全光纖振動感測器的感測端為光纖,屬於無源器件, 不會受到電磁干擾, 振動檢測靈敏度高,因此,在振動感測領域被廣泛的套用。全光纖振動感測器的另一個優點是,其感測臂是分散式的,可以同時檢測被測物理量在感測臂分布範圍內任意一點上的變化, 這是傳統的感測器所無法做到的。
基本介紹
- 中文名:全光纖感測器
- 外文名:all optical fibersensor
光纖感測器已經套用於環保產業中 的生物化學材料製造過程,它可以對液面高度、折射率、溫度和應變進行精確測量。 研究表明,對於細纖芯的低階包層光纖,纖芯模式在干擾模式中占主導地位,這是因為多模光纖本徵模間干擾的自由光譜範圍(FSR),超出了透射光譜的測量範圍。 因此,為了提高測量折射率變化的精度,可以採用基於液面靈敏性的新方法提高感測器的靈敏度。
多用途感測器的製備工藝和性能
Δλm=4neffL (2m+1)(2m-1)≈λ2m ΔneffL (1)
值得注意的是, 該感測器的 FSR 將隨著 TF 長度L 的 增 加 而 減 少 。為 了 測 量SMTS 結構感測器 纖 芯 模 式 的變化,需要通過實 驗 來 比 較 採用單模-細纖芯-單模(STS)和 SMTS 光纖結構這兩種情況下的不同。當 TF 長度保持48.38mm 時,SMTS 的 乾 涉 條 紋 比 STS 的 可 見 度 提 高數倍,MMF 的模場直徑遠遠大於 SMF 的模場直徑,因此,注入到 TF 的包層的光功率顯著增強。 此外,由於使用了 MMF,TF 的包層模式可能被激活;STS 結構的纖芯模式 LP01 和 LP11, 由於 SMTS 和細光纖間的模場失配而激活。
為了分析干擾模式的數量和功率分布波長光譜通過傅立葉變換後得到的空間頻率譜,在零點占主導地位的峰值強度與纖芯模式相關。 隨著 MMF 長度變化,功率主要分布在纖芯和低階包層,這意味著不同 長 度 的 模 式 耦 合主 要 發 生 在 纖 芯 和低階包層之間。多個次強峰對 應 於 高 階 包 層 模式,纖芯模式和高階包 層 模 式 間 的 乾 擾同 時 改 變 了 乾 擾 包絡,當感測器放在折射率匹配液中來消除去包層模式時,干涉現象基本消失不同於纖芯模式 LP11 的包層模式能夠被激發出來。
基本原理
干涉型光纖感測器的原理是: 根據光彈效應, 當外界振動信號作用在光纖上時, 光纖長度和折射率等發生使傳輸光的光程發生變化, 從而導致光相位變化。通過構造光路使兩路相干光干涉, 從干涉光強中就能得到光相位變化的信息,光相位變化即對應了外界振動信號的變化。干涉型光纖感測器主要套用的是麥可遜( Michelson) 干涉儀、 馬赫—曾德爾( Mach-Zenhder) 干涉儀、 Sagnac 干涉儀以及各干涉儀之間混合組成的干涉系統。
I1 ( t) = A + B cos( s cos ωst + 0 ) , ( 1) I2( t) = A + B cos( scos ωst) , ( 2)
電機在正常運行的狀態下, 產生的振動信號具有一定的穩定性,因此,在頻域上也表現出一定的穩定性。當電機由於老化、 磨損、 有異物、 鬆動等原因使得其運行不穩定時,它所產生的振動與穩定狀態下相比有明顯的區別。對電機故障診斷使用的傳統方法是用頻譜儀對信號的頻譜進行分析。在正常狀態下,振動信號的頻譜大致由基頻 f0 及其各次諧波 1f0 ,2f0 ,3f0…構成。基頻 f0 的大小與電機的運轉速度 v 有關,當轉速 v 增大時,f0 也相應增大, 同時 f0 的各次諧波的位置也會相應的變化。基頻 f0 及其各次諧波的幅度值不同,一般而言基頻對應的幅值最大。當由於電機的故障導致電機轉速降低、 振動加強時,信號的頻譜上對應的會出現基頻和各次倍頻的移動及其幅值的改變。傳統的頻譜分析主要藉助的方法是離散傅立葉變換, 離散傅立葉變換的公式如式( 3) 所示
S( ω) = ∑N-1n = 0X( n) e - jnω . ( 3)
其中,ω 為信號角頻率,S( ω) 為信號的頻譜,X( n) 為信號的離散採樣值。
為實現對電機運行狀況是否良好的判斷, 必須對電機正常運行時所輻射出的噪聲進行頻譜分析, 提取正常運行時的頻譜特徵, 如基頻和各次倍頻的位置和幅值。將每秒採集振動信號頻譜中的特徵與正常運行時的特徵比較, 運行時的值與正常值之差大於閾值時, 則認為電機處於不正常狀態。