一种光纤振动传感器、系统及方法与流程

1.本发明涉及一种灵敏度及响应频率可调谐的光纤振动传感器装置，用于各类工业设备及工程结构振动的分布式长期实时在线监测，通过灵敏度及响应频率调谐即可实现单套设备能够满足或适用于不同工程应用环境下的振动监测。


背景技术：

2.复杂环境下各类工业设备及工程结构的振动监测易受到环境、噪声，特征频率等的影响，因而对监测用传感器参数需求各异，导致单一类型传感器难以满足或适应不同工程或工况需求。而现有传感器中以压电类加速度传感器为代表的传统电类传感器虽然具有测量频带宽，灵敏度范围较大的特点；但大量研究及工程实际证明，传统电类传感器在电磁、潮湿复杂环境下生存能力差，稳定性、耐久性，及抗干扰能力上远远不能满足结构长期监测的工程需要。近几年以光纤光栅为代表的光纤加速度传感新技术得到快速发展，其虽然能够克服电类传感器缺点抗干扰能力强，可用于高压，腐蚀等其它恶劣条件；但是目前各类光纤传感器灵敏度固定，响应频率窄，且成本较高，因而功能受限，适用性差，难以同时满足或者适用于不同工业或工程应用需求。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种灵敏度及响应频率可调谐的一种光纤振动传感器、系统及方法，能够实现传感器测量频带宽度与灵敏度的灵活调谐，应用领域范围广，工程适用性强，可分布式，耐久耐候性好，稳定性、重复性及灵敏度高，测量频谱宽，系统结构简单，成本低。
4.本发明的技术解决方案如下：一种光纤振动传感器，其特征在于，包括：弹片，具有第一连接部、第二连接部和第三连接部，第二连接部位于第一连接部与第三连接部之间；第一固定装置，用于将所述弹片在第一连接部固定；第二固定装置，用于将所述弹片在第二连接部固定；所述第二固定装置为可调固定装置，用于调节第二固定装置位于弹片长度方向的不同位置；初始配重块，固定在所述弹片的第三连接部；传感光纤，具有与所述第一固定装置固结的第一固结点和与初始配重块固结的第二固结点；所述传感光纤在第二固结点可随初始配重块同步上下振动。
5.所述第一固定装置包括弹片放置块和弹片压块，所述弹片的第一连接部位于弹片放置块和弹片压块之间。
6.在所述弹片放置块上表面开有限位卡槽；所述弹片位于卡槽内。
7.所述第二固定装置包括调谐滑块和滑动夹持螺母。
8.所述调谐滑块包括中梁和底梁，在中梁和底梁之间设置所述滑动夹持螺母；弹片
位于中梁和滑动夹持螺母之间并被滑动夹持螺母固定在中梁下表面。
9.在所述第三连接部还设置有可变配重块系列，可变配重块系列连接在配重螺母的下端，可变配重块系列的配重根据灵敏度、响应频带宽度的需求增加。
10.所述弹片、第一固定装置、第二固定装置以及初始配重块均安装在一封装外壳内部；在封装外壳上开设有传感光纤穿入和穿出的孔，传感光纤通过穿入和穿出的孔与封装外壳内的初始配重块和第一固定装置固定连接。
11.所述传感光纤与初始配重块和第一固定装置的固定方式为用高强度结构胶粘接。
12.一种光纤振动传感系统，其特征在于，采用上述光纤振动传感器。
13.一种光纤振动传感方法，其特征在于，采用上述光纤振动传感器获取振动信号。
14.与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：本发明光纤振动传感器，用于实现单套设备即可适应或用于不同工程应用环境下的振动监测，通过基于移动滑块的振动长度可变弹片设计及可变配重结构，能够实现对振动传感器响应频率带宽、谐振频率及灵敏度的灵活调谐，进而实现通过单套传感器系统即能够满足各类结构或设备不同监测需求，进而能够适用于广泛工程领域中。
15.光纤传感器所用传感光纤为单模光纤
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热扩束梯度折射率多模光纤
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单模光纤结构。其优点在于能够实现传感器测量频带宽度与灵敏度的灵活调谐，应用领域范围广，工程适用性强，同时具有可分布式，耐久耐候性好，稳定性、重复性及灵敏度高，测量频谱宽，系统结构简单，成本低，适用范围广等特点。
附图说明
16.图1是本发明系统连接图。
17.图2是本发明一种可调谐振动传感器整体结构示意图。
18.图3是本发明的一种传感原理示意图。
19.图4是本发明的一种通过可调弹片9进行调谐响应频率及灵敏度结构示意图。
20.图5是本发明的一种通过不同配重质量进行调谐响应频率及灵敏度结构示意图。
21.图6是通过可调弹片9调谐响应频率实验结果图。
22.图7是通过不同配重质量调谐响应频率实验结果图。
23.图8是通过可调弹片9在部分频段调谐灵敏度实验结果图。
24.图9是通过不同配重质量在部分频段调谐灵敏度实验结果图。
25.图10是本发明的一种多通道
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实施方式示意图。
具体实施方式
26.以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
27.下面结合图1
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图5具体说明本系统实施方式。
28.如图1所示，光纤振动传感系统，包括激光二极管1、振动传感器2、光电探测器3、数据采集卡4、信号分析处理部分5和电脑6。各部件的连接关系为：激光二极管1的输出端连接振动传感器2输入端，光纤振动传感器2输出端与光电探测器3输入端连接；这三个器件串联组成一路振动信号传感探测通道，光电探测器3输出端依次串联多通道数据采集卡4、信号分析及处理系统5及电脑6显示。激光二极管1发光进入振动传感器2，由于热扩束梯度折射
率多模光纤中自聚焦被破坏，从而产生多种传播模式的光信号，多种模式间由于光程差的不同而相互干涉 ；当振动信号作用在光纤振动传感器2时，振动导致多模光纤弯曲，从而使干涉状态发生改变，从振动传感器2输出时，光信号强度所产生的变化与振动频率对应；然后光信号进入光电探测器3，光信号经过光电探测器3后输出的电信号由多通道数据采集卡4进行采集，再由信号分析处理部分5对信号进行分析，得到电信号中包含振动信号的实时变化，然后由电脑6显示。
29.激光二极管1采用同轴无隔离fp腔激光二极管；光电探测器3采用铟镓砷pin光电探测器。
30.光纤振动传感器结构如图2所示，包括：弹片放置块8，上表面开有限位卡槽。
31.长度可调弹片9，一侧置于弹片放置块8限位卡槽上；长度可调弹片9的材质可选择采用铍青铜、65号锰钢，42号锰钢三种不同材料，以实现对不同灵敏度需求的设计。
32.弹片压块10，将长度可调弹片9紧压在弹片放置块8的限位卡槽内，使将长度可调弹片9与弹片压块10形成第一固定点；初始配重块11，置于长度可调弹片9的另一侧，通过配重螺母12与长度可调弹片9连接；可变配重块系列13，连接在配重螺母12的下端，为可变配种，根据灵敏度、响应频带宽度的需求增加；调谐滑块15，置于长度可调弹片9与弹片放置块8和初始配重块11的两个连接部之间，并具有一水平滑动段，用于在长度可调弹片9上形成第二固定点。
33.传感光纤14，具有与弹片压块10上端固结的第一固结点和与初始配重块11上端固结的第二固结点。传感光纤14在与初始配重块11上端的第二固结点处可随初始配重块11的同步振动。
34.配重部分由初始配重块、配重螺母、可变配重块系列组成；用配重螺母将初始配重块与长度可调弹片连接，配重螺母在长度可调弹片下方预留一定长度，用于增加或减少配重块数量，在传感器调谐过程中，可通过改变振动端配重块的重量，以实现对灵敏度、响应频率以及特征频率的调谐。
35.传感光纤由单模光纤
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热扩束梯度折射率多模光纤
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单模光纤熔接而成，其中传感光纤可以是但不限于热扩束梯度折射率多模光纤，多包层光纤、无芯光纤、空芯光纤、阶跃多模光纤、少模光纤、锥形光纤、多芯光纤、光子晶体光纤、锥形光纤等各类芯径不匹配传感光纤结构。
36.调谐滑块15包括中梁和底梁，在中梁和底梁之间连接有滑动夹持螺母16。长度可调弹片9位于中梁和滑动夹持螺母16之间并被滑动夹持螺母16固定在中梁下表面。
37.弹片放置块8、长度可调弹片9、弹片压块10、初始配重块11、配重螺母12、可变配重块系列13和调谐滑块15均安装在封装外壳7内部。在封装外壳7上开设有传感光纤14穿入和穿出的孔，传感光纤14通过穿入和穿出的孔与封装外壳7内的初始配重块11和弹片压块10固定连接。熔接制作好的传感光纤14穿过封装外壳7左右两侧圆孔放置在弹片压块10与初始配重块11上，用高强度结构胶粘接。
38.封装外壳7底部设置有滑动槽，滑动夹持螺母16依次穿过传感器封装外壳7底部的
滑动槽、调谐滑块15底梁，长度可调弹片9的中部槽口，与调谐滑块15中梁连接。当逆时针旋转滑动夹持螺母16，调谐滑块15和滑动夹持螺母16对可调弹片9夹持效果减弱，可沿封装外壳7底部凹槽前后移动滑动夹持螺母16；在凹槽侧面刻有响应频率，当滑动夹持螺母16带动调谐滑块15移动至所需要的响应频率时，再顺时针旋转滑动夹持螺母16至无法旋转即可测量。
39.在封装外壳7内部（左侧）与弹片放置块8连接；弹片放置块8上表面开有限位卡槽，将长度可调弹片9置于弹片放置块8限位卡槽上，作用在于当振动达到特征频率时，可调弹片9的振动方向不在是固定的上下振动，这时限位卡槽可将可调弹片9锁死在槽内不发生滑移；再用弹片压块10紧压长度可调弹片9，三者分别开孔通过螺丝连接；弹片压块10，用于固定长度可调弹片9，使其能与传感封装器盒7有较好的耦合效果；在长度可调弹片9右侧开孔处放置初始配重块11用配重螺母12进行连接，配重螺母12预留部分可根据灵敏度，响应频带宽度的需求增加可变配重块系列13；将调谐滑块15的中梁抵住长度可调弹片9上表面，滑动夹持螺母16依次穿过传感器封装外壳7底部的滑动槽、调谐滑块15底梁，长度可调弹片9的中部槽口，与调谐滑块15中梁连接；当逆时针旋转滑动夹持螺母16，调谐滑块15和滑动夹持螺母16对可调弹片9夹持效果减弱，可沿封装外壳7底部凹槽前后移动滑动夹持螺母16；在凹槽侧面刻有响应频率，当滑动夹持螺母16带动调谐滑块15移动至所需要的响应频率时，再顺时针旋转滑动夹持螺母16至无法旋转即可测量。熔接制作好的传感光纤14穿过封装外壳7左右两侧圆孔放置在弹片压块10与初始配重块11上，用高强度结构胶粘接。
40.振动传感原理如图3结构所示，长度可调弹片9左右两侧分别开孔，将长度可调弹片9置于弹片放置块8限位卡槽上，再用弹片压块10紧压长度可调弹片9，即可形成固定端；在长度可调弹片9右侧开孔处放置初始配重块11用配重螺母12进行连接；熔接制作好的传感光纤14放置在弹片压块10与初始配重块11上，用高强度结构胶粘接。
41.当振动信号作用在传感器上，配重端带动传感光纤14发生变形；通过传感光纤14内部的光信号会随振动强度和频率的改变而发生改变，发生改变的光信号经过铟镓砷pin光电探测器3后输出的电信号也会实时变化，通过多通道数据采集模块4和信号分析处理系统5对电信号进行采集和分析，便可得到外界振动信息。
42.通过不同配重质量进行灵敏度及响应频率可调谐原理如图4结构所示，在长度可调弹片9右侧开孔处放置初始配重块11用配重螺母12进行连接，配重螺母12预留部分可根据灵敏度，经过仿真计算设计出了不同类型的可变配重块系列13，根据响应频带宽度和灵敏度的需求改变可变配重块系列13数量。
43.通过可调弹片9进行灵敏度及响应频率可调谐原理如图5结构所示，在图3所示结构的基础上，增加了调谐滑块15和滑动夹持螺母16，长度可调弹片9的中间部位开槽。当滑动夹持螺母16位置发生改变后，顺时针拧紧滑动夹持螺母16，调谐滑块15和滑动夹持螺母16对长度可调弹片9进行夹持固定，即固定端位置改变，致使长度可调弹片9振动部分长度发生改变，随即灵敏度和响应频率以及特征频率会发生改变。
44.通过实施调谐结构设计后对传感器性能进行测试，测试结果如图6
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图9所示。将此振动传感器系统加载在实验用振动台上，对长度为0.6cm、0.8cm、1.0cm、1.2cm，1.5cm（配重质量8.5g），质量为3.5g、8.5g，9.5g(长度1.0cm)，加速度为0.2g的情况进行了标定实验，对实验数据进行分析统计之后，得到了长度
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响应频谱和质量
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响应频谱的图像，如图6、图7所
示；长度
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灵敏度和质量
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灵敏度的图像，如图8、图9所示。 实验结果表明：当弹片长度分别为0.6cm、0.8cm、1.0cm、1.2cm，1.5cm（配重质量8.5g），响应频率分别为10
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1000 hz、10
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1000hz、10
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1850hz、10
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1500hz，10
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2000hz，而且在500
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1000hz区间内灵敏度依次增加；而当配重为3.5g、8.0g，9.5g(长度1.0cm)时，响应频率分别为10
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2700hz、10
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2000hz，10
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1500hz，在400
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1200hz区间内灵敏度依次增加；因而可以验证所发明传感器通过调谐滑块15和滑动夹持螺母16改变弹片振动部分长度，以及通过改变振动端配重块质量，均能够有效调谐改变传感器的响应频率、特征频率和振动传感灵敏度。
45.一种多通道
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实施方式：下面结合图10说明本系统多通道分布式多点化实施方式。每组同轴无隔离fp腔激光二极管1、光纤振动传感器2、铟镓砷pin光电探测器3串联形成一路传感通道，多路传感通道可并联工作，利用多通道数据采集卡模块4的多路信号同步采集能力，将不同传感通道分别与多通道数据采集卡模块4的不同信号采集端连接，通过多通道数据采集卡同步采集不同通道的光电信号后，对信号进行实时分析即可实现分布式多点实时监测。