一种光纤光栅非接触机械振动传感器的研究

魏 莉 周祖德 黄 俊 何玉苗

武汉理工大学，武汉，430070

0 引言

随着科学技术的不断进步和现代工业的迅速发展，机械系统正日益向大型化、柔性化、重载化、系统化和自动化的方向发展，这使得机械系统的性能要求越来越高、结构越来越复杂、工作环境越来越严酷，常常运行在高速、重载、高温和多场耦合的工况下，工作状态呈现出多变性、耦合性和非线性特征。这些变化和发展对机械系统的运行状态和结构损伤的动态监测提出了更高的要求。

1）重理论，轻实践。在职业院校发展初期，这个特点是职业院校的通病，其产生有着很重的历史背景。原因一是原有的职业院校教学体系是继承本科院校的，很多院校只是单纯地调整课程体系或降低课本的难度，没有摸索出职业院校人才培养模式；原因二是师资队伍缺失，原有的职业教育社会地位低，无法吸引好的专业人才加入，特别是一些双师型教师的缺乏，直接导致教学质量不理想。

目前，工程上测量振动的方法主要有机械式、电气式、光学式等测量方法［1－3］。虽然机械式传感器抗干扰能力强，但其测量精度不高、频率范围较窄；电气式传感器抗电磁干扰能力差、长期稳定性差、分布式布置困难、信号传输距离有限，难以真正实现多参数分布式动态监测；光学式传感器是将工程振动的参量转变为光学信号来进行测量的，光纤 Bragg光栅（fiber Bragg grating，FBG）作为一种新型的光学测量传感器，具有对电绝缘、抗电磁干扰、稳定性好、可远距离信号传输等优点，且在单根光纤上可布置多个测量光栅形成分布式传感器，能实现“一线多点、无源多场”的检测方式，因此，在机械系统结构损伤和运行状态分布式动态监测中具有很好的应用前景。

国内外学者自20世纪90年代就对FBG振动传感技术展开了研究。文献［4］采用盘片式结构作为弹性体，设计了一种FBG振动传感器。文献［5］提出了一种特殊三脚支架和等强度悬臂梁结构的FBG振动传感器，用于检测75Hz以下的振动。文献［6］利用光纤光栅随弓形梁弯曲变形的敏感特性，通过设计特制的增敏结构，研制了一种基于弯曲特性的FBG振动传感器。文献［7］提出了一种基于“钢管－质量块”弹性结构体的光纤光栅加速度传感器，将4个光纤光栅粘贴在质量块一侧的钢管表面应变最大处，通过两两组合的光栅实现二维测量和温度补偿。

④参见 Ellwein/Hesse，Der ueberforderte Staat，1997，S．7，S．67．

光纤光栅是利用紫外曝光技术，在光纤芯内形成折射率具有周期性的分布结构，如图1所示。当一束宽带光入射到光纤光栅中时，周期性折射率结构使得某个特定波长的窄带光被反射，反射光波长满足Bragg散射条件，即

1 FBG振动传感的基本原理

综上所述，现有关于FBG振动传感器的研究主要通过利用不同结构、材料进行封装来实现增敏，进而提高传感性能。本文在分析现有FBG振动传感器研究的基础上，设计了一种基于永磁结构的FBG振动传感器，采用ANSYS有限元软件进行了理论分析和数值仿真，制造了FBG传感器实验装置，进行了相关实验研究，实现了机械振动的非接触检测，该传感器充分发挥了光纤Bragg光栅传感器的特点，可应用于易燃易爆和电磁干扰强的场合，并能实现信号的远距离传输。

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式中，n、Λ分别为光纤光栅的有效折射率和栅格周期。

图1 光纤光栅结构

光纤光栅的中心反射波长与光栅的周期和反向耦合模的有效折射率成正比。只有满足式（1）的波长才被光纤光栅反射，其余被其透射。无论是对光栅进行拉伸或压缩，都势必导致光栅周期Λ的变化，这为光纤Bragg光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理基础［8］。

根据ANSYS仿真结果可知，气隙为3mm时，集中力为20.288N，由式（3）计算得膜片挠度为40.5μm，在膜片计算公式适用范围内。

式中，Pe为有效弹光系数，对于普通光纤材料，Pe＝0.22；ε为应变。

由于采用中心波长为1300nm的光纤Bragg光栅，故1×10－6的应变将引起1pm的波长改变量。实际应用中，由于光纤光栅对温度和应变同时敏感，故若环境温度变化，可增加一个自由光栅（非粘贴）进行温度补偿。

2 FBG振动传感器结构设计

图2 FBG振动检测原理示意图

选用的永磁材料为钕铁硼（N38），截面半径6mm，厚度5mm，矫顽力Hc＝860kA/m，剩磁Br＝1.22T。建立的有限元模型如图3所示，节点数量为271 022，单元数量为136 590。图4所示为磁场仿真结果。

生的磁力决定，因此磁场力选择是探头设计的一项重要内容。考虑到磁场漏磁、非线性等因素影响，这里采用ANSYS软件进行数值仿真计算。

图3 模型网格划分图

图4 磁场分布仿真结果

要把磁力转化为FBG的应变，还需借助弹性元件。这里采用的弹性元件是周边固定的等截面圆形薄板构成的平膜片，膜片中心有一个硬芯，用来承受集中力载荷（F）。有硬芯的平膜片在集中力作用下的挠度计算公式如下：

从图2可以得知，膜片变形主要由永磁体产

改变探头到被测轴的距离，分别求得对应磁力，得到图5所示磁力与位移的关系。

图5 位移与磁力关系图

从图5可得，磁力与气隙成非线性关系，且距离越远，磁力越小；在气隙位于0.5到3mm之间时，斜率最大，同时具有较好的线性度。故设计FBG振动传感时应考虑此点。

3 FBG振动传感器的弹性元件设计

通常FBG只对应变和温度敏感，若想实现振动信号的检测，必须借助其他弹性元件实现转换。根据相关理论分析和参数优化，本文提出一种FBG振动检测结构，如图2所示。当传感器磁耦合探头的气隙L（即被测位移量）发生变化时，会导致探头和被测物体之间的磁力发生变化，由于磁力作用在弹性膜片的硬芯上，将改变膜片的挠度，进而改变与之相连的FBG传感器轴向应变，故最终可通过测量FBG传感器应变量间接获得被测量的变化。

式中，μ为膜片材料的泊松比，μ＝0.3；E为膜片材料的弹性模量，E＝200GPa；r为膜片半径，r＝20mm；h为膜片厚度，h＝0.5mm；r0为硬芯半径，r0＝5mm。

光纤光栅受到拉力作用时，波长改变量ΔλB与应变的关系如下：

膜片位移即为光纤伸长量，则FBG应变

值得关注的是，据临床报道，SHLI有致速发型过敏反应的不良反应［19-20］，似乎与本研究SHLI抗过敏作用相矛盾。事实上，本课题组正是在研究SHLI致过敏的不良反应过程中发现其对肥大细胞脱颗粒具有良好的抑制作用［6，21］。药物被机体作为异物识别而发生过敏反应与其可治疗过敏性疾病二者之间并不矛盾。正如作为抗过敏的一线药物酮替芬，其使用注意事项中也明确提出“对本品过敏症禁用”。需要说明的是，SHLI通过线粒体钙单向转运体活化发挥其强大的肥大细胞稳定作用［6］给其致过敏的研究带来了困难。在研究设计SHLI致敏性实验时，需要排除前者的干扰，这是研究过程中必须注意的。

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取光纤固定点间长度l＝70mm，计算得到FBG应变ε＝579.3×10－6。

4 实验测试结果及分析

根据以上提出的FBG振动传感原理和理论分析，设计并加工了实验装置，如图6所示。FBG振动传感器安装在一个滑槽中并可在滑槽中前后移动，用于调整传感器的初始安装位置，在实际测试时就是传感器的零位。

图6 FBG振动传感器实验装置

4.1 FBG振动传感器的静态标定

在旋转机械实验平台上，以轴为对象进行静态标定，标定过程中需对实际输入位移量进行有效控制。测试时，通过安装在传感器后部的螺旋测微器来对位移进行微调，由于传感器和螺旋测微器的测量头连接在一起，故微调步距等同于螺旋测微器的精度。

采用厚度为0.5mm的膜片，改变气隙大小，分别记录FBG振动传感器的输出，并绘制测试结果关系图，如图7所示。

图7 厚度为0.5mm膜片静态标定结果

由于实验在密闭房间进行，干扰较小，因此可认为膜片是一理想元件。故可根据以上测试结果反推磁力，实验结果与仿真结果基本吻合，这说明此种测量方法是可行的。但从图7可看出，FBG传感器的输出应变值比较小，检测的灵敏度不高。要进一步提高检测灵敏度，由式（3）可知，一方面可增大磁力，但需加大磁耦合探头中永磁体的尺寸，进而增大探头的质量，加大基础振动对检测结果的影响，最终会增大误差；另一方面可减小膜片厚度，因为在同样磁力作用下减小膜片厚度可产生更大挠度，引起FBG传感器更大的应变。通过以上分析，这里选择将膜片的厚度减小为0.2mm，进行相同的测试。测试结果如图8所示。

图8 厚度为0.2mm膜片静态标定结果

从图8中可看出，在同样位移下，FBG的输出明显增大。在整个测量区间内，位移与波长变化量之间是非线性关系。在确定传感器工作区间时，有两种方式，一种取较大测量范围，预先标定，但信号调理难度加大；另一种选择斜率较大的区间作为量程，且输入输出近似为线性关系，并进行线性化拟合，如图9所示。

图9表明，该段区间具有较好的线性度，同时检测灵敏度可达到1.14μm/pm，线性度误差为0.4%，现有光纤光栅解调仪表分辨能力可达到1pm，也就是说该振动传感器的位移检测精度可达到1.14μm，量程为1mm。

(2) 与以往注浆模型相比，本文构建的模型不受裂隙面产状的影响，可以定量确定任一倾斜裂隙在浆液扩散区内的注浆压力与注浆时间和浆液扩散距离的关系，进一步拓宽了该模型的应用范围。

4.2 FBG振动传感器的动态测试

图9 厚度为0.2mm膜片线性拟合结果

为检测FBG振动传感器的动态特性，这里将传感器安装于旋转机械实验测试平台上，对不同转速n0下的振动信号进行检测，实验测量波形如图10所示。经过频谱分析（图11），实测振动信号的主要频率成分与转速频率一致，这表明所设计的FBG振动传感器能够跟踪动态信号。

2.2.4 用药频次不适宜 如左甲状腺素片宜将一日剂量一次性服用，常见错误用法为每日3次或每日2次服用；脾氨肽口服冻干粉宜每日一次或隔日一次服用，错误为每日3次服用。

图10 不同转速下振动信号测量

图11 不同转速下振动信号频谱

5 总结与展望

（1）采用光纤光栅作为敏感元件，与传统电测传感器相比具有抗电磁干扰能力强、防爆、稳定性好的特点。

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（2）设计的FBG非接触振动传感器量程为1mm，位移检测精度可达到1.14μm，在工作区间内线性度可达0.996。

（3）设计的FBG非接触振动传感器能满足大型旋转机械转轴的振动位移检测要求，还可和其他光纤光栅传感器构成多参数检测系统，可充分发挥光纤光栅传感多参数分布式检测的优势。

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