全光纤双传感臂振动传感器频率特性研究

吕 垚，戴基智，代志勇，吴兵兵

（电子科技大学光电信息学院，四川 成都 610054）

0 引 言

振动是自然界和工程中普遍存在的现象，振动频率是反映振动信息的关键参数，对振动频率的测量和分析被广泛应用于工业、军事等领域。光纤振动传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、能在恶劣环境下工作、易于远距离组网探测的特点，具有广阔的应用前景，特别在石油勘探[1]、地震波检测[2-4]和水声波矢量探测系统[5-7]中有着极为重要的应用。在光纤振动传感器中，强度型[8]及光纤光栅型[9]检测灵敏度较低，它们在振动传感中受到较大限制。对于检测精度较高的领域，较为理想的是干涉型方案。根据M-Z干涉仪的理论，可以看到M-Z光纤干涉仪用来探测外部信号有许多其他结构光纤干涉仪所没有的优点，其结构简单，能探测10-7m的微小位移[10]，不需要在光纤端面镀膜，极少有光返回到激光器，大大减少了激光噪声的影响，从而提高了系统的稳定性，也可以不加调制器，易于实现全光纤化。由于传统的M-Z干涉仪单传感臂容易受到环境噪声的干扰，因此在M-Z光纤干涉仪的基础上改进为双传感臂结构来制作传感器。

1 系统结构及工作原理

光纤M-Z干涉型振动传感器采用双传感臂结构，其主要组成部分有缠绕单模光纤的弹性柱体与惯性质量块M构成的传感探头、2只2×2的3dB耦合器构成M-Z干涉仪、PZT相位调制器、波长1 550 nm光源、PIN光电探测器及放大电路组成的光电探测单元，系统结构如图1所示。

图1 M-Z干涉型光纤振动传感器的系统结构

当振动信号作用于传感探头时，惯性质量块产生位移，压缩和拉伸两端的弹性柱体，弹性柱体总体积不变。在拉伸时半径变小，高度变长，缠绕在弹性柱体上的光纤由于应力作用而缩短；在压缩时，弹性柱体半径变大，高度变短，缠绕在弹性柱体上的光纤由于应力作用而伸长。因此，光纤M-Z干涉仪中2条传感臂中的相位变化等幅反相，传感器把这种相位变化通过干涉转化成光强的变化输出。PZT施加电压产生1个π/2的固定相位偏置，使外界振动信号产生的相位变化曲线处在最大斜率处，提高传感器的输出效果；PIN光电探测器把M-Z光纤干涉仪输出的光信号转换成为电压信号，依次经过两级放大器，放大倍数为50倍，通过示波器观察输出波形。与单传感臂相比，双传感臂可以增加系统的固有频率，扩大测量的频率范围；此外，双传感臂结构可以消除温度和应力变化对传感器的影响，因为环境的变化在2个完全相同的缠绕光纤的顺变柱体上产生相同的影响，从而相互抵消。

2 参数设计与计算

对于传感探头中缠绕光纤的弹性柱体，其等效刚度是弹性柱体的本征刚度Kcompliant和所缠绕光纤引入的附加刚度KFl并联的结果。采用G.652B单模光纤，光纤直径 Df=242μm，杨氏模量 Ef=7.3×1010N/m2；弹性柱体材料采用GD-408中性单组份室温硫化硅橡胶，其杨氏模量为Ecom=3.75×106N/m2，密度为1.2g/cm3，从密封包装中取出后与空气中的水分作用即可硫化成为弹性体。经过计算得到光纤的刚度占传感探头整体等效刚度的99.28%，弹性柱体对传感探头的整体刚度影响不大，则传感探头的等效刚度[11]为

式中：2——传感探头中的2个缠绕光纤的弹性柱体，它们等效为弹簧结构也是并联关系；

N——光纤缠绕弹性柱体的匝数；

D——弹性柱体的直径；

H——弹性柱体的高度。

传感器探头的等效惯性质量[12]定义为

式中：mcom——弹性柱体的质量；

M——惯性质量块质量。

由式（1）和式（2）可以得到传感探头的固有频率为

在固有频率以下，传感器工作频带为f/fn=0～0.8，弹性柱体的形变正比于外界振幅的大小，误差小于4%。在固有频率以上，其工作频带范围是从fn到

传感器采用的是双传感臂的M-Z干涉仪结构，光纤中光波的总相移为2Δφ，则系统相应的加速度相位灵敏度为

其中光纤芯层折射率n=1.458，光弹系数张量p11=0.126，p12=0.27，p44=1/2（p11-p12）。为了使传感器获得较大的频率测量范围及较高的灵敏度，选取惯性质量M=445g，弹性柱体直径D=27mm，高度H=30mm，光纤缠绕弹性柱体的匝数N=120。经过计算，传感器灵敏度为366.9rad/g（其中g=9.8m/s2）。对于双传感臂M-Z干涉结构，虽然系统的总相位变化为缠绕在2个弹性柱体上的光纤中光波的相位变化之和，但双传感臂结构中光纤的总相位变化与单传感臂结构相同，系统的灵敏度不会因此而改变。在固有频率以下，传感器工作频带范围是0～851.8Hz，在固有频率以上工作频带范围是1.0648～15.663kHz。与单传感臂的M-Z干涉结构相比，双传感臂干涉结构的工作频带范围可以提高倍。

3 实验结果与讨论

3.1 传感探头的制作

在整个传感器系统的搭建过程中，传感探头的制作很重要，在制作过程中，惯性质量块的材质为金属铁，其密度为7.8 g/cm3，质量块加工成尺寸为38.5 mm×38.5mm×38.5mm的立方体；采用GD-408硫化硅橡胶，并利用模具灌注的方法形成所设计尺寸的弹性柱体。采用G.652B单模光纤，分别缠绕在2个弹性柱体上，缠绕光纤时，每一圈的光纤之间不能有空隙，但也不能重叠在一起，缠绕时的力度要适中，缠绕太紧会影响传感探头的弹性，缠绕太松则探头不能很好地传感振动信号。用GD-408硅橡胶把光纤粘连固定在弹性柱体上，在每个弹性柱体的两端都用塑料光纤护套保护光纤，以免在受到振动时光纤受力折断。每个弹性柱体上缠绕光纤120圈，则1个弹性柱体上缠绕的光纤长度为10.1788m，制作完成的传感探头实物如图2所示。

3.2 M-Z干涉仪干涉可见度测量

在实验中采用的光源中心波长为1 550 nm，光源线宽为0.019 6 nm，计算得到光源相干长度为12.258cm。在M-Z干涉仪中，两臂中光波的光程差必须小于光波的相干长度，这是实现光纤M-Z干涉仪的重要条件。通过ASE宽带光源的干涉光谱，测量得到臂长差为6.87mm，满足干涉条件。

在PZT相位调制器上施加频率100Hz，幅度3V的正弦信号，光信号经过M-Z干涉仪后在输出端发生干涉。通过光功率计检测，输出光功率在120nW～5.6μW之间周期性变化，输出光信号通过光电探测单元后在示波器上的输出波形如图3所示。由图3可见，光电探测单元输出一系列的干涉条纹，由输出光功率的最大及最小值可以计算得到，该传感系统的干涉可见度约为95.8%。

3.3 传感系统性能测试

传感系统搭建完成后，对系统的性能进行测试。根据实际需要，振动台产生频率为50～6 000 Hz的正弦形振动信号，图4是示波器显示、采集并直接输出的部分振动频率测试曲线。

由图4可以看出，输出信号出现干涉条纹，每一条干涉条纹表示振动台产生的振动信号使2条干涉臂产生λ/2的光程差，出现“M”或“W”形状的信号表示在那个时刻振动面的运动方向发生了变化。根据测试结果得到，当输入信号频率低于100Hz时，示波器显示输出干涉条纹，但没有明显的周期性，说明传感器的输出频率产生了失真，如图4（a）所示；当输入信号频率为100～800Hz时，输出波形呈周期性变化，根据输出波形的周期T，得到输出信号频率与输入信号频率基本相同，如图 4（b）、图 4（c）所示；输入频率为850～1150Hz时，输出波形没有周期性，因共振而失真，如图4（d）所示；当输入信号频率为1.2～6.0kHz时，根据输出波形的周期T，得到输出信号频率与输入信号频率误差不超过2%，如图4（e）、图 4（f）、图 4（g）所示。因此，频率 100 Hz以上的测试结果与理论计算基本相同。图5是传感器的频率响应曲线，从图中可以看出，在50～800 Hz的频率范围，输出电压峰值的绝对值约为500 mV；在850～1150Hz的频率范围内，输出电压峰值的绝对值在700mV～2.5V之间震荡；在1.2～6.0kHz的频率范围内，输出电压峰值的绝对值约为500mV。因此，传感器的固有频率在850～1 150 Hz之间，与理论计算值相符。

图5 传感器的频率响应曲线

4 结束语

根据测试结果，在固有频率以下，传感器工作频带范围是100～800Hz，在固有频率以上工作频带范围是1.2～6.0kHz。在频率100Hz以下，传感器虽然也能对振动信号响应，但输出信号频率失真较大。若要对100Hz以下的频率进行测量，可以降低固有频率，通过增大弹性柱体的高度H和惯性质量块的质量M，并适当减小弹性柱体的直径D来实现。

[1]Zeng N，ShiC Z，Zhang M，et al.A 3-component fiber-optic accelerometer for well logging[J].Optics Communications，2004，234（1-6）：153-162.

[2] 丁桂兰，刘振富，崔宇明，等.顺变柱体型全光纤加速度检波器[J].光学学报，2002，22（3）：340-343.

[3] 傅深泳，丁桂兰，陈才和，等.干涉型全光纤加速度地震检波器[J].光电工程，2003，30（6）：39-42.

[4] 王金海，陈才和，Zoran Salcic，等.三维推挽式顺变柱体干涉型加速度传感系统[J].光电工程，2006，33（6）：139-144.

[5] 孟洲，胡永明，熊水东，等.全保偏光纤水听器阵列[J].中国激光，2002，29（5）：414-416.

[6] 彭博栋，罗洪，倪明.成组光纤水听器特性研究[J].声学技术，2008，27（3）：459-463.

[7]张姝红，李琛，周学滨.光纤传感技术在舰船抗冲击测量中的应用研究[J].中国测试，2009，35（4）：83-85,89.

[8] 江毅.光纤振动传感器探头的设计[J].光学技术，2002，28（2）：148-149.

[9] Shi C Z，Zeng N，Ho H L，et al.Cantilever optical vibrometer by use of fiber Bragg grating[J].Optical Engineering，2003，42（11）：3179-3181.

[10]刘士奎，张金涛，刘盛春.基于全光纤马赫-曾德尔干涉仪的微位移传感研究[J].光学与光电技术，2004，2（5）：40-42.

[11]刘鸿文.简明材料力学[M].北京：高等教育出版社，1997.

[12]李方泽，刘馥清，王正.工程振动测试与分析[M].北京：高等教育出版社，1992.