光纖動態(tài)檢測技術(shù)的研究與進展

摘要首先，在論述光纖傳感器基木理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點以兩類典型的傳光型光纖傳感器一反射式光纖位移傳感器及透射式光纖傳感帶為對象，討論了其檢測原理和關(guān)鍵技術(shù)，以及在大型旋轉(zhuǎn)機械支承一滑動軸承的潤滑膜狀態(tài)信息和轉(zhuǎn)子振動信息、航空發(fā)動機渦輪葉尖間隙、燃油流量及人體位姿信息等重要工程參數(shù)檢測中的應(yīng)用;其次，分析了兩種典型的傳感型光纖傳感器一光強調(diào)制型光纖曲率傳感器和Yragg光纖光柵傳感器的檢測原理和關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了它們分別在機匣變形動態(tài)測量和齒輪應(yīng)力應(yīng)變動態(tài)測量中的應(yīng)用;最后，基于這兩類臾型光纖傳感器的特點及工程應(yīng)用，對光纖動態(tài)檢測技術(shù)進行了總結(jié)和展望。1國內(nèi)外光纖傳感檢測技術(shù)的發(fā)展對光纖動態(tài)檢測技術(shù)的研究起步于20世紀60年代中后期，科技工作者利用光纖不僅能夠傳導(dǎo)光波，而且能在傳播光波的過程中表征出光波特征參量隨外界作用的變化規(guī)律這一特點，將待測量與光纖內(nèi)的光信號傳輸特性聯(lián)系起來。Frank｝l｝和Kis-singe產(chǎn)〕先后提出了反射式強度調(diào)制型光纖位移傳感器，并利用其實現(xiàn)了非接觸情況下的位移測量。Reynold、等｝3｝利用反射式光纖傳感器研究了血液漫反射系數(shù)，實現(xiàn)了光纖傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。Cook等川對反射式光強調(diào)制型光纖傳感器進行了系統(tǒng)的研究，并將該傳感器用于沖擊量的測量，使傳光型光纖傳感器得到了進一步發(fā)展。1977年，美國海軍研究所開展了光纖傳感器系統(tǒng)研究計劃（FOSS）｝'｝，標志著對光纖傳感器研究的全而開展。1978年，Hill等困在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖光敏效應(yīng)，并用駐波寫入法制成世界上第1只光纖光柵。同年，Butter等川利用光纖微彎損耗效應(yīng)研制出了光纖應(yīng)變儀，傳感型光纖傳感器的研究開始興起。Meltz等川利用紫外激光干涉法制成Bragg光纖光柵，為光纖光柵制造技術(shù)帶來了重大突破。從此，以光纖光柵等為典型的傳感型光纖傳感器逐步走向?qū)嵱没?。隨著對光纖動態(tài)檢測技術(shù)的深入研究，可對光信號的強度、相位、頻率、偏振態(tài)、波長等參數(shù)進行調(diào)制的光纖傳感器達到了近百種。歐美發(fā)達國家先后開展了一系列光纖傳感研究計劃，有NASA的光纖陀螺儀研究計劃（FOU）｝、'｝和數(shù)字光纖控制系統(tǒng)研究計劃（AD（）SS戶?！?、飛機發(fā)動機監(jiān)控研究計劃（AEM戶1〕等，光纖傳感技術(shù)開始進入航空航天等高科技尖端領(lǐng)域。與此同時，一系列民用光纖研究計劃也得到大力發(fā)展。在20世紀70年代，我國開始大力研究光纖動態(tài)檢測技術(shù)，鉆研并攻克其中的各種關(guān)鍵問題，取得諸多突破性進展。自21世紀起，我國將光纖傳感技術(shù)列入“八六三”及“九七三”計劃的重點課題項目，使得我國自主光纖動態(tài)檢測技術(shù)的研究得到了重點關(guān)注和快速發(fā)展，并在國內(nèi)逐步形成了一定規(guī)模的技術(shù)實力和應(yīng)用領(lǐng)域，從而使光纖傳感器開始在智能結(jié)構(gòu)、工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)療、自然保護以及人們?nèi)粘Ｉ钪T領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。相應(yīng)地，對光纖動態(tài)檢測技術(shù)的研究，己逐步成為傳感檢測領(lǐng)域的前沿課題。2光纖傳感器的檢測原理及基本類型1光纖傳感器的檢測原理光信號是光纖傳感器的主要信號載體。早在1985年，科學(xué)家Maxwell就證實了光是一種電磁波，將光信號記作矢量E,可表示為如下形式E=Bsin（oj/+護）光纖傳感器的工作主要是檢測被待測量調(diào)制后的光信號特征，對其研究主要集中在以下5種光波參數(shù)隨待測物理量變化的動態(tài)變化規(guī)律。1）光強1:光強信息可由光探測器直接檢測，其與矢量B的大小有關(guān)。2）相位獷:一般通過干涉法將相位信息轉(zhuǎn)換成光強來測量。3）偏振態(tài):主要利用光學(xué)中的旋光現(xiàn)象和雙折射現(xiàn)象等進行檢測，其與矢量B的方向有關(guān)。4）頻率f.:主要利用光纖的受激Brillion散射、Ra-man散射等非線性效應(yīng)或Doppler光學(xué)效應(yīng)，檢測光信號頻率的變化規(guī)律，其與角頻率、有關(guān)（Cf=cu｝2n）o5）波長幾:主要通過檢測光譜或F-P干涉濾光方式來檢測光信號波長的變化規(guī)律。2光纖傳感器的基本類型根據(jù)光纖在傳感器中的作用，可將光纖傳感器分為傳光型和傳感型兩類光纖傳感器。傳光型光纖傳感器是一種非功能型光纖傳感器，其中光纖只作為傳導(dǎo)介質(zhì)，光信號是在光纖外部被待測量調(diào)制的，它的結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)。例如反射式光強調(diào)制型光纖位移傳感器、透射式光強調(diào)制型光纖位姿傳感帶、利用黑體輻射現(xiàn)象的光纖溫度傳感器，以及利用Doppler效應(yīng)的激光速度計等都屬于傳光型光纖傳感器。傳感型光纖傳感器是一種功能型光纖傳感器，其中的部分光纖本身就是敏感元件，光信號在光纖內(nèi)部被待測量調(diào)制，'已的結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度更高。例如，利用光纖彎曲損耗特性制成的曲率傳感器＞Bragg光纖光柵應(yīng)力傳感器等都屬于傳感型光纖傳感器。3傳光型光纖傳感器及其工程應(yīng)用1傳光型光纖傳感器的檢測原理如圖1所示，傳光型光纖傳感器工作原理如下:光源發(fā)出一定功率的光，經(jīng)過發(fā)射光纖到達外部傳感環(huán)境后，光信號的強度、頻率、波長、相位或偏振態(tài)被待測量調(diào)制。調(diào)制完成的光信號，經(jīng)過接收光纖返回到光探測器內(nèi)轉(zhuǎn)換成電信號，通過信號解調(diào)和數(shù)據(jù)采集，由上位機對解調(diào)后的信號進行運算，便能完成對待測量的檢測。在傳光型光纖傳感器中，強度調(diào)制型傳感器是最常見的形式。筆者結(jié)合自己的科研實踐，在此著重對兩種典型的強度調(diào)制型光纖傳感器的檢測原理、關(guān)鍵技術(shù)以及在工程中的典型應(yīng)用分別進行分析論述。待測量待測量圖1傳光型光纖傳感器匚作原理2反射式光纖位移傳感器及其工程應(yīng)用3.2.1反射式光纖位移傳感器檢測原理反射式光纖位移傳感器是出現(xiàn)最早、發(fā)展最成熟的一類光纖傳感器Ciz7。如圖2所示，它的工作原理如下:光源發(fā)出的光束通過發(fā)射光纖照射到待測物體表而后發(fā)生反射，反射光部分或全部進入接收光纖，接收光纖被反射光斑覆蓋的而積隨探頭和被測物體的間距變化而改變，即接收反射光總量被待測位移量調(diào)制而產(chǎn)生了變化因此，對接收光信號的強度值進行分析就能得到待測的位移信息。反射囲7匕圖反射囲7匕圖2反射式光纖位移傳感器匚作原理3.2.2反射式光纖位移傳感器中的關(guān)鍵技術(shù)反射式光纖位移傳感器的關(guān)鍵技術(shù)主要包括探頭設(shè)計、光路補償方法、前置處理器設(shè)計以及智能化設(shè)計中所必須的軟件補償方法等4個方而。其中，探頭設(shè)計需根據(jù)待測參數(shù)的變化規(guī)律和工作環(huán)境，綜合考慮光纖的纖芯半徑、數(shù)值孔徑、傳播介質(zhì)的折射率等幾個參數(shù)ys7。同時，為了消除反射而特性及入射光波動等因素的影響，光纖探頭常采用雙光路補償結(jié)構(gòu)。例如，筆者設(shè)計出了一種雙圈同軸的光纖傳感探頭?門，可實現(xiàn)對輸出光信號的硬件補償以消除反射而及光纖制造時引入的干擾。接收光信號還要通過合理的光電轉(zhuǎn)換、放大濾波等前置處理電路后，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將檢測結(jié)果輸入至上位機，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、形態(tài)學(xué)濾波等軟件補償方式對信號進行補償ys.ls｝，并經(jīng)過時域、頻域等運算分析，得到光信號特征參數(shù)的變化規(guī)律，實現(xiàn)對待測量的檢測。

上位機測點占ZSZ覽纖操頭A0.2最小袖膜庁度信號時域波冊佃位角討城披私鶴牆打嚴響測％信號踐討轉(zhuǎn)攤0.30.4測燦油脫廳度測點E信號踐注轉(zhuǎn)檢上位機測點占ZSZ覽纖操頭A0.2最小袖膜庁度信號時域波冊佃位角討城披私鶴牆打嚴響測％信號踐討轉(zhuǎn)攤0.30.4測燦油脫廳度測點E信號踐注轉(zhuǎn)檢%00J圖3潤滑油膜厚度檢測光纖禱感系統(tǒng)光電料換除法大抉塊欖塊--N減纖和:榕傳屆器源IXL-光電菇換斗陽法K-'n--?由\￡l.JX-、大模塊弍崔址3.2.3反射式光纖位移傳感器在大型旋轉(zhuǎn)機械潤滑油膜及轉(zhuǎn)子振動檢測中的應(yīng)用在液體動壓潤滑中，潤滑油有減輕軸承摩擦和承受載荷的作用，'已的動態(tài)特性特別是最小油膜厚度值，直接影響著整個機械系統(tǒng)運行的品質(zhì)。傳統(tǒng)測量油膜狀態(tài)的方法中，電渦流法測量精度低，易受電磁干擾影響;而光干涉法標定困難，安裝復(fù)雜。因此，筆者基于反射強度調(diào)制式光纖位移傳感器的工作原理，提出了一種雙圈同軸反射式光纖位移傳感器的設(shè)計理念，開發(fā)了相應(yīng)的用于檢測潤滑油膜動態(tài)信息的兩點光纖檢測系統(tǒng)｝1:〔皿｝,如圖3所示。其工作原理為:采用兩路相互垂直的雙圈同軸反射式光纖位移傳感器測得兩路油膜厚度動態(tài)值，求出軸頸動態(tài)圓心）'的坐標（二，，Y），從而推知旋轉(zhuǎn)機械支撐的滑動軸承最小潤滑油膜厚度動態(tài)值及其偏位角。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，具有較強的抗干擾能力。針對大型旋轉(zhuǎn)機械中的關(guān)鍵參數(shù)一轉(zhuǎn)子振動值，筆者設(shè)計了一種檢測轉(zhuǎn)子振動信息的光纖傳感器系統(tǒng)Cl%7,如圖4所示。該傳感器能夠克服電渦流傳感器的局限，通過二，y軸方向的兩個雙圈同軸光纖位移傳感器得到轉(zhuǎn)子振動的軸心軌跡，并能參考轉(zhuǎn)速傳感器信號，通過前置電路處理和數(shù)據(jù)采集，由上位機運算可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子振動信息的動態(tài)測量。，方向吒纖儒感賒轉(zhuǎn)速傳感器圖4轉(zhuǎn)了振動測量光纖傳感器示意圖，方向吒纖儒感賒轉(zhuǎn)速傳感器圖4轉(zhuǎn)了振動測量光纖傳感器示意圖3.2.4反射式光纖位移傳感器在航空發(fā)動機關(guān)鍵參數(shù)檢測中的應(yīng)用在航空發(fā)動機中，渦輪葉尖間隙值和發(fā)動機流量值都是表征發(fā)動機運行健康狀態(tài)的重要參數(shù)。其中，渦輪葉尖間隙過大會降低發(fā)動機效率，過小則會導(dǎo)致碰磨引發(fā)事故?呂認而燃油流量則是評價航空器運行性能的指標。檢測這些參數(shù)的常用機載傳感器多為電磁式傳感器，受航空發(fā)動機全工況下氣體電離等干擾影響，檢測精度較低。因此，筆者分別構(gòu)建了一種基于雙圈同軸反射式位移傳感器的航空發(fā)動機葉尖間隙光纖檢測系統(tǒng)，以及一種航空發(fā)動機燃油流量光纖檢測系統(tǒng)如圖5所示，航空發(fā)動機葉尖間隙光纖動態(tài)檢測系統(tǒng)的工作原理如下:將光纖探頭安裝在葉片頂部的機匣上，光源發(fā)出的光經(jīng)發(fā)射光纖到達渦輪葉片葉尖頂端后被反射，接收光纖接收到反射光信號并進行處理，可以得到渦輪葉片的頂部與機匣內(nèi)表而之間的動態(tài)間隙值，再參考轉(zhuǎn)速傳感器的輸出就可得到每個葉片的葉尖間隙動態(tài)值。這種檢測系統(tǒng)或裝置不受葉片材料和高溫環(huán)境的限制，且便于安裝，不破壞發(fā)動機的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此具有很好的檢測精度和工程適應(yīng)性。機匝渦跡片-HV-5V怕號調(diào)瀉電貉光電賓旗思壊據(jù)采粟電動機+U弟Ml-耒Plflp—L|*K1urNi-sifliw—艷■冥機匝渦跡片-HV-5V怕號調(diào)瀉電貉光電賓旗思壊據(jù)采粟電動機+U弟Ml-耒Plflp—L|*K1urNi-sifliw—艷■冥冋吉*肩慚紺pm屮咒”jig運算分靳嗣0M空蠶動:機葉間慷光娜動態(tài)檸測系統(tǒng)原理側(cè)如圖6所示，航空發(fā)動機內(nèi)燃油流量檢測的工作原理如下:基于渦輪流量計，將發(fā)射光纖經(jīng)由導(dǎo)流架安裝在渦輪流量計內(nèi)部，當(dāng)燃油流體驅(qū)動流量計內(nèi)部渦輪旋轉(zhuǎn)時，渦輪葉片周期性地反射光波，使接收光纖接收到的反射光脈沖頻率與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比。通過前置電路處理、數(shù)據(jù)采集和上位機運算可以得到與流量成正比的脈沖信號，進而得到航空發(fā)動機燃油流量的動態(tài)信息，這種新開發(fā)的裝置可以稱其為光纖渦輪流量計。它與常規(guī)的電磁渦輪流量計相比，在線性度、重復(fù)性、穩(wěn)定性、抗電磁干擾能力及量程比等方而具有明顯的優(yōu)勢。1況纖探頭,卷渦輪葉片;31況纖探頭,卷渦輪葉片;3?汰-蘭;4?導(dǎo)流架導(dǎo)流葉片;5?軸承插孔翻板;任軸承;7?折卸用圓環(huán)舟殼休國6航空發(fā)朋機燃汕流呈檢測址纖傳感孝址原理國5總結(jié)光纖傳感器作為一種迅速發(fā)展的新型檢測工具，和傳統(tǒng)的機械電子傳感器相比，可完成強干擾及狹小環(huán)境下的測量任務(wù)，但光纖動態(tài)檢測技術(shù)