光纖振動傳感器及其m-z傳感臂光路結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種光纖振動傳感器及其M-Z傳感臂光路結(jié)構(gòu)，涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]振動檢測最初應(yīng)用于航天航空、橋梁關(guān)鍵部位等領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用到關(guān)乎國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的所有領(lǐng)域。近些年來，尤其在航天航空、電力、工業(yè)管道運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，相關(guān)機(jī)械承載結(jié)構(gòu)由于受到外部循環(huán)荷載作用、振動沖擊、疲勞損傷以及酸堿腐蝕等因素干擾，經(jīng)過長年累月的積累，易導(dǎo)致很多災(zāi)難事故的發(fā)生。
[0003]目前國內(nèi)外在振動監(jiān)測領(lǐng)域主要采用壓電傳感器粘貼于被測物體表面，利用壓電效應(yīng)將應(yīng)力波引起的振動信號轉(zhuǎn)化為電壓、電流信號。如基于壓電聲發(fā)射和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料沖擊定位方法。壓電式聲發(fā)射傳感器的優(yōu)點(diǎn)是測量精度高，測量信號頻率高，但其主要缺點(diǎn)是易受強(qiáng)磁場環(huán)境影響且測量系統(tǒng)需要大量輔助線纜。光纖型傳感器相比于傳統(tǒng)壓電式傳感器有著自身的優(yōu)點(diǎn):體積較小，其制作材料為絕緣性好的光導(dǎo)纖維，質(zhì)量輕且便于安裝，特別適用于在強(qiáng)電磁場、高電壓、大電流惡劣環(huán)境下進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)參量監(jiān)測。此外，中國電子科技集團(tuán)提出的耐高溫光纖振動傳感器及其探頭，采用發(fā)射光纖、接收光纖與準(zhǔn)直透鏡組合形式，使得耐高溫傳感探頭與發(fā)動機(jī)葉片之間測量距離有所增加。但是在實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測領(lǐng)域，常需要采用傳感探頭直接接觸方式，測量機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部特定狹小空間位置的振動響應(yīng)信息。
[0004]目前光纖傳感技術(shù)在振動測量方面主要存在三個方面亟待解決的問題。首先，常規(guī)光纖振動傳感器件本身往往直接被粘貼于被測結(jié)構(gòu)表面，造成對瞬態(tài)小幅值振動信號的感知能力有限，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的增敏封裝，以提高光纖振動傳感探頭對振動信號的響應(yīng)靈敏度。其次，為最大限度滿足狹小空間結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測需求并提高振動響應(yīng)靈敏度，一方面需要盡量減小光纖M-Z探頭尺寸，另一方面又需要增加構(gòu)成M-Z探頭的光纖長度，這就使得光纖M-Z探頭的設(shè)計(jì)較為困難。最后，由于常規(guī)光纖M-Z傳感系統(tǒng)傳感臂僅能形成一個光纖振動感知探頭，且一套系統(tǒng)只能測量一個位置的振動信號，無法實(shí)現(xiàn)時分復(fù)用。當(dāng)探頭損壞時系統(tǒng)將無法繼續(xù)測量，造成其他硬件成本的浪費(fèi)，因此需要設(shè)計(jì)一種基于時分復(fù)用原理的傳感光路結(jié)構(gòu)形式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述技術(shù)的不足，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種光纖振動傳感器及由光開關(guān)控制的M-Z光纖傳感臂光路結(jié)構(gòu)。該光纖振動傳感器有助于對振動信號進(jìn)行放大，并且在減小光纖探頭尺寸的同時增加了構(gòu)成探頭的光纖長度，有利于提高探頭的振動響應(yīng)靈敏度。該M-Z光纖傳感臂光路結(jié)構(gòu)是基于不同位置振動信號的分時復(fù)用測量原理。
[0006]一種基于喇叭型增敏結(jié)構(gòu)和柱狀多層環(huán)圈傳感光纖的振動傳感器，包括上小下大的喇叭型腔殼、上振動膜、下振動膜、柱狀多層環(huán)圈傳感光纖、保護(hù)蓋、尾部光纖保護(hù)套管；其中喇叭型腔殼上方具有圓形開口，上振動膜布置于該圓形開口處；喇叭型腔下方具有圓形開口，下振動膜布置于該圓形開口處；上振動膜、下振動膜和喇叭型腔殼構(gòu)成密封的喇叭型放大腔；保護(hù)蓋安裝于喇叭型腔殼上方形成密封的保護(hù)腔；上述柱狀光纖傳感器位于保護(hù)腔內(nèi)，粘貼于上振動膜上表面；上述柱狀多層環(huán)圈光纖傳感器的兩端從保護(hù)蓋引出；尾部光纖保護(hù)套管套于柱狀多層環(huán)圈傳感光纖引出部位。
[0007]本發(fā)明的光纖振動傳感器的下振動薄膜和喇叭型腔殼構(gòu)成密封的喇叭型放大腔?？蓪⑵涔潭ㄓ诒粶y物體表面，感知被測物體表面的振動。
[0008]本發(fā)明的光纖振動傳感器的喇叭型腔殼，與上、下振動薄膜共同組成下大上小的封閉空腔。通過封閉的振動空腔將被測物體表面振動信號放大，便于位于上振動薄膜表面的柱狀多層環(huán)圈傳感光纖對微振動信號進(jìn)行感知和測量。
[0009]本發(fā)明的光纖振動傳感器的上振動薄膜，其上表面粘貼柱狀多層環(huán)圈傳感光纖，用于將被放大的振動信號傳遞到柱狀多層環(huán)圈傳感光纖上。
[0010]本發(fā)明的光纖振動傳感器的保護(hù)蓋，用于保護(hù)柱狀多層環(huán)圈傳感光纖及屏蔽外界因素對振動測量的干擾。
[0011]本發(fā)明的光纖振動傳感器的柱狀多層環(huán)圈傳感光纖，貼于上振動薄膜，用于對被測振動信號進(jìn)行感知。這種柱狀多層環(huán)圈傳感光纖探頭是將傳感光纖直接按照一定直徑繞制成柱狀多層環(huán)圈結(jié)構(gòu)。
[0012]本發(fā)明的光纖振動傳感器的尾部光纖保護(hù)套管，是與保護(hù)蓋連接，用于保護(hù)柱狀多層環(huán)圈傳感光纖的尾部光纖。
[0013]基于喇叭型放大空腔和柱狀多層環(huán)圈傳感光纖的振動傳感器的工作原理:當(dāng)被測物體表面產(chǎn)生振動信號時，下振動薄膜與物體表面緊密相連，從而引起下振動薄膜振動。下振動薄膜振動，引起喇叭型放大空腔內(nèi)空氣振動。腔內(nèi)空氣的振動，引起上振動薄膜振動。由于喇叭結(jié)構(gòu)下部大、上部小，因此有助于將下振動薄膜的振動信號放大。由于柱狀多層環(huán)圈傳感光纖緊貼于上振動薄膜，所以放大的振動信號經(jīng)上振動薄膜傳遞給柱狀多層環(huán)圈傳感光纖，從而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)振動信號的監(jiān)測。
[0014]基于上述光纖振動傳感器構(gòu)成的光開關(guān)控制的M-Z傳感臂光路結(jié)構(gòu)。由若干個振動測量單元串聯(lián)組成，其中每個振動測量單元均由一個光開關(guān)、一個光耦合器、一個所述光纖振動傳感器組成；其中光開關(guān)的輸入端作為該振動測量單元的輸入端，光耦合器的輸出端作為該振動測量單元的輸出端，光開關(guān)的第一輸出端串聯(lián)所述光纖振動傳感器后再與光親合器的第一輸入端相連，光開關(guān)的第二輸出端與光親合器的第二輸入端相連；上述光開關(guān)的第二輸出端、光耦合器的第二輸入端之間的光纖總長度與光開關(guān)第一輸出端、光耦合器第一輸入端之間的光纖總長度相等。
[0015]由光開關(guān)控制的M-Z傳感臂光路結(jié)構(gòu)工作原理:
光傳輸?shù)焦饫wM-Z振動監(jiān)測系統(tǒng)的傳感臂時，由此時光開關(guān)的狀態(tài)決定該振動測量單元是否使用。當(dāng)光開關(guān)選擇第一輸出端口，則光纖振動傳感器被接入傳感臂光路中，此時該光纖振動傳感器可以實(shí)時測量該位置的振動信號。當(dāng)光開關(guān)選擇第二輸出端口，則光通過光開關(guān)與耦合器間的光纖傳輸，則此時光纖振動傳感器無法測量振動。Λ個類似的振動測量單元被粘貼于物體表面的不同的位置，通過相應(yīng)#光開關(guān)有助于實(shí)現(xiàn)不同位置振動信號的分時復(fù)用測量。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
首先，本文發(fā)明的光纖振動