一種光纖光柵非接觸機械振動傳感器的研究

魏 莉 周祖德 黃 俊 何玉苗

武漢理工大學，武漢，430070

0 引言

隨著科學技術的不斷進步和現代工業的迅速發展，機械系統正日益向大型化、柔性化、重載化、系統化和自動化的方向發展，這使得機械系統的性能要求越來越高、結構越來越復雜、工作環境越來越嚴酷，常常運行在高速、重載、高溫和多場耦合的工況下，工作狀態呈現出多變性、耦合性和非線性特征。這些變化和發展對機械系統的運行狀態和結構損傷的動態監測提出了更高的要求。

1）重理論，輕實踐。在職業院校發展初期，這個特點是職業院校的通病，其產生有著很重的歷史背景。原因一是原有的職業院校教學體系是繼承本科院校的，很多院校只是單純地調整課程體系或降低課本的難度，沒有摸索出職業院校人才培養模式；原因二是師資隊伍缺失，原有的職業教育社會地位低，無法吸引好的專業人才加入，特別是一些雙師型教師的缺乏，直接導致教學質量不理想。

目前，工程上測量振動的方法主要有機械式、電氣式、光學式等測量方法［1－3］。雖然機械式傳感器抗干擾能力強，但其測量精度不高、頻率范圍較窄；電氣式傳感器抗電磁干擾能力差、長期穩定性差、分布式布置困難、信號傳輸距離有限，難以真正實現多參數分布式動態監測；光學式傳感器是將工程振動的參量轉變為光學信號來進行測量的，光纖 Bragg光柵（fiber Bragg grating，FBG）作為一種新型的光學測量傳感器，具有對電絕緣、抗電磁干擾、穩定性好、可遠距離信號傳輸等優點，且在單根光纖上可布置多個測量光柵形成分布式傳感器，能實現“一線多點、無源多場”的檢測方式，因此，在機械系統結構損傷和運行狀態分布式動態監測中具有很好的應用前景。

國內外學者自20世紀90年代就對FBG振動傳感技術展開了研究。文獻［4］采用盤片式結構作為彈性體，設計了一種FBG振動傳感器。文獻［5］提出了一種特殊三腳支架和等強度懸臂梁結構的FBG振動傳感器，用于檢測75Hz以下的振動。文獻［6］利用光纖光柵隨弓形梁彎曲變形的敏感特性，通過設計特制的增敏結構，研制了一種基于彎曲特性的FBG振動傳感器。文獻［7］提出了一種基于“鋼管－質量塊”彈性結構體的光纖光柵加速度傳感器，將4個光纖光柵粘貼在質量塊一側的鋼管表面應變最大處，通過兩兩組合的光柵實現二維測量和溫度補償。

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

光纖光柵是利用紫外曝光技術，在光纖芯內形成折射率具有周期性的分布結構，如圖1所示。當一束寬帶光入射到光纖光柵中時，周期性折射率結構使得某個特定波長的窄帶光被反射，反射光波長滿足Bragg散射條件，即

1 FBG振動傳感的基本原理

綜上所述，現有關于FBG振動傳感器的研究主要通過利用不同結構、材料進行封裝來實現增敏，進而提高傳感性能。本文在分析現有FBG振動傳感器研究的基礎上，設計了一種基于永磁結構的FBG振動傳感器，采用ANSYS有限元軟件進行了理論分析和數值仿真，制造了FBG傳感器實驗裝置，進行了相關實驗研究，實現了機械振動的非接觸檢測，該傳感器充分發揮了光纖Bragg光柵傳感器的特點，可應用于易燃易爆和電磁干擾強的場合，并能實現信號的遠距離傳輸。

農副產品加工企業的系統模塊重點在對種植戶鮮果市場、物流企業路線及時效性進行查詢，完成加工生產需要的訂單發布和處理。

式中，n、Λ分別為光纖光柵的有效折射率和柵格周期。

圖1 光纖光柵結構

光纖光柵的中心反射波長與光柵的周期和反向耦合模的有效折射率成正比。只有滿足式（1）的波長才被光纖光柵反射，其余被其透射。無論是對光柵進行拉伸或壓縮，都勢必導致光柵周期Λ的變化，這為光纖Bragg光柵制成光纖應變傳感器提供了最基本的物理基礎［8］。

根據ANSYS仿真結果可知，氣隙為3mm時，集中力為20.288N，由式（3）計算得膜片撓度為40.5μm，在膜片計算公式適用范圍內。

式中，Pe為有效彈光系數，對于普通光纖材料，Pe＝0.22；ε為應變。

由于采用中心波長為1300nm的光纖Bragg光柵，故1×10－6的應變將引起1pm的波長改變量。實際應用中，由于光纖光柵對溫度和應變同時敏感，故若環境溫度變化，可增加一個自由光柵（非粘貼）進行溫度補償。

2 FBG振動傳感器結構設計

圖2 FBG振動檢測原理示意圖

選用的永磁材料為釹鐵硼（N38），截面半徑6mm，厚度5mm，矯頑力Hc＝860kA/m，剩磁Br＝1.22T。建立的有限元模型如圖3所示，節點數量為271 022，單元數量為136 590。圖4所示為磁場仿真結果。

生的磁力決定，因此磁場力選擇是探頭設計的一項重要內容。考慮到磁場漏磁、非線性等因素影響，這里采用ANSYS軟件進行數值仿真計算。

圖3 模型網格劃分圖

圖4 磁場分布仿真結果

要把磁力轉化為FBG的應變，還需借助彈性元件。這里采用的彈性元件是周邊固定的等截面圓形薄板構成的平膜片，膜片中心有一個硬芯，用來承受集中力載荷（F）。有硬芯的平膜片在集中力作用下的撓度計算公式如下：

從圖2可以得知，膜片變形主要由永磁體產

改變探頭到被測軸的距離，分別求得對應磁力，得到圖5所示磁力與位移的關系。

圖5 位移與磁力關系圖

從圖5可得，磁力與氣隙成非線性關系，且距離越遠，磁力越小；在氣隙位于0.5到3mm之間時，斜率最大，同時具有較好的線性度。故設計FBG振動傳感時應考慮此點。

3 FBG振動傳感器的彈性元件設計

通常FBG只對應變和溫度敏感，若想實現振動信號的檢測，必須借助其他彈性元件實現轉換。根據相關理論分析和參數優化，本文提出一種FBG振動檢測結構，如圖2所示。當傳感器磁耦合探頭的氣隙L（即被測位移量）發生變化時，會導致探頭和被測物體之間的磁力發生變化，由于磁力作用在彈性膜片的硬芯上，將改變膜片的撓度，進而改變與之相連的FBG傳感器軸向應變，故最終可通過測量FBG傳感器應變量間接獲得被測量的變化。

式中，μ為膜片材料的泊松比，μ＝0.3；E為膜片材料的彈性模量，E＝200GPa；r為膜片半徑，r＝20mm；h為膜片厚度，h＝0.5mm；r0為硬芯半徑，r0＝5mm。

光纖光柵受到拉力作用時，波長改變量ΔλB與應變的關系如下：

膜片位移即為光纖伸長量，則FBG應變

值得關注的是，據臨床報道，SHLI有致速發型過敏反應的不良反應［19-20］，似乎與本研究SHLI抗過敏作用相矛盾。事實上，本課題組正是在研究SHLI致過敏的不良反應過程中發現其對肥大細胞脫顆粒具有良好的抑制作用［6，21］。藥物被機體作為異物識別而發生過敏反應與其可治療過敏性疾病二者之間并不矛盾。正如作為抗過敏的一線藥物酮替芬，其使用注意事項中也明確提出“對本品過敏癥禁用”。需要說明的是，SHLI通過線粒體鈣單向轉運體活化發揮其強大的肥大細胞穩定作用［6］給其致過敏的研究帶來了困難。在研究設計SHLI致敏性實驗時，需要排除前者的干擾，這是研究過程中必須注意的。

基于I/O-Link技術，巴魯夫為汽車用戶搭建起了一套系統級安全解決方案，包括底層安全傳感器、安全I/O以及更上層的安全PLC，而且能夠與標準自動化系統兼容并行，這將很好地簡化用戶的安全系統設計和實施。

取光纖固定點間長度l＝70mm，計算得到FBG應變ε＝579.3×10－6。

4 實驗測試結果及分析

根據以上提出的FBG振動傳感原理和理論分析，設計并加工了實驗裝置，如圖6所示。FBG振動傳感器安裝在一個滑槽中并可在滑槽中前后移動，用于調整傳感器的初始安裝位置，在實際測試時就是傳感器的零位。

圖6 FBG振動傳感器實驗裝置

4.1 FBG振動傳感器的靜態標定

在旋轉機械實驗平臺上，以軸為對象進行靜態標定，標定過程中需對實際輸入位移量進行有效控制。測試時，通過安裝在傳感器后部的螺旋測微器來對位移進行微調，由于傳感器和螺旋測微器的測量頭連接在一起，故微調步距等同于螺旋測微器的精度。

采用厚度為0.5mm的膜片，改變氣隙大小，分別記錄FBG振動傳感器的輸出，并繪制測試結果關系圖，如圖7所示。

圖7 厚度為0.5mm膜片靜態標定結果

由于實驗在密閉房間進行，干擾較小，因此可認為膜片是一理想元件。故可根據以上測試結果反推磁力，實驗結果與仿真結果基本吻合，這說明此種測量方法是可行的。但從圖7可看出，FBG傳感器的輸出應變值比較小，檢測的靈敏度不高。要進一步提高檢測靈敏度，由式（3）可知，一方面可增大磁力，但需加大磁耦合探頭中永磁體的尺寸，進而增大探頭的質量，加大基礎振動對檢測結果的影響，最終會增大誤差；另一方面可減小膜片厚度，因為在同樣磁力作用下減小膜片厚度可產生更大撓度，引起FBG傳感器更大的應變。通過以上分析，這里選擇將膜片的厚度減小為0.2mm，進行相同的測試。測試結果如圖8所示。

圖8 厚度為0.2mm膜片靜態標定結果

從圖8中可看出，在同樣位移下，FBG的輸出明顯增大。在整個測量區間內，位移與波長變化量之間是非線性關系。在確定傳感器工作區間時，有兩種方式，一種取較大測量范圍，預先標定，但信號調理難度加大；另一種選擇斜率較大的區間作為量程，且輸入輸出近似為線性關系，并進行線性化擬合，如圖9所示。

圖9表明，該段區間具有較好的線性度，同時檢測靈敏度可達到1.14μm/pm，線性度誤差為0.4%，現有光纖光柵解調儀表分辨能力可達到1pm，也就是說該振動傳感器的位移檢測精度可達到1.14μm，量程為1mm。

(2) 與以往注漿模型相比，本文構建的模型不受裂隙面產狀的影響，可以定量確定任一傾斜裂隙在漿液擴散區內的注漿壓力與注漿時間和漿液擴散距離的關系，進一步拓寬了該模型的應用范圍。

4.2 FBG振動傳感器的動態測試

圖9 厚度為0.2mm膜片線性擬合結果

為檢測FBG振動傳感器的動態特性，這里將傳感器安裝于旋轉機械實驗測試平臺上，對不同轉速n0下的振動信號進行檢測，實驗測量波形如圖10所示。經過頻譜分析（圖11），實測振動信號的主要頻率成分與轉速頻率一致，這表明所設計的FBG振動傳感器能夠跟蹤動態信號。

2.2.4 用藥頻次不適宜 如左甲狀腺素片宜將一日劑量一次性服用，常見錯誤用法為每日3次或每日2次服用；脾氨肽口服凍干粉宜每日一次或隔日一次服用，錯誤為每日3次服用。

圖10 不同轉速下振動信號測量

圖11 不同轉速下振動信號頻譜

5 總結與展望

（1）采用光纖光柵作為敏感元件，與傳統電測傳感器相比具有抗電磁干擾能力強、防爆、穩定性好的特點。

高職上接研究型大學，下連中職，是國家技能型人才鏈的重要組成部分，在有效服務地方經濟發展中占有不可替代的層次與作用。因此，高職要依據地方經濟產業發展用人預期需求，與企業合作，共同培育高素質創新人才和技術技能人才。

（2）設計的FBG非接觸振動傳感器量程為1mm，位移檢測精度可達到1.14μm，在工作區間內線性度可達0.996。

（3）設計的FBG非接觸振動傳感器能滿足大型旋轉機械轉軸的振動位移檢測要求，還可和其他光纖光柵傳感器構成多參數檢測系統，可充分發揮光纖光柵傳感多參數分布式檢測的優勢。

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