光纖微振動傳感器原理(共7頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上光纖微振動傳感器原理朱磊（機械與電子工程學院 電子信息工程） 指導教師：許海峰摘要：利用光纖共振原理設計和實現(xiàn)了一種光纖微振動傳感器。光纖微振動傳感器主要有兩種結構形式：帶電的微振動傳感器和不帶電的微振動傳感器, 以適應不同環(huán)境的在線檢測。關鍵詞：光纖傳感器 光纖共振 在線檢測Abstract: using fibre resonant design principles and realize a fiber optic micro vibration sensor. Fiber optic micro vibration sensor to basically h

2、ave two kinds of structure form: charged micro vibration sensor and uncharged micro vibration sensor to adapt to different environment of on-line detection. Keywords: optical fiber sensor fiber resonance on-line detection 1.引言光纖具有傳輸損耗小、抗電磁干擾等優(yōu)點, 在傳感器領域內(nèi)已得到廣泛應用。以往的傳光型光纖振動傳感器, 光纖只用于傳輸光而本身并不振動, 主要是利用與被

3、測物相連的探頭振動來進行檢測的。本光纖振動傳感器有別于傳統(tǒng)的光纖振動傳感器, 光纖是隨著被測物的振動而振動的, 在諧振時, 利用共振原理對微小振動能夠放大50100 倍, 最小測量精度為0. 01mm, 還具有在線實時檢測的功能?？捎糜跍y量大型發(fā)電機、房屋以及橋梁等的微振動。光纖微振動傳感器主要有兩種結構形式: 帶電的微振動傳感器和不帶電的微振動傳感器。帶電的微振動傳感器適用于弱磁場和低電壓的環(huán)境下, 如檢測房屋以及橋梁的微振動, 并且成本和造價都比較低; 不帶電的微振動傳感器適用于強磁場和高電壓的環(huán)境下, 如檢測大型發(fā)電機的微振動。這兩種微振動傳感器對溫度都是不敏感的。2.振動原理按照橫向振

4、動理論, 光纖的固有振動頻率為： r=r²EIA=rl2EIR2l2=Kr²EI/R2 （r=1,2,3)式中rl 是方程cosrl * Chrl = - 1 的解, 令Kr = rl, 前三階的特征根為K1= 1.875, K2= 4.694, K3 = 7.855。 為光纖密度, EI 為抗彎剛度，均可認為是常數(shù)； R 為光纖的半徑, A 為光纖的截面積, l 為光纖的振動長度。由此可以看出，光纖的固有振動頻率與光纖長度的平方及光纖的直徑成反比。本光纖微振動傳感器就是利用上述原理制成的。在光纖發(fā)生諧振時, 可以把振幅放大50100 倍, 從而能夠精確測量微振動幅度。3、

5、光纖傳感器結構原理以電為基礎的傳統(tǒng)傳感器是一種把測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的電信號的裝置。它的電源、敏感元件、信號接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導線連接（見圖1）。光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構成（見圖2）。由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導至敏感元件。這時，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘枺詈蠼?jīng)信號處理得到所期待的被測量。由此可見，光纖傳感器與以電為基礎的傳統(tǒng)傳感器相比較，在測量原理上有本質(zhì)的差別。傳統(tǒng)傳感器是以機電測量為基礎，而光纖傳感器則以光學測

6、量為基礎。光是一種電磁波，其波長從極遠紅外的lmm到極遠紫外線的10nm。它的物理作用和生物化學作用主要因其中的電場而引起。因此，討論光的敏感測量必須考慮光的電矢量E的振動，即：E=Asin(t+)A電場E的振幅矢量；光波的振動頻率；光相位；t光的傳播時間。從公式中可知，只要使光的強度、偏振態(tài)(矢量A的方向)、頻率和相位等參量之一隨被測量狀態(tài)的變化而變化，或受被測量調(diào)制，那么，通過對光的強度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進行解調(diào)，獲得所需要的被測量的信息。 4.帶電微振動傳感器的設計帶電微振動傳感器主要由三部分組成: 光源、傳感部分以及光接收處理部分。整個裝置如圖3所示。光源可以采用普通

7、光源, 無需任何特殊要求, 電源由內(nèi)部的電池供應。當然, 如果在比較明亮的環(huán)境下工作, 光源部分可以不予考慮。傳感部分由管子、連接器以及光纖構成, 連接器用螺絲固定在管子上, 而光纖用膠粘劑與連接器相連。連接器內(nèi)部結構如圖4所示。光接收處理部分主要由CCD( 電荷耦合器件) 、圖像采集卡以及計算機組成。CCD 拍攝到的圖像通過圖像采集卡傳入計算機，計算機通過對振動圖像的分析和處理，最后定標顯示, 從而實現(xiàn)對被測物的實時監(jiān)控。由光纖振動傳感器、振動儀、功率發(fā)生器、頻率發(fā)生器、圖像采集卡以及計算機等組成一個振動監(jiān)測系統(tǒng)。5.不帶電微振動傳感器的設計不帶電微振動傳感器是指除了光源和光接收處理部分外，

8、 在整個過程中沒有電的部分，以避免強電磁和高電壓的干擾。不帶電微振動傳感器也由三部分組成：光源、傳感部分以及光接收處理部分，只是設計上有所差異。整個裝置如圖5所示?？紤]到光源帶電, 所以不能直接接在振動傳感器上, 設計中通過一根一定長度的粗光纖將光傳輸?shù)秸駝觽鞲衅髦? 光纖的接口如圖6所示。中間的圓孔接光纖，邊上的四個有螺紋的孔是固定孔。光纖的另一端與圖4所示的連接器右邊進行連接。圖4 的連接器與圖7 管子結構件相連，振動光纖在管子的內(nèi)部，該管子通過左邊嵌有的內(nèi)螺紋，與圖8結構件相連，利用透鏡把振動圖像聚焦在傳像束上，然后通過傳像束把光傳到圖10的CCD 上，最后通過圖像采集卡送到計算機上處理

9、、顯示。圖9 的管子結構件系嵌入在圖內(nèi)螺紋上，主要用于固定凸透鏡，其中的凹槽目的是便于把管子旋進。不帶電微振動傳感器從應用環(huán)境上講比帶電微振動傳感器寬松, 能夠在強電磁和高電壓下工作，不過經(jīng)過幾米長的傳像束之后圖像質(zhì)量會有所下降，清晰度不如帶電微振動傳感器。當然，測量的主要是圖像的振幅，所以測量結果并不會受很大影響。6.軟件的實現(xiàn)軟件主要是用VC來實現(xiàn)的。一塊圖像采集卡同時能夠采集6 路信號，一般的大型發(fā)電機需要十幾個光纖振動傳感器，以測試發(fā)電機重要零件的工作情況。所以軟件設計時，可以6 路信號或12 路信號同時顯示，每路信號的振幅一旦超過一個規(guī)定值時就會報警，表明該零件有可能出故障，應該進行檢修了。通過VC 軟件的視頻控制窗口，可以顯示6 路信號中的任何一路，也可以6 路信號同時顯示。7.結論本文提出了光纖微振動傳感器在硬件和軟件上的實現(xiàn)方案, 根據(jù)不同的環(huán)境設計了帶電的微振動傳感器和不帶電的微振動傳感器,具有一定的實用價值 。 參考文獻 （1）殷宗敏, 周正利, 劉驚驚. 光纖共振測