光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)的研究與進(jìn)展*

張小棟， 謝思瑩， 牛 杭， 張 平， 賈丙輝

(1.西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安，710049)

(2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 西安，710049) (3.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 西安，710055)

(4.南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 南京，211100)

?專家論壇?

光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)的研究與進(jìn)展*

張小棟1，2， 謝思瑩2， 牛 杭2， 張 平3， 賈丙輝4

(1.西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安，710049)

(2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 西安，710049) (3.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 西安，710055)

(4.南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 南京，211100)

首先，在論述光纖傳感器基本理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)以兩類典型的傳光型光纖傳感器——反射式光纖位移傳感器及透射式光纖傳感帶為對(duì)象，討論了其檢測(cè)原理和關(guān)鍵技術(shù)，以及在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械支承——滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑膜狀態(tài)信息和轉(zhuǎn)子振動(dòng)信息、航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉尖間隙、燃油流量及人體位姿信息等重要工程參數(shù)檢測(cè)中的應(yīng)用；其次，分析了兩種典型的傳感型光纖傳感器——光強(qiáng)調(diào)制型光纖曲率傳感器和Bragg光纖光柵傳感器的檢測(cè)原理和關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了它們分別在機(jī)匣變形動(dòng)態(tài)測(cè)量和齒輪應(yīng)力應(yīng)變動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用；最后，基于這兩類典型光纖傳感器的特點(diǎn)及工程應(yīng)用，對(duì)光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和展望。

光纖傳感器； 動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)； 旋轉(zhuǎn)機(jī)械； 工程參數(shù)

引 言

光纖傳感器是一種將待測(cè)物理量信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)光信號(hào)的新型傳感檢測(cè)裝置。自20世紀(jì)60年代光纖問世后，這一新興傳感檢測(cè)技術(shù)便得到了高速發(fā)展。各種待測(cè)物理量，如位移、壓力、速度、流量等都可以對(duì)光纖傳感器的輸入光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，進(jìn)而得到與待測(cè)物理量成一定函數(shù)關(guān)系的輸出光信號(hào)。因?yàn)榫哂匈|(zhì)量輕、體積小、耐高溫、抗電磁干擾強(qiáng)、信號(hào)衰減程度小等特點(diǎn)，光纖傳感器可以用來替代傳統(tǒng)機(jī)械式、電磁式傳感器，克服傳統(tǒng)傳感器用于狹窄環(huán)境測(cè)量及惡劣環(huán)境測(cè)量時(shí)所存在的不足。自光纖傳感器誕生以來，其種類不斷增多，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，從反射式光纖位移傳感器、透射式光纖傳感器等傳光型光纖傳感器，到Bragg光纖光柵傳感器等傳感型光纖傳感器，通過研究不同檢測(cè)原理和結(jié)構(gòu)的光纖傳感器，可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)位移、溫度、速度、壓力、化學(xué)組分等各種物理量的檢測(cè)。近年來，光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)憑借其巨大的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用在石油化工、機(jī)械加工、電子電力、生物技術(shù)、醫(yī)藥健康、航空、航天、航海等領(lǐng)域，對(duì)光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)及其工程應(yīng)用的深入研究也成為了未來先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)研究的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

筆者敘述了光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程，闡述了光纖傳感器的基本檢測(cè)原理，通過對(duì)幾種典型傳光型、傳感型光纖傳感器的檢測(cè)原理、關(guān)鍵技術(shù)和工程應(yīng)用的介紹，分析了光纖傳感檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展需求，并對(duì)未來光纖傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)做出了展望。

1 國(guó)內(nèi)外光纖傳感檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

對(duì)光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)的研究起步于20世紀(jì)60年代中后期，科技工作者利用光纖不僅能夠傳導(dǎo)光波，而且能在傳播光波的過程中表征出光波特征參量隨外界作用的變化規(guī)律這一特點(diǎn)，將待測(cè)量與光纖內(nèi)的光信號(hào)傳輸特性聯(lián)系起來。Frank[1]和Kissinger[2]先后提出了反射式強(qiáng)度調(diào)制型光纖位移傳感器，并利用其實(shí)現(xiàn)了非接觸情況下的位移測(cè)量。Reynolds等[3]利用反射式光纖傳感器研究了血液漫反射系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了光纖傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。Cook等[4]對(duì)反射式光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并將該傳感器用于沖擊量的測(cè)量,使傳光型光纖傳感器得到了進(jìn)一步發(fā)展。

1977年，美國(guó)海軍研究所開展了光纖傳感器系統(tǒng)研究計(jì)劃(FOSS)[5]，標(biāo)志著對(duì)光纖傳感器研究的全面開展。1978年， Hill等[6]在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖光敏效應(yīng)，并用駐波寫入法制成世界上第1只光纖光柵。同年，Butter等[7]利用光纖微彎損耗效應(yīng)研制出了光纖應(yīng)變儀，傳感型光纖傳感器的研究開始興起。Meltz等[8]利用紫外激光干涉法制成Bragg光纖光柵，為光纖光柵制造技術(shù)帶來了重大突破。從此，以光纖光柵等為典型的傳感型光纖傳感器逐步走向?qū)嵱没?/p>

隨著對(duì)光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)的深入研究，可對(duì)光信號(hào)的強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)制的光纖傳感器達(dá)到了近百種。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家先后開展了一系列光纖傳感研究計(jì)劃，有NASA的光纖陀螺儀研究計(jì)劃(FOG)[9]和數(shù)字光纖控制系統(tǒng)研究計(jì)劃(ADOSS)[10]、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控研究計(jì)劃(AEM)[11]等，光纖傳感技術(shù)開始進(jìn)入航空航天等高科技尖端領(lǐng)域。與此同時(shí)，一系列民用光纖研究計(jì)劃也得到大力發(fā)展。

在20世紀(jì)70年代，我國(guó)開始大力研究光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)，鉆研并攻克其中的各種關(guān)鍵問題，取得諸多突破性進(jìn)展。自21世紀(jì)起，我國(guó)將光纖傳感技術(shù)列入“八六三” 及“九七三” 計(jì)劃的重點(diǎn)課題項(xiàng)目，使得我國(guó)自主光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)的研究得到了重點(diǎn)關(guān)注和快速發(fā)展，并在國(guó)內(nèi)逐步形成了一定規(guī)模的技術(shù)實(shí)力和應(yīng)用領(lǐng)域，從而使光纖傳感器開始在智能結(jié)構(gòu)、工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)療、自然保護(hù)以及人們?nèi)粘Ｉ钪T領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。相應(yīng)地，對(duì)光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)的研究，已逐步成為傳感檢測(cè)領(lǐng)域的前沿課題。

2 光纖傳感器的檢測(cè)原理及基本類型

2.1 光纖傳感器的檢測(cè)原理

光信號(hào)是光纖傳感器的主要信號(hào)載體。早在1985年，科學(xué)家Maxwell就證實(shí)了光是一種電磁波，將光信號(hào)記作矢量E，可表示為如下形式

(1)

光纖傳感器的工作主要是檢測(cè)被待測(cè)量調(diào)制后的光信號(hào)特征，對(duì)其研究主要集中在以下5種光波參數(shù)隨待測(cè)物理量變化的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

1) 光強(qiáng)I：光強(qiáng)信息可由光探測(cè)器直接檢測(cè)，其與矢量B的大小有關(guān)。

2) 相位φ：一般通過干涉法將相位信息轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)來測(cè)量。

3) 偏振態(tài)：主要利用光學(xué)中的旋光現(xiàn)象和雙折射現(xiàn)象等進(jìn)行檢測(cè)，其與矢量B的方向有關(guān)。

4) 頻率f：主要利用光纖的受激Brillion散射、Raman散射等非線性效應(yīng)或Doppler光學(xué)效應(yīng)，檢測(cè)光信號(hào)頻率的變化規(guī)律，其與角頻率ω有關(guān)(f=ω/2π)。

5) 波長(zhǎng)λ：主要通過檢測(cè)光譜或F-P干涉濾光方式來檢測(cè)光信號(hào)波長(zhǎng)的變化規(guī)律。

2.2 光纖傳感器的基本類型

根據(jù)光纖在傳感器中的作用，可將光纖傳感器分為傳光型和傳感型兩類光纖傳感器。

傳光型光纖傳感器是一種非功能型光纖傳感器，其中光纖只作為傳導(dǎo)介質(zhì)，光信號(hào)是在光纖外部被待測(cè)量調(diào)制的，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。例如反射式光強(qiáng)調(diào)制型光纖位移傳感器、透射式光強(qiáng)調(diào)制型光纖位姿傳感帶、利用黑體輻射現(xiàn)象的光纖溫度傳感器，以及利用Doppler效應(yīng)的激光速度計(jì)等都屬于傳光型光纖傳感器。

傳感型光纖傳感器是一種功能型光纖傳感器，其中的部分光纖本身就是敏感元件，光信號(hào)在光纖內(nèi)部被待測(cè)量調(diào)制，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度更高。例如，利用光纖彎曲損耗特性制成的曲率傳感器、Bragg光纖光柵應(yīng)力傳感器等都屬于傳感型光纖傳感器。

3 傳光型光纖傳感器及其工程應(yīng)用

3.1 傳光型光纖傳感器的檢測(cè)原理

如圖1所示，傳光型光纖傳感器工作原理如下：光源發(fā)出一定功率的光，經(jīng)過發(fā)射光纖到達(dá)外部傳感環(huán)境后，光信號(hào)的強(qiáng)度、頻率、波長(zhǎng)、相位或偏振態(tài)被待測(cè)量調(diào)制。調(diào)制完成的光信號(hào)，經(jīng)過接收光纖返回到光探測(cè)器內(nèi)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過信號(hào)解調(diào)和數(shù)據(jù)采集，由上位機(jī)對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，便能完成對(duì)待測(cè)量的檢測(cè)。在傳光型光纖傳感器中，強(qiáng)度調(diào)制型傳感器是最常見的形式。筆者結(jié)合自己的科研實(shí)踐，在此著重對(duì)兩種典型的強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的檢測(cè)原理、關(guān)鍵技術(shù)以及在工程中的典型應(yīng)用分別進(jìn)行分析論述。

圖1 傳光型光纖傳感器工作原理Fig.1 Operational principle of transmission-type fiber optic sensor

3.2 反射式光纖位移傳感器及其工程應(yīng)用

3.2.1 反射式光纖位移傳感器檢測(cè)原理

反射式光纖位移傳感器是出現(xiàn)最早、發(fā)展最成熟的一類光纖傳感器[12]。如圖2所示，它的工作原理如下：光源發(fā)出的光束通過發(fā)射光纖照射到待測(cè)物體表面后發(fā)生反射，反射光部分或全部進(jìn)入接收光纖，接收光纖被反射光斑覆蓋的面積隨探頭和被測(cè)物體的間距變化而改變，即接收反射光總量被待測(cè)位移量調(diào)制而產(chǎn)生了變化；因此，對(duì)接收光信號(hào)的強(qiáng)度值進(jìn)行分析就能得到待測(cè)的位移信息。

圖2 反射式光纖位移傳感器工作原理Fig.2 Operational principle of reflective fiber optic displacement sensor

3.2.2 反射式光纖位移傳感器中的關(guān)鍵技術(shù)

反射式光纖位移傳感器的關(guān)鍵技術(shù)主要包括探頭設(shè)計(jì)、光路補(bǔ)償方法、前置處理器設(shè)計(jì)以及智能化設(shè)計(jì)中所必須的軟件補(bǔ)償方法等4個(gè)方面。其中，探頭設(shè)計(jì)需根據(jù)待測(cè)參數(shù)的變化規(guī)律和工作環(huán)境，綜合考慮光纖的纖芯半徑、數(shù)值孔徑、傳播介質(zhì)的折射率等幾個(gè)參數(shù)[13]。同時(shí)，為了消除反射面特性及入射光波動(dòng)等因素的影響，光纖探頭常采用雙光路補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。例如，筆者設(shè)計(jì)出了一種雙圈同軸的光纖傳感探頭[14]，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光信號(hào)的硬件補(bǔ)償以消除反射面及光纖制造時(shí)引入的干擾。接收光信號(hào)還要通過合理的光電轉(zhuǎn)換、放大濾波等前置處理電路后，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將檢測(cè)結(jié)果輸入至上位機(jī)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、形態(tài)學(xué)濾波等軟件補(bǔ)償方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償[13,15]，并經(jīng)過時(shí)域、頻域等運(yùn)算分析，得到光信號(hào)特征參數(shù)的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)量的檢測(cè)。

3.2.3 反射式光纖位移傳感器在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械潤(rùn)滑油膜及轉(zhuǎn)子振動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用

在液體動(dòng)壓潤(rùn)滑中，潤(rùn)滑油有減輕軸承摩擦和承受載荷的作用，它的動(dòng)態(tài)特性特別是最小油膜厚度值，直接影響著整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行的品質(zhì)。傳統(tǒng)測(cè)量油膜狀態(tài)的方法中，電渦流法測(cè)量精度低，易受電磁干擾影響；而光干涉法標(biāo)定困難，安裝復(fù)雜。因此，筆者基于反射強(qiáng)度調(diào)制式光纖位移傳感器的工作原理，提出了一種雙圈同軸反射式光纖位移傳感器的設(shè)計(jì)理念，開發(fā)了相應(yīng)的用于檢測(cè)潤(rùn)滑油膜動(dòng)態(tài)信息的兩點(diǎn)光纖檢測(cè)系統(tǒng)[13,16]，如圖3所示。其工作原理為：采用兩路相互垂直的雙圈同軸反射式光纖位移傳感器測(cè)得兩路油膜厚度動(dòng)態(tài)值，求出軸頸動(dòng)態(tài)圓心O′的坐標(biāo)(x,y)，從而推知旋轉(zhuǎn)機(jī)械支撐的滑動(dòng)軸承最小潤(rùn)滑油膜厚度動(dòng)態(tài)值及其偏位角。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

圖3 潤(rùn)滑油膜厚度檢測(cè)光纖傳感系統(tǒng)Fig.3 Lubricating oil film measurement system using dual fiber optic sensors

針對(duì)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的關(guān)鍵參數(shù)——轉(zhuǎn)子振動(dòng)值，筆者設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)轉(zhuǎn)子振動(dòng)信息的光纖傳感器系統(tǒng)[17]，如圖4所示。該傳感器能夠克服電渦流傳感器的局限，通過x,y軸方向的兩個(gè)雙圈同軸光纖位移傳感器得到轉(zhuǎn)子振動(dòng)的軸心軌跡，并能參考轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)，通過前置電路處理和數(shù)據(jù)采集，由上位機(jī)運(yùn)算可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)信息的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

圖4 轉(zhuǎn)子振動(dòng)測(cè)量光纖傳感器示意圖Fig.4 Installation diagram of fiber optic measurement system for rotor vibration

3.2.4 反射式光纖位移傳感器在航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)中的應(yīng)用

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，渦輪葉尖間隙值和發(fā)動(dòng)機(jī)流量值都是表征發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行健康狀態(tài)的重要參數(shù)。其中，渦輪葉尖間隙過大會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率，過小則會(huì)導(dǎo)致碰磨引發(fā)事故[18]；而燃油流量則是評(píng)價(jià)航空器運(yùn)行性能的指標(biāo)。檢測(cè)這些參數(shù)的常用機(jī)載傳感器多為電磁式傳感器，受航空發(fā)動(dòng)機(jī)全工況下氣體電離等干擾影響，檢測(cè)精度較低。因此，筆者分別構(gòu)建了一種基于雙圈同軸反射式位移傳感器的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙光纖檢測(cè)系統(tǒng)，以及一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量光纖檢測(cè)系統(tǒng)[18]。

如圖5所示，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理如下：將光纖探頭安裝在葉片頂部的機(jī)匣上，光源發(fā)出的光經(jīng)發(fā)射光纖到達(dá)渦輪葉片葉尖頂端后被反射，接收光纖接收到反射光信號(hào)并進(jìn)行處理，可以得到渦輪葉片的頂部與機(jī)匣內(nèi)表面之間的動(dòng)態(tài)間隙值，再參考轉(zhuǎn)速傳感器的輸出就可得到每個(gè)葉片的葉尖間隙動(dòng)態(tài)值。這種檢測(cè)系統(tǒng)或裝置不受葉片材料和高溫環(huán)境的限制，且便于安裝，不破壞發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此具有很好的檢測(cè)精度和工程適應(yīng)性。

圖5 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)原理圖Fig.5 Operational principle of optical fiber measurement system for blade tip clearance in aircraft engine

如圖6所示，航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃油流量檢測(cè)的工作原理如下：基于渦輪流量計(jì)，將發(fā)射光纖經(jīng)由導(dǎo)流架安裝在渦輪流量計(jì)內(nèi)部，當(dāng)燃油流體驅(qū)動(dòng)流量計(jì)內(nèi)部渦輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，渦輪葉片周期性地反射光波，使接收光纖接收到的反射光脈沖頻率與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比。通過前置電路處理、數(shù)據(jù)采集和上位機(jī)運(yùn)算可以得到與流量成正比的脈沖信號(hào)，進(jìn)而得到航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量的動(dòng)態(tài)信息，這種新開發(fā)的裝置可以稱其為光纖渦輪流量計(jì)。它與常規(guī)的電磁渦輪流量計(jì)相比，在線性度、重復(fù)性、穩(wěn)定性、抗電磁干擾能力及量程比等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖6 航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量檢測(cè)光纖傳感系統(tǒng)原理圖Fig.6 Operational principle of optical fiber measurement system for fluid-flow in aero-engine

3.3 透射式光纖位姿傳感帶及其應(yīng)用

3.3.1 透射式光強(qiáng)調(diào)制光纖傳感帶檢測(cè)原理

如圖7所示，透射式光纖位移傳感器的工作原理如下：將靠近光源一側(cè)的固定光纖作為光源光纖，并將另一端可動(dòng)光纖作為接收光纖布置在待測(cè)物體上，光源發(fā)出光信號(hào)沿光源光纖傳播后，入射到兩個(gè)光纖之間的傳播介質(zhì)中,其中一部分光信號(hào)透射進(jìn)接收光纖，通過檢測(cè)接收光纖的輸出光功率就可以確定這部分透射光的強(qiáng)度值，并計(jì)算出光源光纖與接收光纖的相對(duì)位移、角位移等多維動(dòng)態(tài)信息，從而得到待測(cè)物理量信息。

圖7 光纖傳感帶組成結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of optical fiber ribbon

一般地，基于工程實(shí)用考慮，利用這種透射式光纖位移傳感器的工作原理，可以制做成光纖傳感帶結(jié)構(gòu)，由并排的16組光纖單元組成，每組單元包含一根光源光纖和兩根接收光纖，光纖單元的接續(xù)處則等距地分布在光纖帶上用于布置在待測(cè)物體區(qū)域。通過檢測(cè)16組光纖單元的輸出光強(qiáng)度信號(hào)，并求出輸出光導(dǎo)率的變化就可以計(jì)算出光纖帶的彎曲量和扭轉(zhuǎn)量，從而得到被測(cè)物體三維角度、運(yùn)動(dòng)方向等信息。

3.3.2 透射式光強(qiáng)調(diào)制型光纖帶檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

透射式光強(qiáng)調(diào)制光纖帶檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)主要包括光纖帶彎敏、抗噪設(shè)計(jì)、后續(xù)處理的軟、硬件設(shè)計(jì)等。其中，設(shè)計(jì)透射式光強(qiáng)調(diào)制光纖帶的探頭部分時(shí)，主要通過光纖帶的非接續(xù)處的硬殼保護(hù)套來確保光纖帶的彎曲只發(fā)生在接續(xù)處。同時(shí)，接收光纖采用兩根光纖的差分形式提高信噪比。接收光信號(hào)經(jīng)過前置調(diào)理電路，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集器送入上位機(jī)后，可通過仿真軟件如Motion Builder， Quest3D和Virtools等將光纖帶平面轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)變化轉(zhuǎn)換為三維模擬圖像顯示。

3.3.3 透射式光強(qiáng)調(diào)制光纖傳感帶在外骨骼機(jī)器人的人體下肢動(dòng)作檢測(cè)中的應(yīng)用

外骨骼機(jī)器人是一種穿戴在人體上，協(xié)助人體承擔(dān)負(fù)重的機(jī)器結(jié)構(gòu)[19]，在軍隊(duì)、醫(yī)療以及緊急救護(hù)中應(yīng)用廣泛，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是通過傳感器捕捉人體運(yùn)動(dòng)意圖或行為作為控制信號(hào)作用在外骨骼上。

常用的機(jī)械力傳感器會(huì)因?yàn)橥夤趋婪e(cuò)位引起誤差，因此，筆者選型設(shè)計(jì)了一種基于透射式光纖傳感器的光纖位姿帶，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)人體下肢的運(yùn)動(dòng)意圖，如圖8所示。其工作原理如下：將光纖帶固定在人體下肢并使接續(xù)處位于關(guān)節(jié)處，拾取到的彎曲和扭轉(zhuǎn)信息在計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理后可得到6維運(yùn)動(dòng)特征值[20]；這些信號(hào)通過模式識(shí)別，最終能得到人體的運(yùn)動(dòng)意圖(走、跑、上斜坡、下斜坡、蹲、起)信息；再把這些信息作為輸入控制信號(hào)，就能實(shí)現(xiàn)外骨骼與人體的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

圖8 檢測(cè)人體下肢運(yùn)動(dòng)意圖的光纖帶系統(tǒng)圖Fig.8 Fiber belt system for measuring lower limb movement of human body

光纖位姿帶用于檢測(cè)人體下肢運(yùn)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穿戴容易、抗干擾力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合上位機(jī)軟件編程，還可以形成可視化的輸出效果，使測(cè)量和控制過程更為直觀。

4 傳感型光纖傳感器及其工程應(yīng)用

4.1 傳感型光纖傳感器的檢測(cè)原理

在傳感型光纖傳感器中，光纖不僅是導(dǎo)光媒介，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制。與傳光型光纖傳感器相比，傳感型光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前的研究熱點(diǎn)。如圖9所示，傳感型光纖傳感器的工作原理如下：光纖本身作為敏感元件，在被測(cè)量的作用下，光纖的折射率、損耗、結(jié)構(gòu)等參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致光纖內(nèi)光信號(hào)的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)或頻率等參數(shù)被調(diào)制。對(duì)調(diào)制后的光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，并對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行分析后可得到被檢測(cè)的物理量。

圖9 傳感型光纖傳感器工作原理Fig.9 Operational principle of functional-type fiber optic sensor

筆者結(jié)合近年來對(duì)傳感型光纖傳感器及其應(yīng)用的研究，著重分析討論強(qiáng)度調(diào)制型光纖曲率傳感器和光纖光柵應(yīng)變傳感器的檢測(cè)原理、關(guān)鍵技術(shù)及其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣變形檢測(cè)、行星輪系齒輪彎曲應(yīng)力檢測(cè)中的應(yīng)用[19-21]。

4.2 光纖曲率傳感器及其工程應(yīng)用

4.2.1 光纖曲率傳感器測(cè)量原理

如圖10所示，基于光纖彎曲損耗效應(yīng)的強(qiáng)度調(diào)制型光纖曲率傳感器的工作原理如下：在多模光纖的一側(cè)采用精密磨削、飛刀銑削或刻蝕等方法將纖芯的一部分去除，形成深度為h的矩形槽，槽截面與中軸線垂直，槽的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，每個(gè)槽之間間隔長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，共有面積相等的N個(gè)槽(S1=S2=…=SN)，形成光強(qiáng)調(diào)制區(qū)。光源發(fā)出的光從光纖一端入射，當(dāng)光纖的光調(diào)制區(qū)向未開槽一側(cè)彎曲時(shí)，光經(jīng)過調(diào)制區(qū)時(shí)就會(huì)有更多一部分照射到槽端面Si上并透射出去，光纖另一端輸出的光強(qiáng)Pout會(huì)變小；同理,當(dāng)光纖的光強(qiáng)調(diào)制區(qū)向開槽一側(cè)彎曲時(shí)，光纖另一端輸出的光強(qiáng)Pout就會(huì)變大。通過實(shí)驗(yàn)可得到光強(qiáng)與待測(cè)物變形曲率的特性曲線[21]。

圖10 光纖曲率傳感器探頭的光強(qiáng)調(diào)制區(qū)結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of light intensity modulation area in optical fiber sensor

4.2.2 光纖曲率傳感器的關(guān)鍵技術(shù)

光纖曲率傳感器的關(guān)鍵技術(shù)主要包括傳感器探頭的增敏技術(shù)和后續(xù)處理的濾波技術(shù)。其中，對(duì)于強(qiáng)度調(diào)制型光纖曲率傳感器，通常將多模光纖進(jìn)行增敏處理，在所開槽的表面涂一層吸光物質(zhì)如石墨、AgCl，完全吸收掉從敏感區(qū)泄露出來的光線，同時(shí)減少外界雜光的影響。另外，為提高輸出光信號(hào)的信噪比，多采用一級(jí)陡度較大的巴特沃斯濾波器濾除信號(hào)中的噪聲。

4.2.3 光纖曲率傳感器在航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣變形檢測(cè)中的應(yīng)用

機(jī)匣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要承力零部件之一，當(dāng)其上承受載荷過大時(shí)引起的機(jī)匣變形會(huì)使轉(zhuǎn)子彎曲，給飛行帶來安全隱患[21]。常見的檢測(cè)機(jī)匣變形的手段中，金屬應(yīng)變片靈敏度低，滯后性大，易受溫漂影響；半導(dǎo)體應(yīng)變片受溫度影響大，線性度低，均不適合在實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用；已有的光纖測(cè)量手段采用干涉法，組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需借助昂貴的光譜分析儀，才能完成檢測(cè)。針對(duì)此問題，筆者利用前述光纖曲率傳感器設(shè)計(jì)了一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣變形光纖傳感系統(tǒng)[21]，如圖11所示。其工作原理如下：將光纖的光強(qiáng)調(diào)制區(qū)粘貼于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣表面，其余前置器和光源等部件則布置在外部承力機(jī)匣上。光源發(fā)射的光從發(fā)射光纖進(jìn)入機(jī)匣表面處的光強(qiáng)調(diào)制區(qū)進(jìn)行調(diào)制，被機(jī)匣彎曲變形量調(diào)制后的光信號(hào)通過前置器、數(shù)據(jù)采集器后在上位機(jī)內(nèi)完成運(yùn)算分析得到機(jī)匣變形量。為了提高測(cè)量精度，通常在機(jī)匣一周布置5個(gè)以上的光纖傳感器，這不僅克服了應(yīng)變片的滯后缺陷，也較之干涉儀更加簡(jiǎn)單可行。

圖11 機(jī)匣變形光纖檢測(cè)系統(tǒng)原理圖Fig.11 Optical fiber measurement system for deformation of casing

4.3 光纖光柵應(yīng)變傳感器及其工程應(yīng)用

4.3.1 光纖Bragg光柵應(yīng)變檢測(cè)原理

光纖由纖芯和包層構(gòu)成，光纖光柵是纖芯折射率發(fā)生周期性變化的一段光纖，其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 光纖光柵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Diagram of fiber grating

通常把光柵周期小于1 μm的光纖光柵稱為光纖Bragg光柵(FBG)。當(dāng)寬帶光入射到FBG中時(shí)，中心波長(zhǎng)滿足一定條件的入射光會(huì)發(fā)生反射，反射光的中心波長(zhǎng)λB為

(2)

其中：neff為光纖纖芯有效折射率；Λ為FBG周期。

當(dāng)FBG發(fā)生軸向應(yīng)變時(shí)，λB會(huì)發(fā)生偏移，其偏移量ΔλB為

(3)

其中：Pe為有效彈光系數(shù)，由光纖參數(shù)確定；ε為FBG的軸向應(yīng)變。

式(3)為FBG的應(yīng)變傳感模型，反映了FBG軸向應(yīng)變與FBG反射波長(zhǎng)偏移量的關(guān)系。

4.3.2 光纖Bragg光柵應(yīng)變檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

利用FBG進(jìn)行應(yīng)變檢測(cè)時(shí)，光纖光柵探頭設(shè)計(jì)和波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)是檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建、應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。首先，應(yīng)根據(jù)被測(cè)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)變分布與變化規(guī)律，并結(jié)合模式耦合理論，優(yōu)化探頭參數(shù)，確定探頭的安裝方式；其次，對(duì)傳感信號(hào)的解調(diào)研究，需要設(shè)計(jì)一種低成本的解調(diào)裝置來實(shí)現(xiàn)高速、高精度的傳感檢測(cè)。通過理論分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)光源高速掃描的可調(diào)諧F-P腔解調(diào)法是解決這一問題的一種有效途徑。

4.3.3 光纖光柵應(yīng)變傳感器在齒輪齒根彎曲應(yīng)力檢測(cè)中的應(yīng)用

齒輪在傳動(dòng)過程中，由于制造誤差、輪齒和軸等零件的彈性變形、振動(dòng)等原因，齒輪齒根會(huì)產(chǎn)生較大的附加彎曲動(dòng)應(yīng)力，從而容易導(dǎo)致出現(xiàn)有害的振動(dòng)、噪音，甚至出現(xiàn)輪齒折斷的嚴(yán)重現(xiàn)象。為此，對(duì)齒輪齒根彎曲應(yīng)力進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)是優(yōu)化齒輪的設(shè)計(jì)過程的必要環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的齒輪齒根彎曲應(yīng)力測(cè)量方法中，光彈性法的制作和安裝較為復(fù)雜，測(cè)量周期長(zhǎng)；而電測(cè)法在進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量時(shí)，采用的線束較多，抗電磁干擾能力差。對(duì)此，筆者設(shè)計(jì)了一種行星輪系固定中心齒輪齒根彎曲應(yīng)力的光纖光柵動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，如圖13所示。該系統(tǒng)包括高速掃描光源、光電轉(zhuǎn)換模塊、放大濾波模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)等。它的工作原理如下：將寫有多個(gè)FBG的探頭粘貼在行星輪系固定中心齒輪齒根的安全區(qū)域內(nèi)可實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，由高速掃描光源在鋸齒波電壓的驅(qū)動(dòng)下，發(fā)出中心波長(zhǎng)周期性變化的窄帶光信號(hào)，通過光耦合器到達(dá)齒輪齒根處的FBG光柵處，反射回來的光信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換、放大濾波、數(shù)據(jù)采集進(jìn)入上位機(jī)，由尋峰算法實(shí)現(xiàn)對(duì)FBG反射波長(zhǎng)的檢測(cè)。通過FBG反射波長(zhǎng)的變化，根據(jù)FBG應(yīng)變傳感模型和標(biāo)定數(shù)據(jù)可得到測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變值，進(jìn)而可求得齒輪齒根的彎曲應(yīng)力。這種測(cè)量方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，適于多點(diǎn)測(cè)量和工程應(yīng)用，并可有效防止電磁干擾。

圖13 齒輪齒根彎曲應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)原理圖Fig.13 Measurement system for bending stress of the gear

5 結(jié)束語

光纖傳感器作為一種迅速發(fā)展的新型檢測(cè)工具，和傳統(tǒng)的機(jī)械電子傳感器相比，可完成強(qiáng)干擾及狹小環(huán)境下的測(cè)量任務(wù)，但光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)仍然存在許多需要深入研究的關(guān)鍵技術(shù)。首先，應(yīng)優(yōu)化光纖傳感探頭設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高光纖探頭的靈敏度，消除檢測(cè)死區(qū)；其次，需要完善光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置中的補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的在線、動(dòng)態(tài)軟件-硬件補(bǔ)償，以進(jìn)一步提高其檢測(cè)精度；最后，要探索光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)多傳感器融合技術(shù)及云檢測(cè)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)的網(wǎng)絡(luò)化和入云化。隨著現(xiàn)代光纖檢測(cè)技術(shù)的不斷完善，光纖測(cè)量技術(shù)必將會(huì)更加深入地應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類日常生活中的各個(gè)領(lǐng)域的測(cè)量環(huán)境中，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、生活實(shí)際和科研場(chǎng)所提供更優(yōu)良的檢測(cè)手段。

[1] Frank W E. Detection and measurement device having a small flexible fiber transmission line:U.S., 3273447 [P].1966-11-20.

[2] Kissinger C D. Fiber optic proximity probe:U.S., 3327584 [P].1967-06-27.

[3] Reynolds L, Johnson C, Ishimaru A. Diffuse reflectance from a finite blood medium: applications to the modeling of fiber optic catheters[J]. Applied Optics, 1976, 15(9): 2059-2067.

[4] Cook R, Hamm C. Fiber optic lever displacement transducer[J]. Applied Optics,1979, 18 (19): 3230-3241.

[5] Raimundo Jr I M, Narayanaswamy R. Simulaneous determination of relative humidity and ammonia in air employing an optical fibre sensor and artificial neural network[J]. Sensors and Actuators B, 2001, 74(1-3):60-68.

[6] Hill K O, Fujii Y, Johnson D C,et al. Photosensitivity in optical fiber waveguides: application filter fabrication[J]. Applied Physics Letter, 1978(32):647-649.

[7] Butter C D, Hocker G P. Fiber optics strain gauge[J]. Applied Optics, 1978, 17: 2867-2869.

[8] Meltz G, Morey M M, Glenn W H. Bragg gratings in optical fiber by a transfers holographic method[J]. Optics Letters, 1989(14):823-825.

[9] Jerebets S A. Gyro evaluation for the mission to Jupiter[C]∥Big Sky. Montana,USA:IEEE Aerospace Conference, 2007:1-9.

[10]Meller S A, Jones M E, Wavering T A, et al. Development of fiber optic sensors for advanced aircraft testing and controls[J]. SPIE, 1998, 3541: 134-139.

[11]Naka R, Watanable K, Kawarabayashi J, et al. Radiation distribution sensing with normal optical fiber[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2001, 48(6) : 2348-2351.

[12]Culshaw B, Dakin J. 光纖傳感器[M]. 李少慧，寧雅農(nóng)，譯. 武漢：華中理工大學(xué)出版社, 1997:444-445.

[13]張平. 滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑油膜厚度光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)研究[D]. 西安: 西安交通大學(xué), 2013.

[14]楊亮, 張小棟. 雙圈同軸光纖束位移傳感器研究[J]. 振動(dòng)、測(cè)試與診斷, 2009, 29 (2):192-196.

Yang Liang, Zhang Xiaodong. Research on displacement sensor of two-circle reflective coaxial fiber bundle[J]. Journal of Vibration, Measurement and Diagnosis. 2009, 29 (2):192-196. (in Chinese)

[15]呂海寶，馮勤群，周衛(wèi)紅,等. 強(qiáng)度型光纖傳感檢測(cè)中的強(qiáng)度補(bǔ)償技術(shù)[J]. 激光技術(shù), 1999, 23 (2): 91-94.

Lü Haibao, Feng Qinqun, Zhou Weihong, et al. Intensity compensation techniques for sensing measuring using intensity type optical fiber[J].Laser Technology, 1999,23(2):91-94. (in Chinese)

[16]張平，張小棟，劉春翔. 光纖傳感器多點(diǎn)測(cè)量潤(rùn)滑油膜厚度方法[J]. 振動(dòng)、測(cè)試與診斷, 2011, 31(5): 618-621.

Zhang Ping, Zhang Xiaodong, Liu Chunxiang. Multi-point measurement of bearing oil film based on fiber-optical sensor[J]. Journal of Vibration, Measurement and Diagnosis, 2011, 31(5): 618-621. (in Chinese)

[17]李程啟. 旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸振動(dòng)光纖動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)研究[D].西安: 西安交通大學(xué), 2012.

[18]賈丙輝， 張小棟， 彭凱. 機(jī)動(dòng)飛行下的渦輪葉尖間隙動(dòng)態(tài)變化規(guī)律[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào), 2011, 26(12): 2757-2767.

Jia Binghui, Zhang Xiaodong, Peng Kai. Dynamic changes rule of aero-engine turbine tip clearance in maneuver flight[J]. Journal of Aerospace Power, 2011, 26(12):2757-2767. (in Chinese)

[19]張振海，張小棟，侯育軍. 用于人體關(guān)節(jié)角度捕捉的光纖角度傳感器的研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2012, 3(12): 535-538.

Zhang Zhenhai, Zhang Xiaodong, Hou Yujun. Research on fiber-optic angle sensor with capturing human joint angles[J]. Science Technology and Engineering,2012, 3(12): 535-538. (in Chinese)

[20]孟亮. 用于外骨骼機(jī)器人控制的人體下肢運(yùn)動(dòng)光纖帶感知方法研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2014.

[21]張振海. 發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁機(jī)匣變形光纖測(cè)量技術(shù)研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2012.

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.03.001

*國(guó)家自科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405366，51405222)

2015-03-01

TN25； TH133.31

張小棟,男，1967年4月生，博士、教授。主要研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)、診斷與控制及智能機(jī)器人。曾發(fā)表《腦控技術(shù)的研究與展望》(《振動(dòng)、測(cè)試與診斷》2014年第34卷第2期)等論文。 E-mail：xdzhang@mail.xjtu.edu.cn