用于振动监测的高精度光纤传感系统

摘要

大型基础设施如桥梁、大坝等给我们生活带来诸多利益，然而由于高速发展带来的环境污染，材料以及长期服役等因素，部分结构存在一定的安全隐患，这就需要采取一些措施对其结构的健康状况进行精确评估，防患于未然。其中对来自结构服役过程中产生的振动信号的监测是分析许多与结构损伤相关研究的重要工具之一。描述振动信号的三个主要参数为幅度、频率和相位，其中对振动信号的频率进行分析是结构健康监测中常用的方法之一。目前基于电磁、压电类的振动监测传感器已经比较成熟，然而普遍的缺点是结构复杂、抗干扰能力低以及造价昂贵等。于是能克服这些缺点的光纤开始受到传感领域的重视，并且具有测量精度高、抗电磁干扰能力强以及可在线远距离监测等优点。目前针对振动分析主要采用光纤Bragg光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感器，FBG传感器属于波长编码类，直接的波长解调成本高，并且解调系统复杂不易于集成。针对这类传感器，开发出低成本、易于集成的全光纤探测系统仍是国内外研究的热点。　　基于以上背景，设计了两类全光纤探测系统，旨在将振动环境中光纤Bragg光栅的波长偏移量转换为强度变化，使探测系统具备高精度、快速，低成本的优势。主要内容包括以下工作：　　（1）分析并总结了国内外光纤振动传感器研究背景与动态，介绍了基于光纤结构的振动传感器的研究现状与意义，从而得出本课题的研究内容和方向。我们提出基于掺铒光纤（Er-doped optic fiber,EDF）中双波混频(Two wave-mixing,TWM)写入动态粒子数光栅检测机械振动的方法。掺铒光纤中两列相向传输的相干光形成驻波场，沿光纤纵向写入动态粒子数光栅，粒子数光栅随着干涉场的建立和消失动态的写入与擦除。同时对稀土掺杂光纤中双波混频写入动态粒子数光栅的机理进行了理论推导和实验验证。实验结果表明，基于掺铒光纤中线性双波混频全光系统能运用于监测压电换能器产生的振动信号，频率响应范围为50Hz到10kHz，响应信号最小振幅为0.19μm，并且具有较好的“时域”和“频谱”响应。　　（2）简要分析了光纤光栅传感器的工作机理，简述了基于光纤光栅振动传感器解调技术的国内外现状。目前光纤光栅振动检测系统大多采用FBG作为传感元件，由于光纤光栅为波长编码类的传感器，直接的波长解调技术成本高，不利于工程应用，我们提出了基于饱和掺铒光纤中双波混频用于探测FBG传感器上的动态应变信号。传感部分我们选取基于半导体光放大器的环形激光器，利用FBG充当环形激光器的反射头，同时又作为传感部分，使用光学胶将其粘贴在压电换能器(Piezoelectric transducer,PZT)上。实验数据表明，该系统能响应频率范围为2kHz到10kHz的5με动态信号。为了进一步研究系统可探测范围，我们把FBG用光学胶粘贴在铝板上来探测超声波信号，TWM系统探测到的信号应变为3με，响应频率为33.75kHz与PZT产生的振动频率一致。　　（3）基于动态粒子数光栅写入机理，通过系统输出的双波混频信号能够精确、快速检测到压电换能器产生的振动信号和Bragg光栅上施加的动态应变信号。然而解调系统可探测的频率范围有限。针对这一缺点，我们根据匹配滤波解调原理，设计了复用的基于半导体光放大器的环形激光传感系统，成功对传感器上的动态信号进行了探测。实验以双通道同步信号探测为例，系统能探测动态信号为3με，响应频率高达200kHz。同时通将两个级联传感光栅分别放入两台超声清洗机，实现了同步超声波探测，探测的超声信号频率为33kHz,应变为10με。

目录

声明

1绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 光纤振动传感器研究现状

1.3 基于光纤光栅传感器信号解调技术研究现状

1.3.1 FBG传感原理

1.3.2 FBG传感器解调技术简介

1.4 本文主要内容及章节安排

2掺铒光纤中通过写入动态粒子数光栅的振动信号检测方法

2.1 动态粒子数光栅简介

2.2 动态粒子数光栅写入理论分析

2.3 线性双波混频结构用于激光振动检测

2.3.1 实验元件及仪器

2.3.2 振动传感系统设计及光学平台搭建

2.4 振动传感器敏感性能测试分析

2.4.1 系统输出光谱测试

2.4.2 双波混频中动态粒子数光栅的形成

2.4.3 激光振动测量

2.4.4 不同长度EDF对系统性能的影响

2.5 本章小结

3闭环Sagnac二波混频结构的FBG动态信号检测方法

3.1基于SOA源的新型FBG传感器简介

3.2 闭环Sagnac干涉仪双波混频实验装置

3.3 振动传感器敏感性能测试分析

3.3.1 不同驱动电流系统输出光谱测试

3.3.2 不同长度单模EDF和PM-EDF实验测试结果

3.3.3 传感系统频率响应实验测试结果

3.3.4 振动测量

3.4 超声波探测

3.5多路复用解调系统

3.6 本章小节

4复用半导体环形激光传感系统FBG动态信号检测方法

4.1 引言

4.2 匹配滤波原理

4.3 动态信号探测理论分析

4.4 传感系统光学平台搭建与传感性能测试

4.5 振动传感器敏感性能测试分析

4.5.1 双通道同步动态应变信号探测

4.5.2 同步超声波信号探测

4.6 讨论

4.7 本章小结

5结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果