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

1、振動是現(xiàn)代工程技術(shù)領(lǐng)域常見的一種物理現(xiàn)象，大部分的振動都會對振動對象帶來損害。如何有效的利用和控制振動現(xiàn)象，最大限度的消除振動帶來的破壞性損傷，成為工程技術(shù)人員的一個重要研究課題。從20世紀初直到今天，振動檢測技術(shù)得到了巨大的發(fā)展，振動檢測技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了機械式，電氣式，和光學式測量三個階段。機械式測振儀由于精度低，易磨損，信號不能傳輸?shù)热秉c，已經(jīng)被淘汰；電氣式振動傳感器因其技術(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行絕

2、緣處理，易受電磁干擾難以達到安全生產(chǎn)的目的；針對電氣式傳感器的這些弊端，人們紛紛將目光投向光學傳感測量技術(shù)。其中，光纖傳感技術(shù)因具有傳感精度高、測量范圍廣、傳輸容量大、本質(zhì)安全、抗電磁干擾等優(yōu)點代表著新一代光傳感器的發(fā)展方向?；趶姸?、頻率、波長、偏振調(diào)制等多種形式的光纖傳感器廣泛應(yīng)用于社會的多個領(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在特殊結(jié)構(gòu)的熔錐區(qū)發(fā)生耦合，實現(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?，實現(xiàn)光功率的分配。光纖耦合器的耦合輸出對光纖耦合區(qū)長度和耦合區(qū)折射率的變化非常敏感，利用這一特點，可以制成耦合型光纖應(yīng)變傳感器和耦合型光纖振動傳感器，通過對傳感器耦合輸出變化的

4、測量，實現(xiàn)對外界振動信號的檢測。 本文通過對熔錐形單模光纖耦合器耦合機理的研究，推導(dǎo)出了單模光纖耦合器耦合輸出在振動作用下的變化規(guī)律，提出了以單模光纖耦合器作為傳感元件實現(xiàn)振動信號檢測的新思想。主要研究了以下幾個方面的內(nèi)容： 1.概述了振動測量技術(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)簡單、成本低廉、靈敏度高、頻率范圍大等特點，對國內(nèi)外的研究歷程和研究動態(tài)進行了綜述，闡述了光纖耦合

5、器用于振動測量的理論意義和潛在的應(yīng)用價值。 2.根據(jù)兩平行光波導(dǎo)橫向耦合機理，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度和折射率變化的數(shù)學關(guān)系模型。分析了振動對耦合輸出的影響，將振動對耦合

6、輸出的影響分為低頻振動和高頻振動兩種情況，結(jié)合二階單自由度受迫振動系統(tǒng)研究了低頻振動情況下耦合輸出的變化規(guī)律；通過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對耦合輸出的影響。推導(dǎo)出了耦合輸出與振動的關(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現(xiàn)振動信號測量的新思想。 3.利用導(dǎo)得的光纖耦合輸出的理論計算公式，求出耦合輸出比與耦合區(qū)應(yīng)變對應(yīng)關(guān)系的精確計算公式，采用螺旋測微儀對光纖耦合器的應(yīng)變特

7、性進行研究，避免了懸臂梁結(jié)構(gòu)自重，梁的振動等不可控因素對測量結(jié)果的影響，有效提高了測量精度。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下的響應(yīng)效果，并和壓電傳感器進行了對比，試驗結(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)變和振動的測量。 4.設(shè)計了兩種耦合區(qū)長度變化主導(dǎo)的耦合型光纖振動傳感器。一種是將特殊工藝制作的耦合器粘貼在懸臂梁上，

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

9、成反比，當耦合區(qū)截面半徑小于20μm時，耦合區(qū)的應(yīng)變隨振動發(fā)生明顯變化，較細的耦合區(qū)起到一個振動轉(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的精確計算公式；采用這種方法制作的耦合型通用光纖振動傳感器可以實現(xiàn)對300Hz以下振動的測量。 5.設(shè)計了一種耦合區(qū)折射率變化主導(dǎo)的耦合型光纖振動傳感器。根據(jù)彈性力學和光纖光學的理論，耦合器在高頻振動作用下，分子間因相互作用力發(fā)生改變而產(chǎn)生相對位移導(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)部形成一個折射率周期波動的位相光柵，折射率的變化會引起介電常數(shù)和耦合系數(shù)的波動使耦合輸出發(fā)生改變，導(dǎo)出了高頻振動引起耦合輸出變化的精確計算公式。針對復(fù)合材料與智能結(jié)構(gòu)性能評估中需要進行高頻響應(yīng)檢測的要求設(shè)計了耦合型高頻光纖振動傳感器，對8KHz以下振動信號進行了測量，取得了理想地測量結(jié)果；同時討論了傳感器對不同強度和不同方向信號的響應(yīng)特性。 6.設(shè)計了一套完整的耦合型光纖振動檢測系統(tǒng)。由于耦合輸出功率很小(

11、一般是nW量級)，選擇高靈敏度，低噪聲的光電二極管，設(shè)計了對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換和二級放大濾波電路。采用了差動/比例放大解調(diào)電路，通過檢測耦合器兩輸出端的輸出功率之差實現(xiàn)對振動的測量，有效的避免振動檢測系統(tǒng)光源的波動和電路的噪音對測量結(jié)果的影響。選擇適當?shù)臄?shù)據(jù)采集卡以及應(yīng)用軟件(LabVIEW)實現(xiàn)振動參數(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行信號處理，通過模平方法使得小波系數(shù)中的噪聲部分和信號部分的差值增加，促進信噪分離。利用本

12、文導(dǎo)出的系列結(jié)論和試驗驗證的結(jié)果，將設(shè)計的耦合型光纖傳感器應(yīng)用于具體的檢測系統(tǒng)。采用耦合型光纖振動傳感器制作動態(tài)汽車稱重儀，在車速低于20KM/h的范圍內(nèi)，測量汽車重量的誤差小于5％，解決了目前動態(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，實現(xiàn)了低成本，高效率的動態(tài)秤重方案；將耦合型光纖振動傳感器用于大型發(fā)電機定子繞組振動的在線監(jiān)測，取得了理想地測量結(jié)果。 7.對耦合型光纖傳感器的理論和試驗工作進行了總結(jié)，并分析了理