基于光纖光柵的振動檢測系統設計

作者/魏晨，吉林大學珠海學院

基于光纖光柵的振動檢測系統設計

作者/魏晨，吉林大學珠海學院

本文以光纖布拉格光柵為傳感器件，采用長周期光纖光柵線性邊緣濾波動態解調法，以LabVIEW為軟件開發平臺，實現了等強度懸臂梁的低頻率微小振動測量。實驗表明，在振動頻率小于1kHz，振幅在12～28mm范圍內，測量具有較好的準確度和重復性。

振動；光纖光柵；動態解調；LabVIEW

引言

光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾能力強、靈敏度高、體積小、質量輕、易于實現分布式傳感的優點，廣泛應用于應變、溫度、壓力、振動等物理量的測量。光纖光柵是波長調制型傳感器，中心波長解調是關鍵技術，常見的解調方法有光譜分析法、可調諧光源檢測法、非平衡邁克爾遜干涉儀解調法[1]等。本文采用長周期光纖光柵線性邊緣濾波解調法，實現振幅和頻率參數的測量。

1. 光纖光柵的傳感特性

光纖光柵是纖芯折射率周期性變化的光纖器件。當寬帶光源入射到光纖布拉格光柵（FBG）上時，會反射回一個窄帶光波，其中心波長稱為布拉格波長，記為λB，滿足下式[2]：

其中nef為纖芯模的有效折射率，Λ為光柵周期。應變和溫度是引起nef和Λ變化的最直接的因素，進而使布拉格波長產生偏移，通過測量偏移量可以間接測得外界物理量。基于光纖光柵傳感器的傳感過程是通過外界參量對光纖光柵中心波長的調制來獲得傳感信息，實質上是一種波長調制型光纖傳感器。

2. 長周期光纖光柵的線性邊緣濾波解調法

長周期光纖光柵（LPG）透射光的中心波長記為λL，滿足下式：

其中，nc0和nc1(m)分別為纖芯模和m階包層模的有效折射率，Λ為光柵周期。

LPG的透射特性類似于帶阻濾波器，中心波長兩邊的曲線線性度較好，可作為濾波區間。解調時要保證FBG的中心波長落在長周期光纖光柵的線性區域中。圖1為長周期光纖光柵解調示意圖。振動使懸臂梁偏移原來的平衡位置，粘在懸臂梁上的FBG受到應力，發生形變。當形變增大時，布拉格波長向長波方向移動，由原來的位置a移到位置b，經過LPG濾波后，光強變強；當形變減小時，布拉格波長向短波方向移動，LPG輸出端光強變弱。通過光強的變化可以得知布拉格波長的變化，從而間接得知振幅。

圖1 長周期光纖光柵解調示意圖

3. 系統設計

系統硬件由光纖布拉格光柵傳感、長周期光纖光柵解調、光電轉換、信號調理電路、數據采集卡和計算機組成，結構如圖2所示。光纖布拉格光柵粘貼在等腰懸臂梁上，用以感知懸臂梁的振動。光電探測選用InGaAsPIN光纖耦合輸出探測器，將長周期光纖光柵透射的光信號轉換為電信號，該電信號為電流信號。信號調理電路包括I/V轉換電路和放大電路。數據采集卡選用NI公司的USB6009，具有14Bit分辨率和48KS/s的采樣率，實現模擬量到數字量的轉換，并傳送到計算機中。

圖2 振動測試系統硬件結構框圖

軟件部分以LabVIEW為開發平臺，主要完成濾波和數據處理。考慮到測量裝置在靜態標定、校準時應使用低通濾波器，動態測量時應使用帶通濾波器，若用模擬濾波器實現較為復雜，因此選用LabVIEW中的軟件濾波器，更換濾波器類型、參數十分方便。先對采集到的數據進行進制轉換；再經巴特波斯濾波器濾波，消除噪聲；每40個數據取均值消除不穩定因素的影響，數據個數的選擇可根據采樣頻率進行設定；最后將測試結果的圖像和數值顯示在前面板。

4. 實驗設計

4.1 線性標定

線性標定采用螺旋測微儀改變懸臂梁末端位移量，模擬振動振幅，如圖3所示。等腰懸臂梁在同一軸線上所受應力強度相等。根據材料力學原理，懸臂梁表面沿中心軸方向的應變ε與末端位移x在一定范圍內呈線性關系[3]。已知波拉格波長λB與軸向應變ε成正比關系，故波拉格波長與螺旋測微儀的進給量成正比關系。將FBG的一個接頭與光源連接，另一個與光譜儀連接，調節螺旋測微儀，懸臂梁受到應力，帶動粘在懸臂梁上的光纖布拉格光柵產生應變，記錄下螺旋測微儀在不同位置時由光譜儀測得的布拉格波長。擬合直線方程為λB=0.109x+1546.8，靈敏度為109pm/mm，相關指數R2=0.9993，直線與原數據點擬合度好。其中波長單位為納米，位移單位為毫米。

按照線性邊緣濾波法原理圖連接光路，光源經耦合器進入光纖布拉格光柵，經光纖布拉格光柵反射后的光通過耦合器分成兩路，一路與長周期光纖光柵相連，長周期光纖光柵的另一端與光功率計相連。調節螺旋測微儀到前一過程記錄的位置，分別記錄下光功率計的示數P。光功率和波拉格波長λB的擬合直線為P=7.37λB—11373.05，光功率隨波長的變化率為7.37nW/nm，相關指數R2=0.9989，擬合度好。其中光功率單位為毫瓦。

光功率與電路輸出電壓成正比，參考光路的光功率始終保持不變，對應輸出電壓也保持不變。數據采集卡對兩路電壓信號進行采集，經過LabVIEW數據處理，傳感電壓值與參考電壓值之比稱為θ。調節螺旋測微儀到前一過程記錄的位置，分別記錄下比值θ。擬合直線方程為λB=10.17θ+1544.9，二者成正比關系。

通過實驗我們可以得出這樣的結論：在線性邊緣濾波解調法中，電壓比值θ與懸臂梁末端位移x成正比關系，x=93.30θ—17.43。

4.2 振動試驗

將標定的懸臂梁裝置換為BZ8002等強度梁試驗臺。并對LabVIEW程序略微調整：將低通濾波器改為帶通濾波器，截止頻率由所設定電機轉速的快慢決定，振動信號的頻率由LabVIEW自帶“信號的時間與瞬態特征測量”函數直接計算顯示結果。圖4所示為頻率為50Hz，布拉格波長的變化過程。實驗表明在振動頻率小于1KHz，振幅在12～28mm范圍內，測試系統具有較好的準確度和重復性。

圖3 等腰懸臂梁裝置結構示意圖

圖4 振動頻率為50Hz時布拉格波長的變化

5. 結論

本文選用光纖波拉格光柵檢測振動，具有抗干擾能力強、質量輕等優點；利用長周期光纖光柵的透射特性，設計了動態解調系統，該方法具有分辨率高、準確度高、體積小等特點；以LabVIEW為開發平臺，實現了數據處理顯示的功能。當振動頻率小于1kHz，振幅在12～28mm范圍內時，該測試系統具有較好的準確度和重復性。

＊ [1] 王宏亮,張晶,喬學光等.光纖光柵傳感解調系統的研究進展[J].半導體技術,2007, 32(3):191

＊ [2] 饒云濤，王義平，朱濤.光源光柵原理及應用[M].北京：科學出版社，2006

＊ [3] 沈小燕,林玉池,付魯華等.LabVIEW實現光纖光柵傳感解調[J].傳感技術報,2008, 21(1): 61—65.