性信號就得出剛性結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動角速度。

進一步的，所述光檢測系統(tǒng)包括激光器、分光鏡、通過衰減傳輸光功率來實現(xiàn)對信號的實時控制的可變光衰減器、用于對光產(chǎn)生的不同偏振進行控制的光纖偏振控制器、用于提高光探測器接收信號的平衡光探測器和顯示輸入信號頻譜特性的電子頻譜分析儀；

所述激光器發(fā)射的光束通過光纖射入分光鏡，所述分光鏡將光束分成信號光和參考光；所述信號光傳輸至第一可變光衰減器衰減傳輸光功率后再傳入光纖偏振控制器，經(jīng)過信號變化后通過光電探測器進行測量；測量后通過光纖輸入平衡光探測器并將光信號轉(zhuǎn)化為電信號；所述參考光經(jīng)過光纖傳輸至第二可變光衰減器后再傳輸至平衡光探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號；所述平衡光探測器將電信號傳輸至電子頻譜分析儀。

進一步的，所述刻槽型光纖光柵主要是由光纖包層及纖芯構(gòu)成，刻槽結(jié)構(gòu)區(qū)只存在單側(cè)區(qū)域，當施加一定的全光脈沖(9)驅(qū)動作用于敏感懸臂梁上時，懸臂梁上會導致相應振動，會導致懸臂梁發(fā)生彎曲，刻槽型光纖光柵在彎曲下會發(fā)生一定的褶皺型結(jié)構(gòu)，從而激發(fā)包層模的耦合，使得光傳輸譜發(fā)生相應的變化。

進一步的，當高功率的脈沖激光束聚焦后輻射在所述懸臂梁(5)的敏感材料上時，由于輻射區(qū)內(nèi)吸收了激光的能量，將在其表面產(chǎn)生一團高溫高壓的等離子體，這些離子體不斷吸收來自激光的能量，并迅速向四周的介質(zhì)中擴張，進而形成一道等離子沖擊波，受反作用力的作用，輻射靶面將受到一個陣面陡峭的面沖擊載荷，材料受到的峰值壓力的計算公式：

在該式中，ρ₀(g/cm³)表示20攝氏度空氣的密度，α為等離子體熱能占內(nèi)能的比例，通常取0.25；I₀(GW/cm²)為激光的功率密度，同時I₀與激光各參數(shù)的關系滿足式

式中I₀(GW/cm²)為功率密度，P(GW)為平均功率，f(Hz)是激光頻率，τ(s)為激光脈寬，A(cm²)為激光的光斑面積，若激光功率密度為I₀，激光單脈沖能量為E，脈寬為τ，光斑面積為A，則它們的關系將滿足式(3):

將上述的參數(shù)帶入式(3)中求得激光功率密度I_o，再將求得的I₀帶入式(1)中可以求得材料受到的激光壓力的峰值P_max(GP_a)。

本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下：

本發(fā)明操作簡單易于實現(xiàn)，在圖1中懸臂梁結(jié)構(gòu)上采用上下對稱的測試質(zhì)量塊對振動加速度信號進行檢測，能夠增加振動擾動量和光纖光柵的微彎量，能夠?qū)φ駝蛹铀俣冗M行檢測，具有方便操作、靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點；振動系統(tǒng)采用全光脈沖沖擊驅(qū)動的方式，高功率的脈沖激光束聚焦后輻射在所述懸臂梁(5)的敏感材料上時，由于輻射區(qū)內(nèi)吸收了激光的能量，形成一道等離子沖擊波，能夠有效地減小因環(huán)境噪聲和溫度帶來的信號噪聲和失真，讓測試效果更準確，性能更穩(wěn)定；使用刻槽型光纖光柵，其具有特殊的刻槽型結(jié)構(gòu)，對微小的振動量都能很靈敏的感測，能測出受到彎矩作用而產(chǎn)生應變的情況，使得測量精度提高；圖2采用電動分度頭可以實現(xiàn)對物體角速率的檢測；

隨著我國科技不斷的向前發(fā)展，航空、軍民安防、管道泄漏監(jiān)測等領域?qū)饫w振動傳感性能的要求越來越高，傳統(tǒng)型的光纖振動傳感大多數(shù)是基于被測體受到軸向力作用的假設，在一定程度上受擾度不同影響測試振動測試性能的效果，且成本高，很難滿足現(xiàn)代社會的需求。本發(fā)明主要通過檢測光信號變化轉(zhuǎn)換為測量載體的加速度及振幅，結(jié)構(gòu)簡單，工藝成本低且不會受到物體振動方向的限制，具有實際的應用價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供優(yōu)選實施例光纖型振動傳感測量系統(tǒng)的示意圖。

圖2振動懸臂梁彎曲模型圖。

圖3全光驅(qū)動示意圖。

圖4刻槽型光纖光柵的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為光纖型振動傳感器監(jiān)測模塊示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、詳細地描述。所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例。

本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案是，

如圖1所示為本發(fā)明的光纖型振動傳感測量系統(tǒng)的工作原理。脈沖光源信號產(chǎn)生一定光信號，沿著傳輸光纖方向進行傳遞，信號光由光纖端傳輸至接口端，接口端將光信號分別傳輸至光纖段，其中經(jīng)光纖段連接到電源端；光纖段的光信號會傳輸?shù)娇勺児馑p器中，經(jīng)過可變衰減器的光信號經(jīng)過光纖傳入到光纖偏振控制器中，經(jīng)過相應的信號處理后進入光電探測模塊進行測量。光驅(qū)動下使得懸臂梁產(chǎn)生振動，光信號通過光隔離器及耦合器后可以檢測光纖端面，測試質(zhì)量塊可以實現(xiàn)振動振幅及加速度信號的探測，加速度產(chǎn)生懸臂梁的相對位移變化來轉(zhuǎn)換為光信號的變化，檢測光信號變化轉(zhuǎn)換為測量載體的加速度及振幅。光纖型振動傳感測試系統(tǒng)主要包括振動系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)，振動裝置包括：通過上下對稱的質(zhì)量塊6固定在敏感懸臂梁5的末端，懸臂梁的另外一段作為固定端，固定端連接支撐梁3進而構(gòu)成一個振動結(jié)構(gòu)，刻槽型光纖光柵4黏貼在懸臂梁的上面。振動系統(tǒng)通過懸臂梁與外部支撐結(jié)構(gòu)體連接器7進行相應的銜接，光脈沖9所產(chǎn)生的壓力可以達到驅(qū)動機械振動的作用，帶動振動質(zhì)量塊在平衡位置附近進行振動，進而產(chǎn)生線動量。檢測系統(tǒng)會對懸臂梁振動的振幅進行檢測。單脈沖能量與振動梁的最大振幅成正相關的關系。敏感臂的長度主要通過質(zhì)量塊6大小及在受迫振動時的波長決定。振動部件因受到驅(qū)動工作在第一振動模態(tài)也稱驅(qū)動模態(tài)；當在第一振動模態(tài)垂直方向有輸入時，這時振動部件效應就會產(chǎn)生一個第一振動模態(tài)下的第二振動模態(tài)也稱敏感模態(tài)，并且該模態(tài)與振動強度成正比關系。

所述的探測模塊主要包括X軸方向及Z軸方向平面探測模塊和支撐模塊。

所述的支撐模塊包括支撐梁3、懸臂梁5、支撐梁剛性梁7。

(1)如圖2是振動懸臂梁彎曲模型圖。首先對刻槽型光纖光柵4在懸臂梁的黏貼點進行分析。用ANSYS有限元軟件對懸臂梁進行建模仿真計算，分析不同振動情況下懸臂梁位移和應力分布參數(shù)，對所得的參數(shù)進行整理分析從中得出位移和能量最敏感點作為光纖光柵的黏貼點；將光纖2在懸臂梁一端固定10，另一端施加一個應力，將有刻槽型光纖光柵的一端固定。通過仿真分析可知，無論懸臂梁自由端放置多大的質(zhì)量塊，其位移分布和應力分布都有相同的規(guī)律：離質(zhì)量塊6越近即離固定端越遠的點，位移越大；離質(zhì)量塊越遠即離固定端越近的黏貼點10，應力越大即彎曲形變越大；

(2)如圖3為全光驅(qū)動系統(tǒng)示意圖。當高功率的脈沖激光束聚焦后輻射在懸臂梁上時，由于輻射區(qū)內(nèi)吸收了激光的能量，將在其表面產(chǎn)生一團高溫高壓的等離子體。這些離子體不斷吸收來自激光的能量，并迅速向四周的介質(zhì)中擴張，進而形成一道等離子沖擊波，受反作用力的作用，輻射靶面將受到一個陣面陡峭的面沖擊載荷。如圖3所示。形成相應的沖擊，激光沖擊波的峰壓和光斑面積、激光的頻率、激光平均功率、脈寬、靶材的屬性特征都有關系，合理選擇激光的參數(shù)進行適當優(yōu)化，將會極大地提高激光沖擊波的驅(qū)動效果。

根據(jù)這個過程中的能量守恒定律，提出了材料受到的峰值壓力的計算公式：

在該式中，ρ₀(g/cm³)表示20攝氏度空氣的密度，α為等離子體熱能占內(nèi)能的比例，通常取0.25；I₀(GW/cm²)為激光的功率密度。同時I₀與激光各參數(shù)的關系滿足式

式中I₀(GW/cm²)為功率密度，P(GW)為平均功率，f(Hz)是激光頻率，τ(s)為激光脈寬，A(cm²)為激光的光斑面積。若激光功率密度為I₀，激光單脈沖能量為E，脈寬為τ，光斑面積為A，則它們的關系將滿足式(3):

將上述的參數(shù)帶入式(3)中求得激光功率密度I_o，再將求得的I₀帶入式(1)中可以求得材料受到的激光壓力的峰值P_max(GP_a)

激光的單脈沖能量6越大，產(chǎn)生的等離子團就越大，故誘導產(chǎn)生的沖擊波也越強繼而激發(fā)的振動幅度就越大。事實上，激光沖擊波實驗中很多導致振動發(fā)生突變的因素，首先，激光等離子體的作用本身就是一個高度的非線性過程，在等離子體產(chǎn)生和潰滅的前后不斷發(fā)生著逆韌致吸收和共振吸收等光子和電子的能量交換，相當一部分能量轉(zhuǎn)換為材料和空氣的內(nèi)能以及光波輻射。此外，激光對懸臂梁材料的作用也有不確定性，比如材料表面的氧化程度以及材料受到激光熱效應后的變形程度等等。

(3)如圖4所示為刻槽型光纖光柵的結(jié)構(gòu)示意圖?？滩坌凸饫w光柵主要是由光纖包層及纖芯構(gòu)成，刻槽結(jié)構(gòu)區(qū)只存在單側(cè)區(qū)域，當外界施加一定的光驅(qū)動作用于敏感臂上，臂上會導致相應振動，會導致懸臂梁發(fā)生彎曲，刻槽型光纖光柵在彎曲下會發(fā)生一定的褶皺型結(jié)構(gòu)，從而激發(fā)高階包層模的耦合，使得光傳輸譜發(fā)生相應的變化。

(4)如圖5位光纖型振動傳感器監(jiān)測模塊示意圖。激光器發(fā)射的光束通過第一段光纖射入分光鏡，由分光鏡分成兩束并分別進入光纖段形成信號光、參考光，并形成信號臂、參考臂。信號光由光纖端傳輸至接口端，接口端將光信號分別傳輸至光纖段，其中經(jīng)光纖段連接到電源端；光纖段的光信號會傳輸?shù)娇勺児馑p器中，經(jīng)過可變衰減器的光信號經(jīng)過光纖傳入到光纖偏振控制器中，經(jīng)過相應的信號處理后進入探測模塊進行測量。測量后光纖段輸入平衡光探測器將光信號進行轉(zhuǎn)化為電信號。最后將信號傳輸?shù)诫娮宇l譜分析儀上。光隔離器是容易變的，可以通過光電二極管來實現(xiàn)，隔離器通過光纖連接到光耦合器中，主要通過檢測光信號變化轉(zhuǎn)換為測量載體的加速度及振幅。

以上這些實施例應理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。在閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權利要求所限定的范圍。