基于局部模式耦合理論的耦合型光纖振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究.pdf

1、振動(dòng)是現(xiàn)代工程技術(shù)領(lǐng)域常見的一種物理現(xiàn)象，大部分的振動(dòng)都會(huì)對(duì)振動(dòng)對(duì)象帶來(lái)?yè)p害。如何有效的利用和控制振動(dòng)現(xiàn)象，最大限度的消除振動(dòng)帶來(lái)的破壞性損傷，成為工程技術(shù)人員的一個(gè)重要研究課題。從20世紀(jì)初直到今天，振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)得到了巨大的發(fā)展，振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了機(jī)械式，電氣式，和光學(xué)式測(cè)量三個(gè)階段。機(jī)械式測(cè)振儀由于精度低，易磨損，信號(hào)不能傳輸?shù)热秉c(diǎn)，已經(jīng)被淘汰；電氣式振動(dòng)傳感器因其技術(shù)成熟，靈敏度較高得到了廣泛地應(yīng)用，但電氣式傳感器需要進(jìn)行絕

2、緣處理，易受電磁干擾難以達(dá)到安全生產(chǎn)的目的；針對(duì)電氣式傳感器的這些弊端，人們紛紛將目光投向光學(xué)傳感測(cè)量技術(shù)。其中，光纖傳感技術(shù)因具有傳感精度高、測(cè)量范圍廣、傳輸容量大、本質(zhì)安全、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)代表著新一代光傳感器的發(fā)展方向。基于強(qiáng)度、頻率、波長(zhǎng)、偏振調(diào)制等多種形式的光纖傳感器廣泛應(yīng)用于社會(huì)的多個(gè)領(lǐng)域。 熔錐型單模光纖耦合器是應(yīng)用最廣泛地光纖元器件之一，其功能是使傳輸中的光信號(hào)在特殊結(jié)構(gòu)的熔錐區(qū)發(fā)生耦合，實(shí)現(xiàn)分(合)光，因而可以

3、用作濾波器，分束器和偏振器等。其制造過(guò)程為：將兩根去除涂覆層的單模光纖以一定的方式靠攏，在高溫下加熱熔融，同時(shí)向兩側(cè)拉伸，最終產(chǎn)生一段雙向圓錐結(jié)構(gòu)，入射光在這個(gè)雙錐體結(jié)構(gòu)的熔錐區(qū)發(fā)生光功率再分配，一部分光從“直通臂”繼續(xù)傳輸，另一部分光從“耦合臂”傳輸?shù)搅硪还饴?，?shí)現(xiàn)光功率的分配。光纖耦合器的耦合輸出對(duì)光纖耦合區(qū)長(zhǎng)度和耦合區(qū)折射率的變化非常敏感，利用這一特點(diǎn)，可以制成耦合型光纖應(yīng)變傳感器和耦合型光纖振動(dòng)傳感器，通過(guò)對(duì)傳感器耦合輸出變化的

4、測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)。 本文通過(guò)對(duì)熔錐形單模光纖耦合器耦合機(jī)理的研究，推導(dǎo)出了單模光纖耦合器耦合輸出在振動(dòng)作用下的變化規(guī)律，提出了以單模光纖耦合器作為傳感元件實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)的新思想。主要研究了以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： 1.概述了振動(dòng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，討論了耦合型光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用背景及相比較于其它光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、靈敏度高、頻率范圍大等特點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究歷程和研究動(dòng)態(tài)進(jìn)行了綜述，闡述了光纖耦合

5、器用于振動(dòng)測(cè)量的理論意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。 2.根據(jù)兩平行光波導(dǎo)橫向耦合機(jī)理，導(dǎo)出了平行光波導(dǎo)耦合輸出的數(shù)理微分方程。將兩相同單模光纖熔錐形成的截面緩變的耦合器分解成多個(gè)截面相等的局部，提出了采用局部模式耦合的思想研究光波在兩耦合光纖中的傳輸規(guī)律，在局部采用兩平行光波導(dǎo)耦合理論分析了光的耦合現(xiàn)象，獲得了精確的耦合輸出函數(shù)和變化曲線，建立了耦合器耦合輸出與耦合長(zhǎng)度和折射率變化的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。分析了振動(dòng)對(duì)耦合輸出的影響，將振動(dòng)對(duì)耦合

6、輸出的影響分為低頻振動(dòng)和高頻振動(dòng)兩種情況，結(jié)合二階單自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng)研究了低頻振動(dòng)情況下耦合輸出的變化規(guī)律；通過(guò)分析材料的彈光效應(yīng)導(dǎo)致折射率發(fā)生改變從而影響耦合輸出變化研究了高頻振動(dòng)對(duì)耦合輸出的影響。推導(dǎo)出了耦合輸出與振動(dòng)的關(guān)系方程，在此基礎(chǔ)上提出了以單模光纖耦合器為傳感元件實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)測(cè)量的新思想。 3.利用導(dǎo)得的光纖耦合輸出的理論計(jì)算公式，求出耦合輸出比與耦合區(qū)應(yīng)變對(duì)應(yīng)關(guān)系的精確計(jì)算公式，采用螺旋測(cè)微儀對(duì)光纖耦合器的應(yīng)變特

7、性進(jìn)行研究，避免了懸臂梁結(jié)構(gòu)自重，梁的振動(dòng)等不可控因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，有效提高了測(cè)量精度。另外，將光纖耦合器粘貼在懸臂梁結(jié)構(gòu)上，獲取了耦合器在沖擊和振動(dòng)下的響應(yīng)效果，并和壓電傳感器進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果和理論分析相一致。熔融拉錐式單模光纖耦合器不但具有應(yīng)力敏感性，同時(shí)具有較好的溫度穩(wěn)定性和橫向抗干擾性，可以用于應(yīng)變和振動(dòng)的測(cè)量。 4.設(shè)計(jì)了兩種耦合區(qū)長(zhǎng)度變化主導(dǎo)的耦合型光纖振動(dòng)傳感器。一種是將特殊工藝制作的耦合器粘貼在懸臂梁上，

8、振動(dòng)過(guò)程中懸臂梁長(zhǎng)度的變化引起耦合區(qū)長(zhǎng)度發(fā)生變化，建立了懸臂梁振動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，將振動(dòng)引起的懸臂梁的應(yīng)變量帶入耦合器輸出的計(jì)算公式，得出耦合輸出與振動(dòng)的精確計(jì)算公式并采用MATLAB進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)適用于基礎(chǔ)建筑設(shè)施健康檢測(cè)要求的耦合型低頻光纖振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)10Hz以下振動(dòng)的精確測(cè)量。另外一種是將耦合器懸空固定在一個(gè)有V型槽的中空鋁合金塊上，根據(jù)材料力學(xué)的理論，振動(dòng)過(guò)程中耦合區(qū)的應(yīng)變主要集中在耦合區(qū)最細(xì)的部位，應(yīng)變與耦合區(qū)截面半徑的平方

9、成反比，當(dāng)耦合區(qū)截面半徑小于20μm時(shí)，耦合區(qū)的應(yīng)變隨振動(dòng)發(fā)生明顯變化，較細(xì)的耦合區(qū)起到一個(gè)振動(dòng)轉(zhuǎn)換器的作用，給出了變化關(guān)系曲線并得到了耦合輸出與振動(dòng)的精確計(jì)算公式；采用這種方法制作的耦合型通用光纖振動(dòng)傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)300Hz以下振動(dòng)的測(cè)量。 5.設(shè)計(jì)了一種耦合區(qū)折射率變化主導(dǎo)的耦合型光纖振動(dòng)傳感器。根據(jù)彈性力學(xué)和光纖光學(xué)的理論，耦合器在高頻振動(dòng)作用下，分子間因相互作用力發(fā)生改變而產(chǎn)生相對(duì)位移導(dǎo)致介質(zhì)密度的變化，引起光纖耦合區(qū)

10、折射率的變化并在光纖內(nèi)部形成一個(gè)折射率周期波動(dòng)的位相光柵，折射率的變化會(huì)引起介電常數(shù)和耦合系數(shù)的波動(dòng)使耦合輸出發(fā)生改變，導(dǎo)出了高頻振動(dòng)引起耦合輸出變化的精確計(jì)算公式。針對(duì)復(fù)合材料與智能結(jié)構(gòu)性能評(píng)估中需要進(jìn)行高頻響應(yīng)檢測(cè)的要求設(shè)計(jì)了耦合型高頻光纖振動(dòng)傳感器，對(duì)8KHz以下振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量，取得了理想地測(cè)量結(jié)果；同時(shí)討論了傳感器對(duì)不同強(qiáng)度和不同方向信號(hào)的響應(yīng)特性。 6.設(shè)計(jì)了一套完整的耦合型光纖振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。由于耦合輸出功率很小(

11、一般是nW量級(jí))，選擇高靈敏度，低噪聲的光電二極管，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換和二級(jí)放大濾波電路。采用了差動(dòng)/比例放大解調(diào)電路，通過(guò)檢測(cè)耦合器兩輸出端的輸出功率之差實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的測(cè)量，有效的避免振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)光源的波動(dòng)和電路的噪音對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)采集卡以及應(yīng)用軟件(LabVIEW)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)參數(shù)的采集與分析，采用軟、硬閾值相結(jié)合的小波去噪方法進(jìn)行信號(hào)處理，通過(guò)模平方法使得小波系數(shù)中的噪聲部分和信號(hào)部分的差值增加，促進(jìn)信噪分離。利用本

12、文導(dǎo)出的系列結(jié)論和試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果，將設(shè)計(jì)的耦合型光纖傳感器應(yīng)用于具體的檢測(cè)系統(tǒng)。采用耦合型光纖振動(dòng)傳感器制作動(dòng)態(tài)汽車稱重儀，在車速低于20KM/h的范圍內(nèi)，測(cè)量汽車重量的誤差小于5％，解決了目前動(dòng)態(tài)秤重方案中電類傳感器精度低，成本高，使用壽命短等問題，實(shí)現(xiàn)了低成本，高效率的動(dòng)態(tài)秤重方案；將耦合型光纖振動(dòng)傳感器用于大型發(fā)電機(jī)定子繞組振動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)，取得了理想地測(cè)量結(jié)果。 7.對(duì)耦合型光纖傳感器的理論和試驗(yàn)工作進(jìn)行了總結(jié)，并分析了理