一種光纖光柵振動(dòng)與溫度同時(shí)區(qū)分測(cè)量的解調(diào)方法

丁 鋒，王粉艷，王云建，畢麗華，姚曉靜，譚 軍

(1.中石化中原油田石油化工總廠儀表車(chē)間，河南濮陽(yáng) 457061；2.濮陽(yáng)市中遠(yuǎn)石油技術(shù)有限公司，河南 濮陽(yáng) 457061；3.中石化中原石油勘探局工程建設(shè)總公司電氣工程處，河南濮陽(yáng) 457061)

微振動(dòng)是工程應(yīng)用中普遍存在的一種現(xiàn)象，如工程機(jī)械、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、海洋石油平臺(tái)、建筑結(jié)構(gòu)、航空航天器等，這些動(dòng)力結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，影響其使用壽命，如果振動(dòng)劇烈，還會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的破裂。實(shí)際應(yīng)用中往往在振動(dòng)的同時(shí)還會(huì)受到溫度等其他因素的影響。由于各種因素的相互影響、交叉敏感，多參量的測(cè)量技術(shù)顯得尤為重要。光纖布拉格光柵FBG(Fiber Bragg Grating)作為一種新型的光無(wú)源傳感器件具有其它傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)［1－2］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)光纖光柵的應(yīng)變、應(yīng)力和溫度等物理量的傳感特性進(jìn)行了多方面的研究。利用FBG傳感器的波長(zhǎng)編碼特性，不僅可以用來(lái)檢測(cè)溫度、應(yīng)變等準(zhǔn)靜態(tài)量，還可以用來(lái)檢測(cè)加速度、微振動(dòng)等動(dòng)態(tài)量［3～6］。微振動(dòng)的檢測(cè)是一個(gè)動(dòng)態(tài)解調(diào)的過(guò)程，而且振幅不大，要求解調(diào)系統(tǒng)的響應(yīng)速度快、靈敏度高，這就對(duì)解調(diào)系統(tǒng)提出了很高的要求。而目前，研究最多的是溫度與應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量技術(shù)，對(duì)溫度與振動(dòng)同時(shí)測(cè)量的報(bào)到甚少。

本文結(jié)合了邊緣濾波機(jī)理中以光源和參考光柵做濾波器的優(yōu)點(diǎn)，研究了一種對(duì)振動(dòng)與溫度的同時(shí)區(qū)分測(cè)量的光纖光柵解調(diào)方案，并且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此方案的合理性和正確性。應(yīng)用放大自發(fā)輻射光源在1 530 nm附近有一段線性區(qū)，利用其作邊緣濾波器實(shí)現(xiàn)了光纖光柵傳感解調(diào)，并用匹配光柵分離溫度對(duì)振動(dòng)的影響。所建立的系統(tǒng)解調(diào)相應(yīng)速度快，符合振動(dòng)測(cè)量的基本要求，且適合在強(qiáng)磁場(chǎng)或強(qiáng)腐蝕性等環(huán)鏡下對(duì)橋梁、水壩、船艦、火車(chē)、油田、油罐等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以保證其安全、可靠。實(shí)現(xiàn)了用單一傳感器進(jìn)行多參量的測(cè)量，系統(tǒng)具有易于操控、成本低等特點(diǎn)。

1 基本原理

1.1 邊緣濾波解調(diào)原理

圖1為基于邊緣濾波器的線性解調(diào)原理示意圖，圖中的斜線是邊緣濾波器的傳遞函數(shù)曲線。光功率的變化量與波長(zhǎng)的漂移量成線性關(guān)系，即

式中，k、b為邊緣濾波器的斜率和截距，都可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，且為常數(shù)。

當(dāng)傳感光柵受到溫度，應(yīng)變等外界量影響時(shí)，光柵的布拉格波長(zhǎng)將會(huì)漂移。假如從λ1漂移到λ2，光強(qiáng)也將隨之由I1變化到I2，通過(guò)光電探測(cè)器將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓，即可求得布拉格波長(zhǎng)的變化量。

圖1 邊緣濾波線性解調(diào)原理

1.2 振動(dòng)與溫度同時(shí)測(cè)量原理

如圖2示，由放大自發(fā)輻射光源ASE(Amplified Spontaneous Emission)發(fā)出的光經(jīng)2/2耦合器分為兩束，一束(從3口出來(lái))作為參考信號(hào)由光電二極管(PIN3)接收，另一束(由2口出來(lái))入射到傳感光纖光柵。當(dāng)把傳感光柵置于振動(dòng)物體上且周?chē)h(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，傳感光柵所反射的中心波長(zhǎng)變化既有振動(dòng)信息又有溫度信息。該反射信號(hào)經(jīng)過(guò)該耦合器從其4口出來(lái)，入射到第二個(gè)2/2耦合器的5口，然后又分成兩束，一束(從6口出來(lái))由光電二極管(PIN2)接收，用來(lái)測(cè)量溫度，另一束通過(guò)7口入射到匹配光柵上，匹配光柵和傳感光柵的參數(shù)相同，用以消除溫度變化對(duì)振動(dòng)的影響，這樣從匹配光柵反射回的信號(hào)只包括振動(dòng)信息，并通過(guò)第二個(gè)3 dB耦合器的8口出來(lái)后由光電二極管(PIN1)接收，這樣振動(dòng)和溫度信號(hào)就被分離出來(lái)。由于溫度變化比較緩慢，可看作靜態(tài)信號(hào)所以通過(guò)低通濾波電路就可以解調(diào)出來(lái)，而振動(dòng)信號(hào)屬于動(dòng)態(tài)信號(hào)，我們通過(guò)高通濾波電路解調(diào)，這樣就達(dá)到振動(dòng)和溫度同時(shí)測(cè)量的目的。

圖2 振動(dòng)和溫度同時(shí)測(cè)量原理圖

設(shè)傳感光柵(FBG1)的中心波長(zhǎng)為λB1，半峰全寬為ΔλB1，峰值反射率為R1，匹配光柵(FBG2)的中心波長(zhǎng)為λB2，半峰全寬為ΔλB2，峰值反射率為R2。為了解析理論的方便，我們認(rèn)為經(jīng)過(guò)光柵反射回來(lái)的光譜波形是以中心波長(zhǎng)為中心的高斯函數(shù)［7－8］，因此兩光柵的反射光譜函數(shù)表達(dá)式為

經(jīng)匹配光柵反射回來(lái)的光功率為兩個(gè)光柵反射的高斯譜的卷積，交叉面積的大小決定光功率的大小，即

其中，k1為PIN1的響應(yīng)度，η為光電轉(zhuǎn)換的放大倍數(shù)，k為邊緣濾波器的斜率，ζ為耦合器分光比的變化及光纖的彎曲和插入損耗等因素造成的總衰減。

當(dāng)匹配光柵(FBG2)的參數(shù)與傳感光柵(FBG1)的參數(shù)完全相同時(shí)，設(shè) λB1=λB2=λB，R1=R2=R，ΔλB1=ΔλB2=ΔλB，則上式變?yōu)?/p>

這也是PIN1所能接收到的最大光功率。

然而傳感光柵既受溫度的調(diào)制也受振動(dòng)的調(diào)制，而匹配光柵只受溫度的調(diào)制。假設(shè)環(huán)境溫度變化引起的光柵布拉格波長(zhǎng)漂移量為ΔλT，振動(dòng)變化引起的光柵布拉格波長(zhǎng)漂移量為Δλε。由于實(shí)際中沒(méi)有完全相同的光纖布拉格光柵，傳感光柵和匹配光柵的峰值反射率和半峰全寬可以相同，但布拉格波長(zhǎng)會(huì)有差異，即λB1≠λB2，把這些參量代入式(5)并整理，可得

從式(7)可見(jiàn)，通過(guò)匹配光柵可以將溫度的變化量消除，從而也證明了采用匹配光柵消除溫度對(duì)振動(dòng)的影響是正確的。

當(dāng)擾動(dòng)為周期性的正弦信號(hào)時(shí)，即y=Asinωt，則引起的傳感光柵波長(zhǎng)變化為Δλ=λBsinωt，則光電探測(cè)器接收到的光信號(hào)功率為

溫度變化對(duì)Bragg波長(zhǎng)的影響是由熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起的，由文獻(xiàn)［11］知，溫度對(duì)光纖光柵波長(zhǎng)漂移的總影響為

式中，α為光纖材料的膨脹系數(shù)，ξ為熱光系數(shù)。對(duì)于石英光纖而言，α 典型值為 5.5×10－7℃，ξ典型值為 6.67×10－6℃－1，溫度變化引起的光纖光柵波長(zhǎng)漂移主要取決于熱光效應(yīng)，它占熱漂移量的95%左右。以典型光柵取布拉格波長(zhǎng)為1 550 nm，半峰全寬為0.2 nm，可探測(cè)的溫度范圍約為0～18℃。為避免雙值問(wèn)題而只取用傳感光柵反射譜的單邊。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

應(yīng)用特制的光源，輸出光譜如圖3所示。可以看出光源在1 532 nm兩邊均有一段類線性的部分，其輸出的光功率密度隨波長(zhǎng)變化而線性變化。我們對(duì)光源光譜的上升沿1 525.44～1 528.48 nm進(jìn)行了線性擬合，擬合曲線如圖4示。

圖3 超熒光光源譜密度圖

圖4 光源部分光譜擬合曲線

上升沿?cái)M合曲線方程為:y=0.013 5x－20.524，線性擬合度R2=0.999 4，光強(qiáng)隨波長(zhǎng)變化的靈敏度k=0.013 5 mW/nm。

實(shí)驗(yàn)采用圖2所示的裝置圖。傳感光柵采用的布拉格波長(zhǎng)為1 525.912 nm，3 dB 帶寬為0.38 nm，峰值反射率為88.78%，粘貼之后的布拉格波長(zhǎng)為1 526.78 nm；參 考 光 柵 的 中 心 波 長(zhǎng)為1 527.16 nm，半峰全寬為0.38 nm，峰值反射率為88.81%。2個(gè)耦合器的分光比均為50/50，放大模塊的放大倍數(shù)約為106V/A。3個(gè)光電探測(cè)器均為近紅外的高速光電二極管，光譜響應(yīng)范圍900 nm～1 700 nm，其響應(yīng)度為0.9 A/W。經(jīng)測(cè)量系統(tǒng)建立后的總衰減 ζ=0.062 5。

2.1 對(duì)溫度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，首先是對(duì)溫度的變化進(jìn)行測(cè)量。將傳感光柵放在保溫箱中，調(diào)節(jié)溫度的變化，對(duì)18℃ ～36℃的溫度變化范圍進(jìn)行了測(cè)量，為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每次測(cè)量的時(shí)間間隔為10 min，最終得到光纖光柵的溫度響應(yīng)曲線如圖5所示。擬合曲線的方程為:y=0.012 7T+1 526.9，線性擬合度R2=0.999 2。

由圖5可以看出，光纖Bragg光柵的溫度曲線有很好的線性響應(yīng)靈敏度。用直線擬合法得到傳感光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)約為0.012 7 nm/℃。在實(shí)際的應(yīng)用中，我們可以將傳感光柵換用傳感器中心波長(zhǎng)在1 527 nm的光纖光柵溫度傳感器，從而同時(shí)測(cè)量變化的環(huán)境溫度，且可測(cè)量的溫度范圍大約為237℃。

圖5 溫度測(cè)試擬合曲線

圖6 反射峰值功率與波長(zhǎng)的擬合曲線

2.2 對(duì)振動(dòng)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)

靜態(tài)測(cè)量時(shí)，施加不同的應(yīng)力來(lái)改變懸臂梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳感器的撓度使懸臂梁彎曲，從而光纖光柵布拉格波長(zhǎng)產(chǎn)生藍(lán)移或紅移，進(jìn)而改變了光強(qiáng)和波長(zhǎng)。在光譜儀中觀測(cè)波長(zhǎng)的漂移值和反射峰值功率并記錄，并對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合分析，擬合曲線如圖 6所示。其擬合曲線方程為:y=1.984x+3 024.3，線性擬合度R2=0.999 3。由線性擬合度可以看出，與光源的擬合度之間有偏差，主要的誤差來(lái)源于隨機(jī)誤差。由式(7)計(jì)算得，解調(diào)系統(tǒng)的靜態(tài)波長(zhǎng)靈敏度為1 785.6 mV/nm。經(jīng)測(cè)量分析系統(tǒng)可分辨的最小穩(wěn)定電壓為1 mV，故波長(zhǎng)的分辨率達(dá)到了0.56 pm，由 ΔλB=0.78λB·ε 可得，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變分辨力為0.47 με。電壓與溫度的靈敏度為22.7 mV/℃，故溫度的分辨率達(dá)到了0.044℃。

動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，用北京艾普瑞特科技發(fā)展有限公司的小型精密振動(dòng)臺(tái)(型號(hào)WS－Z30－40，工作頻率0.5 Hz～3 500 Hz，最大位移±5 mm，最大加速度±10gn)作模擬振源，提供單一頻率的正弦信號(hào)作微振動(dòng)信號(hào)，把懸臂梁傳感器固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，實(shí)驗(yàn)時(shí)認(rèn)為振動(dòng)臺(tái)與梁同振動(dòng)。我們對(duì)10 Hz～148 Hz頻率的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，用NI公司的USB－6211(16 bit，250 kS/s)型數(shù)據(jù)采集卡對(duì)光電轉(zhuǎn)換輸出的電信號(hào)采樣。信號(hào)輸出端采用LABVIEW編寫(xiě)顯示和處理軟件［12］，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。圖7給出了10 Hz和110 Hz的時(shí)域和對(duì)應(yīng)的頻譜圖，系統(tǒng)的采樣頻率為 5 kHz，采樣點(diǎn)為10 000個(gè)。

從圖7中上邊的時(shí)域譜線圖可以看出，檢測(cè)到的電壓信號(hào)基本為正弦信號(hào)，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的光纖Bragg光柵振動(dòng)與溫度同時(shí)測(cè)量的解調(diào)方案是可行的。圖7中下邊給出了各個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的頻域譜線圖，可以看出頻率均單一、主頻強(qiáng)度最大且頻率值正好是振動(dòng)臺(tái)提供的頻率值，說(shuō)明所建立的解調(diào)系統(tǒng)可以真實(shí)、可靠的反映出被測(cè)信號(hào)。

圖7 檢測(cè)光強(qiáng)的電壓值隨采樣時(shí)間變化的時(shí)域和頻譜分布圖

3 結(jié)論

本文研究了一種振動(dòng)與溫度同時(shí)測(cè)量的光纖光柵解調(diào)方案。對(duì)解調(diào)方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，由于振動(dòng)傳感器用的是光柵式，所以對(duì)溫度的傳感靈敏度接近裸光柵的測(cè)量靈敏度。而對(duì)振動(dòng)的測(cè)量，先對(duì)靜態(tài)進(jìn)行了測(cè)量，通過(guò)理論計(jì)算，系統(tǒng)的靜態(tài)波長(zhǎng)靈敏度為1 785.6 mV/nm，波長(zhǎng)的分辨力達(dá)到了0.56 pm，溫度的靈敏度為22.7 mV/℃，溫度的分辨力達(dá)到了0.044℃，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明建立的溫度與振動(dòng)同測(cè)的解調(diào)方案是可行的，具有一定的實(shí)用價(jià)值，可用于在強(qiáng)磁場(chǎng)或強(qiáng)腐蝕性等環(huán)鏡下對(duì)橋梁、水壩、船艦、火車(chē)、油田、油罐等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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