1、光纤 Bragg 光栅在动态应变测量中的研究第 20 卷第 5 期2007 年 5 月传感技术CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSVo1.2ONo.5May.2007FiberBraggGratingSensorSystemforDynamicStrainMeasurementLJLi,LINYuchi,SHENXiaoyan,FULuhua,WANGWei,1.StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasuringTechnologyandInstruments,TiainUniversity,Tianjin300072,China-,
2、2.SchoolofAutomationandEnergy,TiainUniversityofTechnology,Tianjin300191,China/Abstract:TheaimofthisexperimentistoapplythefiberBragggratingsensortostructurehealthmonitoringandtestingmechanicalcharacteristicsofmaterialsunderhighfrequencystressload,thispaperdescribesafiberBragggrating(FBO)sensingsystem
3、fordynamicstrainmeasurement.AnunbalancedMaehZehnder(MZ)interferometricdemodulationsystemisintroducedbasedonthephasegeneratedcarrierhomodynetechniquewhichistheoreticalanalysised.Bymeanofcontrastexperimentandspectralanalysis,theexperimentresultdemonstratesthatthissystemcangetsteadyanalogsignalandhasgo
4、odfrequencyresponsewithin10kHz.Keywords:FiberBraggGrating;interferometricdemodulation;phasegeneratedcarrierhomodynetechnique;dynamicstrainEEACC:7230E光纤 Bragg 光栅在动态应变测量中的研究*李丽,林玉池,沈小燕,付鲁华,王为(1.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072;2.天津理工大学自动化与能源工程学院,天津 300191)摘要:为了将光纤光栅的传感特性应用于结构健康监测和高频应力作用下的材料力学性能测试中,对光纤光栅
5、动态应变传感的测量进行了研究.设计了基于相位载波(PGC)零差法的非平衡 Mach-Zender干涉解调系统,并对相位载波解调技术进行了分析.通过对比冲击实验和频谱分析,实验结果证明该检测方法有效可行,可以得到稳定的测量信号,系统在 10kHz 的频率范围内有良好的频率响应.关键词:光纤光栅;干涉解调;相位载波零差法;动态应变中图分类号:TP2l2.14;11352.3 文献标识码:A 文章编号 :1004-l699(2007)05-0994-04在机械冲击和爆破等工程实践中,材料的应变率常为 1010.s,而冲击加载是材料性能测试的主要手段,加载后得到的是高频应变或振动信号.此外,打桩机和凿
6、岩机等冲击机械以及防护工程中常需要检测高频的应力波信号.传统的检测方法是应变电测法,但该方法因易受电磁干扰,并存在零漂和应变片的寿命短等问题,无法满足高精度动态测量的要求.光纤光栅具有结构简单,波长编码,灵敏度高和不受电磁干扰等优点,因此,随着光纤光栅技术的日趋成熟,人们把高频测量的目光投向了基于光纤光基金项目:教育部博士点专项科研基金项目资助(20030056017)收稿日期:2006-08-22 修改日期 :200608-29栅结构的传感器.目前光纤光栅动态信号检测方面的研究主要集中于高频振动的测量与分析和地球技术勘测的应用,如地球动力学的在线监测,地震波信号的检测以及地球内部的辐射等1.
7、动态应变信号的检测系统必须采用动态解调技术,目前常用的动态解调方法是干涉法,即将光纤光栅的波长漂移量通过干涉仪转换成相位变化量,然后通过相位检测方法实现对传感信号的解调.相位载波零差法(PGC)具有动态范围大,线性度好,测量精度高等优点,同时采用相位载波零差法可以防止信号的消隐或畸变,抑止随机干扰信号对测量的影响5.鉴于光第 5 期李丽,林玉池等:光纤 Bragg 光栅在动态应变测量中的研究 995纤光栅在智能结构件力学性能测试,冲击机械部件应力波测试等高频系统中的广泛应用前景,考虑到检测系统对频率和动态范围的要求,我们设计了基于相位载波零差法的非平衡马赫一泽德(MachZehnder)干涉应
8、变解调系统,频率可达 10kHz.1 工作原理1.1 相位载波零差检测原理如图 1 所示:宽带光源发出的光通过 3dB 耦合器进入光纤光栅,光纤光栅的反射光通过耦合器进入非平衡 M-Z 干涉仪,将波长漂移量转换成相位变化量,同时,干涉仪的一臂上缠绕有压电陶瓷(PZT),被频率远高于传感信号的高频正弦信号即载波信号驱动引起干涉仪的臂长差的改变,从而同时也改变干涉仪的相位差.然后由光电探测器将两者引起的相位变化量转换成电学量,通过混频电路,低通滤波电路,微分电路,交叉相乘电路以及差分电路,积分电路和高通滤波电路即相位载波(PhaseGeneratedCarrier,PGC)零差法得到波长漂移量6_
9、8.宽带光源经耦合器入射到光纤光栅,其反射光再经两个耦合器进入不等臂长的 M-Z 干涉仪(两臂的长度差为),此时可认为光纤光栅反射光为干涉仪的光源.由干涉仪原理知,干涉仪的输出光强为一A+Acos(2rmd)/aB(1)式中 A 为相干波长光强,()一_Erred 是干涉AB仪两臂的相位差,/,/为光纤有效折射率,e 为光纤光栅的反射中心波长.当输入光波长变化 e 时,干涉系统的输出光强变为一A+AcosE(2rind)/aB 一(2rind)Bj(2)则有e 一(3)由式 3 知,解调出相位变化(e)就可得到波长漂移量,二者成线性关系.由于 3dB 耦合器主要起一个分光和合光的作用,当波长变
10、化时对耦合器分光比不会产生影响.图 1 动态应变检测系统原理图由于载波信号的引入也导致臂长差发生变化Kcos(),则二者共同引起的相位差为:一(+)一 Ccos(w0t)+(4)ABABa.式中 Ccos(t)为调制压电陶瓷引起的相位差,为光纤光栅波长漂移引起的相位变化量,光电探测器探测到的光强信号通过差分放大器后输出的电信号为:V 一 2Bcos(+一 2Bcos(Ccos(w0t)+(5)其中妒是环境因素引起的系统随机相位差.将公式(5)用 Bessel 函数展开得:一 2BEJ0(C)+2(一 1)Jz(C)cos(2ko0t)siro(t):1_2(一 1)J 洲(C)cos(2k+1
11、)w0t3eost)(6)=0式中 J(C)为 Bessel 系数.分别用 GcoSmot 和Hcos2oJot 与式(5)相乘,再经过低通滤波器滤除高频项,得到() 的正,余弦分离项1 一一 KGJ】(C)cosrp()(7)2 一 KHJ2(C)sinrp()(8)此时只剩下传感信号和随机相位差信号,已无高频载波信号.为了得到(), 分别对式(7),(8)进行微分并交叉相乘再相减,其差分放大输出为V1 一 KGHJ1(C)J2(C)()(9)上式经积分后得到VKGHJ1(C)J2(C)()一KGHJ1(C)J2(C)(+)(10)由于系统的随机相位差妒变化比较慢,若将上述信号通过高通滤波后
12、可以得到待测信号,由式(3)可知,相位差与光纤光栅波长漂移量成线性关系,从而检测到交变的高频传感器信号.1.2 参数的选择系统最大能检测的信号范围主要由载波频率,低通滤波器的截止频率和被检测信号的频率决定的,低通滤波器的截止频率越高,可解调信号的幅值越大.由上面分析可知,低通滤波器在解调系统中占有很重要的地位.在通带范围内,要求幅频特性平坦,扩大系统的动态范围;在过渡带范围内,幅频特性要陡峭,这样可以滤除残余的高频信号,而且要求两路滤波器的幅频特性和相频特性是一致的.因此设计了一套六阶的无限增益型巴特沃斯低通滤波器,其增益为 4,截至频率为 10kHz.该滤波器由三个两阶组成,其间用射级跟随器
13、隔开以消除相互间的影响,如图 2 所示.通过计算可得各单元的元件参数如下:996 传感技术 2007.缸图 2 低通滤波电路图R1】=69.72Q;R12=139.44Q;R1390.83QC111F;C12 一 O.02FR21116.59Q;R22233.18Q;R23149.6QC21 一 O.22F;C22 一 O.033FR3121.39Q;R3221.39Q;R33=35.89QC311tLF;C32 一 O.33tLF由于基本的积分电路存在着低频干扰,通常很少使用.此积分电路是在基本积分电路的基础上,在积分电容上并联了一个大电阻 R.当输入信号频率大于 fo 一丽 1 时,电路为
14、积分器,该电阻的加入能使电路稳定,如图 3 所示.425l6nE60m80m20rdivl60mlgOm23853ms图 3 积分电路图2 实验系统及结果分析本实验是运用自制的动态应变检测系统对冲击信号进行检测和频谱分析,探索光纤光栅传感器在机械冲击信号检测中的应用9.如图 4 所示,整个实验系统由以下三个部分组成:冲击信号产生机构,自制动态应变信号检测系统,NicoletOdyssey 数据采集系统.实验条件为:压缩空气的压强为 0.10MPa;冲锤和输入杆的间距为 9crfl;输入杆和输出杆间距为 20CITI.30l5量.罂.l5-30图 4 冲击实验系统结构图5205245285325
15、365.105445485S2556时 fnl/s(a)自制解调系统检测的冲击信号时域圈(b)P102-04 光纤光栅传感系统检测的冲击信j 时域图(c)自制解调系统检测的冲击信号频谱图(d)PIO2o4 光纤光栅传感系统榆测的冲击信号频 i 拉 l 冬 l,一,Ifl,1fI,l,lJ,?-_,-_I,l,_(e)自制解调系统检测的冲击信号时域展开图(f)心变片检测的冲击信吲时域 l 冬 l图 5 冲击对比实验结果期李丽,林玉池等:光纤 Bragg 光栅在动态应变测量中的研究 997图 5(a)和 5(b)分别为自制解调系统通过 Nicobdssey 采集仪和 P10204 光纤光栅传感系统
16、检的冲击信号时域图,两台检测系统检测到的冲号的持续时间大约均为 230ms.图(c) 和(d) 为解调系统和 P102-04 传感系统检测到的时域信过 Originpro 软件分析得到的对应的功率谱实验结果可以看出两台解调系统均含有频率1700Hz,3400Hz 的冲击信号 .由于 P10204系统的检测频率范围较低,在 5kHz 以后就没信号,其高频响应不足,而自制系统在 10kHz范围内信号有良好的频率响应,体现了自制检统在频率方面的优势;P102-04 传感系统的信约为 80dB,在 5kHz 的频率范围内检测的最态应变相对量为 l0 一,与自制解调系统所能检最小动态应变相对量 10 相
17、比,优于自制的检壳.需要说明的是,信号源产生的动态信号会随号频率的增加,幅值会减小.(e)和(f)分别为自制解调系统和应变片检测巾击信号时域图的一部分.实验表明自制解调拘频率谱还不够丰富,需要提高其频率范围才隆的检测到冲击信号.结束语文采用 PGC 零差检测法的非平衡 Mach-Ze-.光纤干涉仪,就光纤光栅对冲击信号产生的立变信号检测进行了研究,实验验证了相位载则系统的可行性及理论分析的正确性.运用自佥测系统对冲击信号进行了检测并对其时域信亍了频谱分析,实验结果显示信号的信噪比约dB,且在 10kHz 的频率范围内,系统检测的力态应变相对量为 10 一,信号有良好的频率响曩应,可以满足一般动
18、态应变测量的要求,对高频振动测量和在高频环境下材料力学性能测试是完全适用的.由于该解调系统采用模拟电路,为了提高系统性能,系统解调频率和信噪比有待于进一步改善,该检测技术也为进一步研制干涉型光纤水听器阵列打下了坚实的基础.参考文献:E1WuXiao-Dong,CorneliaSchmidt-Hattenberger,KayKroger,JunChen.Temperature-ControlledFiberBraggGratingDynamicStrainDetectionSystemJ.SensorsandActuators,2005,119:68-74.2LiuJG,SchmidtHatte
19、nbergerC,BormG.DynamicStrainMeasurementwithaFiberBraggGratingSensorSystemJ.Measurement,2002,151161.33PietroFerraro,GiuseppeDeNatale,OnthePossibleUseofOpticalFiberBraggGratingsasStrainSensorsforGeodynamicalMonitoringJ.OpticsandLasersinEngineering,2002,37:115-130.43CusanoA,CutoloA,NasserJ,GiordanoM,Ca
20、labro 久 DynamicStrainMeasurementsbyFiberBraggGratingSensorJ.SensorsandActuators,2004,110:276281.53 黄建辉 ,曹芒,李达成,程晓辉.用于干涉型光纤传感器的相位生成载波解词技术J.光学技术,2000,26(3):228231.63 曹家年 ,李绪友等.采用 PGC 零差检测方案的 MachZehnder光纤干涉仪动态范围分析J.哈尔滨工程大学,1998,19(5):78-84.73 唐继 .MachZehnder 光纤干涉仪相位检测方案研究J. 传感技术,2000,6:96-100.83Dandri
21、dgeAeta1.Homodynedemodulationschemeforfiberopticalsensorsusingphasegeneratedcarrier.IEEE.JournalofQuantumElectronics,1982,18(10),16471655.9王为,林玉池 ,朱萍玉等.FBG 用于高频振动检测的实验研究J.光纤与电缆及其应用技术,2005,5:3537.李丽(1974 一), 女,天津大学精仪学院博士研究生,研究方向为光纤光栅传感及精密测试技术等领域.2000 年毕业于长春理工大学(原长春光学精密机械学院)机械电子工程专业,获工学硕士学位;同年 4 月于天津理工大学自动化与能源工程学院任教,green_.
