CN117387742A - 一种基于光纤光栅的振动传感器及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及振动传感器技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅的振动传感器及其测试方法，所述基于光纤光栅的振动传感器包括有弹性金属片，所述弹性金属片包括有安装区和振动检测区，所述安装区用于将所述振动传感器安装于待测设备上，所述振动检测区的正面胶粘有多个第一光纤光栅，所述振动检测区的背面胶粘有多个第二光纤光栅，多个第一光纤光栅和第二光纤光栅对称设置。本发明提供的一种基于光纤光栅的振动传感器，拥有更小的体积，适用于更多的使用环境，并且检测结果更准确、误差小。
Description
技术领域
本发明涉及振动传感器技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅的振动传感器及其测试方法。
背景技术
振动传感器，即进行振动测试的传感器，包括有机械式振动传感器和电动式振动传感器，其中，机械式振动传感器发展最早，但存在可测量频率低、磨损度高、精度差等缺点；电动式振动传感器包括有电容式、电感式、压电式等，其性能优于传统的机械式振动传感器，基本能满足一般振动测量的需求，但是仍存在灵敏度低、易受干扰、动态范围小等缺点。随着光纤技术的发展，光纤光栅(FBG)由于其抗干扰能力强、无需电源驱动、灵敏度高、动态范围大等优点，在振动传感领域得到广泛应用。
现有的光纤光栅在振动传感上的应用大多是利用光纤光栅的轴向应变所引起的中心波长漂移，具体实现方式是在光纤顶杆连接质量块，当传感器所固定的机构产生振动时，会带动质量块振动，质量块的振动会带动光纤光栅产生轴向拉伸，从而可以对机构的振动进行测试。但是这种方式仍存在一定问题：1、需要在光纤的一端连接质量块，使得传感器的体积变大，对测量环境的适应能力存在一定不足，例如难以安装在某些空间狭窄的场景下；2、在测试时，除了振动会使得光纤光栅的周期发生改变外，温度也会影响光纤光栅的周期，导致检测结果不准确。
发明内容
本发明为解决现有技术中的采用光纤光栅进行振动测试的方式存在体积大、适用环境少、检测误差大的技术问题，提出了一种基于光纤光栅的振动传感器，拥有更小的体积，适用于更多的使用环境，并且检测结果更准确、误差小。
本发明的技术方案：
一种基于光纤光栅的振动传感器，包括有弹性金属片，所述弹性金属片包括有安装区和振动检测区，所述安装区用于将所述振动传感器安装于待测设备上，所述振动检测区的正面胶粘有多个第一光纤光栅，所述振动检测区的背面胶粘有多个第二光纤光栅，多个第一光纤光栅和第二光纤光栅对称设置。
进一步地，多个所述第一光纤光栅和第二光纤光栅均被配置在靠近所述安装区的根部。
进一步地，多个所述第一光纤光栅等间距平行设置，且多个第二光纤光栅等间距平行设置。
进一步地，多个所述第一光纤光栅的第一端朝向同一点收敛，多个所述第一光纤光栅的第二端发散，每相邻两个第一光纤光栅之间的角度相同；多个所述第二光纤光栅的第一端朝向同一点收敛，多个所述第二光纤光栅的第二端发散，每相邻两个第二光纤光栅之间的角度相同。
进一步地，所述安装区设有安装孔，通过紧固件将所述安装区安装于待测设备上。
进一步地，所述安装区通过胶粘的方式安装于待测设备上。
进一步地，所述弹性金属片为304不锈钢片。
本发明的另一方面，提供一种基于光纤光栅的振动传感器的测试方法，包括以下步骤：
S1:通过所述安装区将所述振动传感器安装于待测设备；
S2:所述待测设备的振动传递至多个所述第一光纤光栅和多个所述第二光纤光栅，根据每对光纤光栅的采集信号求出该对光纤光栅检测到的振动频率和振幅；
S3：将各对光纤光栅求出的振动频率和振幅求均值得到最终的振动频率和振幅。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明通过弹性金属片的安装区安装于待测设备上，由于没有质量块，且弹性金属片很薄，整体体积很小，可安装在很狭窄的位置，适用的场景更多。
2、本发明在弹性金属片的正面和背面对称设置有第一光纤光栅和第二光纤光栅，将对称设置的一对光纤光栅的实测波长相减，便可消去温度的影响，使得测量结果更加准确；而且，本实施例设置各光纤光栅的数量均为多个，相较于直接取一根光纤光栅的数据，误差更低。
附图说明
图1为实施例一的弹性金属片的正面结构示意图；
图2为实施例一的弹性金属片的背面结构示意图；
图3为光纤光栅的原理示意图；
图4为实施例一的测试方法的流程图。
图5为实施例二的弹性金属片的正面结构示意图；
图6为实施例二的弹性金属片的背面结构示意图。
其中，
弹性金属片1，安装区11，安装孔111，振动检测区12，第一光纤光栅121，第二光纤光栅122。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例一：
如图1-2所示，本实施例提供一种基于光纤光栅的振动传感器，可用于检测机械臂的振动，该振动传感器包括有弹性金属片1，该弹性金属片1包括有安装区11和振动检测区12，其中，安装区11用于将振动传感器安装于待测设备上，振动检测区12用于布置光纤光栅(FBG)，具体地，振动检测区12的正面胶粘有多个第一光纤光栅121，振动检测区12的背面胶粘有多个第二光纤光栅122，多个第一光纤光栅121和第二光纤光栅122一一对应对称设置，各光纤光栅分别连接至光纤解调仪(虚线部分示意)。
图3示出了光纤光栅(FBG)的原理示意图，在光纤内形成有布拉格光栅，光纤纤芯内的光会在每个光栅面进行反射和透射，其中，对于不满足布拉格条件的光，在每个光栅面的反射微弱，大部分光透射；对于满足布拉格条件的光，在每个光栅面发生反射，最后形成一个反射峰。当待测设备振动时，各光纤光栅发生应变，通过监测反射光的中心波长的变化可以实现应变的传感。
这样，本实施例通过弹性金属片1的安装区11安装于待测设备上，由于没有质量块，且弹性金属片1很薄，整体体积很小，可安装在很狭窄的位置，其适用的场景更多，并且由于没有质量块，几乎不存在因受力过强导致断裂的风险，安全性更高。在实际测量时，除了应变会使得反射光的中心波长漂移以外，温度也会产生一定的影响，对此，本实施例在弹性金属片1的正面和背面对称设置有第一光纤光栅121和第二光纤光栅122，以其中一对光纤光栅为例，第一光纤光栅121的实测波长中含有温度带来的增量，与该第一光纤光栅121对应的第二光纤光栅122的实测波长中也含有温度带来的增量，两个光纤光栅的实测波长相减，便可消去温度的影响，使得测量结果更加准确；而且，本实施例设置各光纤光栅的数量均为多个，相较于直接取一根光纤光栅的数据，误差更低，必要时还可以去掉与其他光纤光栅的数据相差特别大的光纤光栅的数据，不参与计算，避免有光纤光栅故障或损坏时导致测量结果不准确。
作为本实施例的一个优选实施方式，多个第一光纤光栅121和第二光纤光栅122均被配置在靠近安装区11的根部，以保证能够测得最大应变(因为在自由端受力时，越靠近悬臂梁根部的地方应变越大)。
作为本实施例的一个优选实施方式，多个第一光纤光栅121呈等间距平行设置，且多个第二光纤光栅122呈等间距平行设置。
作为本实施例的一个优选实施方式，安装区11上设有安装孔111，通过紧固件将安装区11安装于待测设备上，振动检测区12形成为悬空部分。或者，在其他实施例中，安装区11可通过胶粘的方式安装于待测设备上。
作为本实施例的一个优选实施方式，弹性金属片1为304不锈钢片，具有良好的回弹性能。
作为本实施例的一个优选实施方式，该弹性金属片1呈T型，其中安装区11的长宽厚尺寸为20mm×5mm×0.3mm，振动检测区12的长宽厚尺寸为15mm×10mm×0.3mm。制作时，首先选取0.3mm厚的钢片，裁剪为上述尺寸大小；接着采用CC-33A胶粘剂将三根光纤光栅(a1，b1，c1)在钢片的正面以平行、2mm等间距排列粘接，在钢片的背面对称的位置排列粘接另外三根光纤光栅(a2，b2，c2)，对称位置的一对光纤光栅的各项规格均需相同。
如图4所示，本实施例还提供上述基于光纤光栅的振动传感器的测试方法，包括以下步骤：
S1:通过安装区11将振动传感器安装于待测设备；
安装区11设有安装孔111，通过紧固件将振动传感器安装于待测设备，并使得振动检测区12悬空。
S2:待测设备的振动传递至多个第一光纤光栅121和多个第二光纤光栅122，根据每对光纤光栅的信号求出该对光纤光栅检测到的振动频率和振幅；
待测设备的振动会带动弹性金属片1产生周期性形变，而周期性形变会带动布贴在上面的光纤光栅(FBG)产生应变，应变导致光纤光栅反射光中心波长发生变化。
实际测量时可得光纤光栅的时间序列
对a、b、c三对光纤光栅的时间序列分别按以下步骤求解振动频率和振幅：
S21：对得到的时间序列λi(t)进行快速傅里叶变换(FFT)：
记λi(t)为长度为N的向量X，进行快速傅里叶变换后得到Y，计算方式如下：
其中，
Wn＝e(-2π)/n
S22：计算双侧频谱P2，然后基于此和偶数信号长度L计算单侧频谱P1：
令P1为P2前L/2+1项，之后令P1每项变为原来的二倍。
S23：定义频域f并绘制单侧幅值频谱P1：
设光纤解调仪的采样频率为fs，f为0至fs/2，步长为fs/L的序列。建立f与P1的函数关系，P1最大值对应的f可视为振动传感器测得的振动频率，P1最大值可视为波长偏移最大量，记为Δλmax，
Δλmax＝2Kεε
其中，Kε为FBG应变系数，ε为根部应变。又，
其中，F为自由端受力，L1为悬臂梁自由端至根部距离，E为悬臂梁材料的弹性模量，h为悬臂梁的厚度，b为悬臂梁根部的宽度。自由端处挠度为：
其中，I为截面惯性矩。结合上式可得，自由端挠度为：
至此，可以求出各对光纤光栅测得的振动频率和振幅。
S3：将各对光纤光栅求出的振动频率和振幅求均值得到最终的振动频率和振幅。
将a，b，c三组FBG测得的振动频率与|ωB|进行均值运算得到的结果可视为最终的振动频率与振幅。
由上述内容可知，本实施例提供的一种基于光纤光栅的振动传感器，拥有更小的体积，适用于更多的使用环境，并且检测结果更准确、误差小。
实施例二：
本实施例中各光纤光栅的布贴方式和实施例一不同。具体地，如图5所示，多个第一光纤光栅121的第一端朝向同一点收敛即指向同一点，多个第一光纤光栅121的第二端向外呈环形发散，每相邻两个第一光纤光栅121之间的角度相同；对应地，如图6所示，多个第二光纤光栅122的第一端朝向同一点收敛即指向同一点，多个第二光纤光栅122的第二端向外呈环形发散，每相邻两个第二光纤光栅122之间的角度相同。
作为本实施例的一个优选实施方式，第一光纤光栅121为七个，每相邻两个第一光纤光栅121之间的角度为15度；对应地，第二光纤光栅122为七个，每相邻两个第二光纤光栅122之间的角度为15度。
作为本实施例的一个优选实施方式，弹性金属片1为长方形，长度方向的左半部分被配置为安装区，长度方向的右半部分被配置为振动检测区。在振动检测区的正面，最中间的一根第一光纤光栅121与弹性金属片1的长度方向平行；在振动检测区的背面，最中间的一根第二光纤光栅122与弹性金属片1的长度方向平行。各光纤光栅均被配置在靠近安装区的根部。
作为本实施例的一个实施方式，弹性金属片1的长宽厚尺寸为30mm×15mm×0.3mm。制作时，首先选取0.3mm厚的钢片，裁剪为30mm×15mm的尺寸大小；接着将七根光纤光栅(a1，b1，c1，d1，e1，f1，g1)在钢片的正面以互成15度排列粘接，在钢片的背面对称的位置排列粘接另外七根光纤光栅(a2，b2，c2，d2，e2，f2，g2)。其具体的计算方式可参照实施例一，此处不再赘述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于光纤光栅的振动传感器，其特征在于，包括有弹性金属片(1)，所述弹性金属片(1)包括有安装区(11)和振动检测区(12)，所述安装区(11)用于将所述振动传感器安装于待测设备上，所述振动检测区(12)的正面胶粘有多个第一光纤光栅(121)，所述振动检测区(12)的背面胶粘有多个第二光纤光栅(122)，多个第一光纤光栅(121)和第二光纤光栅(122)对称设置。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的振动传感器，其特征在于，多个所述第一光纤光栅(121)和第二光纤光栅(122)均被配置在靠近所述安装区(11)的根部。
3.根据权利要求2所述的一种基于光纤光栅的振动传感器，其特征在于，多个所述第一光纤光栅(121)等间距平行设置，且多个第二光纤光栅(122)等间距平行设置。
4.根据权利要求2所述的一种基于光纤光栅的振动传感器，其特征在于，多个所述第一光纤光栅(121)的第一端朝向同一点收敛，多个所述第一光纤光栅(121)的第二端发散，每相邻两个第一光纤光栅(121)之间的角度相同；多个所述第二光纤光栅(122)的第一端朝向同一点收敛，多个所述第二光纤光栅(122)的第二端发散，每相邻两个第二光纤光栅(122)之间的角度相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的振动传感器，其特征在于，所述安装区(11)设有安装孔(111)，通过紧固件将所述安装区(11)安装于待测设备上。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的振动传感器，其特征在于，所述安装区(11)通过胶粘的方式安装于待测设备上。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的振动传感器，其特征在于，所述弹性金属片(1)为304不锈钢片。
8.一种基于光纤光栅的振动传感器的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:通过所述安装区(11)将所述振动传感器安装于待测设备；
S2:所述待测设备的振动传递至多个所述第一光纤光栅(121)和多个所述第二光纤光栅(122)，根据每对光纤光栅的采集信号求出该对光纤光栅检测到的振动频率和振幅；
S3：将各对光纤光栅求出的振动频率和振幅求均值得到最终的振动频率和振幅。
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