全光纖雙傳感臂振動傳感器頻率特性研究

呂 垚，戴基智，代志勇，吳兵兵

（電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，四川 成都 610054）

0 引 言

振動是自然界和工程中普遍存在的現(xiàn)象，振動頻率是反映振動信息的關(guān)鍵參數(shù)，對振動頻率的測量和分析被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事等領(lǐng)域。光纖振動傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾、能在惡劣環(huán)境下工作、易于遠(yuǎn)距離組網(wǎng)探測的特點，具有廣闊的應(yīng)用前景，特別在石油勘探[1]、地震波檢測[2-4]和水聲波矢量探測系統(tǒng)[5-7]中有著極為重要的應(yīng)用。在光纖振動傳感器中，強度型[8]及光纖光柵型[9]檢測靈敏度較低，它們在振動傳感中受到較大限制。對于檢測精度較高的領(lǐng)域，較為理想的是干涉型方案。根據(jù)M-Z干涉儀的理論，可以看到M-Z光纖干涉儀用來探測外部信號有許多其他結(jié)構(gòu)光纖干涉儀所沒有的優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)簡單，能探測10-7m的微小位移[10]，不需要在光纖端面鍍膜，極少有光返回到激光器，大大減少了激光噪聲的影響，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也可以不加調(diào)制器，易于實現(xiàn)全光纖化。由于傳統(tǒng)的M-Z干涉儀單傳感臂容易受到環(huán)境噪聲的干擾，因此在M-Z光纖干涉儀的基礎(chǔ)上改進(jìn)為雙傳感臂結(jié)構(gòu)來制作傳感器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

光纖M-Z干涉型振動傳感器采用雙傳感臂結(jié)構(gòu)，其主要組成部分有纏繞單模光纖的彈性柱體與慣性質(zhì)量塊M構(gòu)成的傳感探頭、2只2×2的3dB耦合器構(gòu)成M-Z干涉儀、PZT相位調(diào)制器、波長1 550 nm光源、PIN光電探測器及放大電路組成的光電探測單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 M-Z干涉型光纖振動傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)振動信號作用于傳感探頭時，慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，壓縮和拉伸兩端的彈性柱體，彈性柱體總體積不變。在拉伸時半徑變小，高度變長，纏繞在彈性柱體上的光纖由于應(yīng)力作用而縮短；在壓縮時，彈性柱體半徑變大，高度變短，纏繞在彈性柱體上的光纖由于應(yīng)力作用而伸長。因此，光纖M-Z干涉儀中2條傳感臂中的相位變化等幅反相，傳感器把這種相位變化通過干涉轉(zhuǎn)化成光強的變化輸出。PZT施加電壓產(chǎn)生1個π/2的固定相位偏置，使外界振動信號產(chǎn)生的相位變化曲線處在最大斜率處，提高傳感器的輸出效果；PIN光電探測器把M-Z光纖干涉儀輸出的光信號轉(zhuǎn)換成為電壓信號，依次經(jīng)過兩級放大器，放大倍數(shù)為50倍，通過示波器觀察輸出波形。與單傳感臂相比，雙傳感臂可以增加系統(tǒng)的固有頻率，擴大測量的頻率范圍；此外，雙傳感臂結(jié)構(gòu)可以消除溫度和應(yīng)力變化對傳感器的影響，因為環(huán)境的變化在2個完全相同的纏繞光纖的順變柱體上產(chǎn)生相同的影響，從而相互抵消。

2 參數(shù)設(shè)計與計算

對于傳感探頭中纏繞光纖的彈性柱體，其等效剛度是彈性柱體的本征剛度Kcompliant和所纏繞光纖引入的附加剛度KFl并聯(lián)的結(jié)果。采用G.652B單模光纖，光纖直徑 Df=242μm，楊氏模量 Ef=7.3×1010N/m2；彈性柱體材料采用GD-408中性單組份室溫硫化硅橡膠，其楊氏模量為Ecom=3.75×106N/m2，密度為1.2g/cm3，從密封包裝中取出后與空氣中的水分作用即可硫化成為彈性體。經(jīng)過計算得到光纖的剛度占傳感探頭整體等效剛度的99.28%，彈性柱體對傳感探頭的整體剛度影響不大，則傳感探頭的等效剛度[11]為

式中：2——傳感探頭中的2個纏繞光纖的彈性柱體，它們等效為彈簧結(jié)構(gòu)也是并聯(lián)關(guān)系；

N——光纖纏繞彈性柱體的匝數(shù)；

D——彈性柱體的直徑；

H——彈性柱體的高度。

傳感器探頭的等效慣性質(zhì)量[12]定義為

式中：mcom——彈性柱體的質(zhì)量；

M——慣性質(zhì)量塊質(zhì)量。

由式（1）和式（2）可以得到傳感探頭的固有頻率為

在固有頻率以下，傳感器工作頻帶為f/fn=0～0.8，彈性柱體的形變正比于外界振幅的大小，誤差小于4%。在固有頻率以上，其工作頻帶范圍是從fn到

傳感器采用的是雙傳感臂的M-Z干涉儀結(jié)構(gòu)，光纖中光波的總相移為2Δφ，則系統(tǒng)相應(yīng)的加速度相位靈敏度為

其中光纖芯層折射率n=1.458，光彈系數(shù)張量p11=0.126，p12=0.27，p44=1/2（p11-p12）。為了使傳感器獲得較大的頻率測量范圍及較高的靈敏度，選取慣性質(zhì)量M=445g，彈性柱體直徑D=27mm，高度H=30mm，光纖纏繞彈性柱體的匝數(shù)N=120。經(jīng)過計算，傳感器靈敏度為366.9rad/g（其中g(shù)=9.8m/s2）。對于雙傳感臂M-Z干涉結(jié)構(gòu)，雖然系統(tǒng)的總相位變化為纏繞在2個彈性柱體上的光纖中光波的相位變化之和，但雙傳感臂結(jié)構(gòu)中光纖的總相位變化與單傳感臂結(jié)構(gòu)相同，系統(tǒng)的靈敏度不會因此而改變。在固有頻率以下，傳感器工作頻帶范圍是0～851.8Hz，在固有頻率以上工作頻帶范圍是1.0648～15.663kHz。與單傳感臂的M-Z干涉結(jié)構(gòu)相比，雙傳感臂干涉結(jié)構(gòu)的工作頻帶范圍可以提高倍。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 傳感探頭的制作

在整個傳感器系統(tǒng)的搭建過程中，傳感探頭的制作很重要，在制作過程中，慣性質(zhì)量塊的材質(zhì)為金屬鐵，其密度為7.8 g/cm3，質(zhì)量塊加工成尺寸為38.5 mm×38.5mm×38.5mm的立方體；采用GD-408硫化硅橡膠，并利用模具灌注的方法形成所設(shè)計尺寸的彈性柱體。采用G.652B單模光纖，分別纏繞在2個彈性柱體上，纏繞光纖時，每一圈的光纖之間不能有空隙，但也不能重疊在一起，纏繞時的力度要適中，纏繞太緊會影響傳感探頭的彈性，纏繞太松則探頭不能很好地傳感振動信號。用GD-408硅橡膠把光纖粘連固定在彈性柱體上，在每個彈性柱體的兩端都用塑料光纖護(hù)套保護(hù)光纖，以免在受到振動時光纖受力折斷。每個彈性柱體上纏繞光纖120圈，則1個彈性柱體上纏繞的光纖長度為10.1788m，制作完成的傳感探頭實物如圖2所示。

3.2 M-Z干涉儀干涉可見度測量

在實驗中采用的光源中心波長為1 550 nm，光源線寬為0.019 6 nm，計算得到光源相干長度為12.258cm。在M-Z干涉儀中，兩臂中光波的光程差必須小于光波的相干長度，這是實現(xiàn)光纖M-Z干涉儀的重要條件。通過ASE寬帶光源的干涉光譜，測量得到臂長差為6.87mm，滿足干涉條件。

在PZT相位調(diào)制器上施加頻率100Hz，幅度3V的正弦信號，光信號經(jīng)過M-Z干涉儀后在輸出端發(fā)生干涉。通過光功率計檢測，輸出光功率在120nW～5.6μW之間周期性變化，輸出光信號通過光電探測單元后在示波器上的輸出波形如圖3所示。由圖3可見，光電探測單元輸出一系列的干涉條紋，由輸出光功率的最大及最小值可以計算得到，該傳感系統(tǒng)的干涉可見度約為95.8%。

3.3 傳感系統(tǒng)性能測試

傳感系統(tǒng)搭建完成后，對系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試。根據(jù)實際需要，振動臺產(chǎn)生頻率為50～6 000 Hz的正弦形振動信號，圖4是示波器顯示、采集并直接輸出的部分振動頻率測試曲線。

由圖4可以看出，輸出信號出現(xiàn)干涉條紋，每一條干涉條紋表示振動臺產(chǎn)生的振動信號使2條干涉臂產(chǎn)生λ/2的光程差，出現(xiàn)“M”或“W”形狀的信號表示在那個時刻振動面的運動方向發(fā)生了變化。根據(jù)測試結(jié)果得到，當(dāng)輸入信號頻率低于100Hz時，示波器顯示輸出干涉條紋，但沒有明顯的周期性，說明傳感器的輸出頻率產(chǎn)生了失真，如圖4（a）所示；當(dāng)輸入信號頻率為100～800Hz時，輸出波形呈周期性變化，根據(jù)輸出波形的周期T，得到輸出信號頻率與輸入信號頻率基本相同，如圖 4（b）、圖 4（c）所示；輸入頻率為850～1150Hz時，輸出波形沒有周期性，因共振而失真，如圖4（d）所示；當(dāng)輸入信號頻率為1.2～6.0kHz時，根據(jù)輸出波形的周期T，得到輸出信號頻率與輸入信號頻率誤差不超過2%，如圖4（e）、圖 4（f）、圖 4（g）所示。因此，頻率 100 Hz以上的測試結(jié)果與理論計算基本相同。圖5是傳感器的頻率響應(yīng)曲線，從圖中可以看出，在50～800 Hz的頻率范圍，輸出電壓峰值的絕對值約為500 mV；在850～1150Hz的頻率范圍內(nèi)，輸出電壓峰值的絕對值在700mV～2.5V之間震蕩；在1.2～6.0kHz的頻率范圍內(nèi)，輸出電壓峰值的絕對值約為500mV。因此，傳感器的固有頻率在850～1 150 Hz之間，與理論計算值相符。

圖5 傳感器的頻率響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語

根據(jù)測試結(jié)果，在固有頻率以下，傳感器工作頻帶范圍是100～800Hz，在固有頻率以上工作頻帶范圍是1.2～6.0kHz。在頻率100Hz以下，傳感器雖然也能對振動信號響應(yīng)，但輸出信號頻率失真較大。若要對100Hz以下的頻率進(jìn)行測量，可以降低固有頻率，通過增大彈性柱體的高度H和慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量M，并適當(dāng)減小彈性柱體的直徑D來實現(xiàn)。

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