关键词:
动态应变传感
法布里珀罗传感器
迈克尔逊干涉解调
法珀标准具解调
摘要:
随着科技的不断发展,各大行业的设备趋向大型化、精密化和系统化,自动化、智能化已经成为未来产业发展的趋势。然而,随着设备规模的增大和系统复杂性的提高,设备的寿命也逐渐变得不稳定。因此,设备状态监测技术的研究变得非常重要。机器故障状态监测技术的研究可以帮助企业实现对各种设备的实时监测和预测,从而及时发现故障和异常,保障设备的安全、可靠和稳定运行。目前,机器故障状态监测技术主要基于对信号的分析,包括振动信号、力信号、音频信号等。通过对这些信号进行实时采集、传输、处理和分析,可以识别出设备的异常和故障。因此,传感器和信号解调系统的研究变得非常重要。
光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)传感器具有结构简单、制作多样、体积小、成本低、精度高和抗干扰能力强等优点,因此在航空航天、桥梁建筑等安全数据监测领域得到广泛应用。目前已有许多研究在温度、压力、应变等多个参数的监测方面取得了一定的成果。F-P传感器的解调方法主要分为强度解调、波长解调和相位解调三种方式,不同的方法各有优缺点,并在不同实际应用中表现出差异。与光纤光栅传感器(Fiber grating sensor,FBG)相比,F-P传感器的制作更加便捷且易于操控。因此,针对F-P传感器的研究,需要相应适配的解调方法,以实现更低成本和更高效率的信号解调。
本文主要从F-P传感器制作和F-P传感器信号的解调系统两个方面进行研究,其主要研究工作内容如下:
(1)对F-P传感器的信号解调系统的发展做简要概述,其中重点关注了强度解调和相位解调两种方法,侧重于探究能够实时性监测动态信号的解调方式,为本研究设计的两种监测实时动态信号的解调系统提供了理论基础。另外对F-P传感器设计的发展情况做出简要概述,了解了国内外对于F-P传感器的研究现状以及此类传感器的应用范围及优缺点。
(2)针对F-P传感器及其封装进行一定的仿真探究,确定所制作的F-P传感器实物的各项参数设定,主要目的是得到最佳腔长数据,最终结果显示腔长在250μm左右时具有最好的效果。根据仿真得到所设计的传感器在特定腔长下的灵敏度为66pm/MPa,随后制作了实物传感器进行特性测试实验,制作的F-P传感器的应变灵敏度约为3pm/με,利用掺铒光纤光放大器(Erbium-doped fiber amplifier,EDFA)进行环形放大后形成的EFDA-FPI激光的应变灵敏度为17pm/με,且具有较好的稳定性,证明了传感器用于高压动态信号传感的可行性。
(3)设计了基于100GHz的法珀标准具的强度解调系统,将法珀标准具与F-P传感器的叠加光强限定在正交范围内,通过腔长改变导致光强改变得到腔长数据。通过实验得到,此系统可以测得1-7k Hz的动态应变信号,对应的应变为5-7με,脉冲压力解调上升时间为2.8×10s,通过示波器上电压幅值与压力值的转换系数,将测试数据可视化为压力随时间变化的数据。
(4)设计了基于自由空间光学迈克尔逊干涉仪的相位解调系统,利用迈克尔逊干涉仪对环形放大后的EFDA-FPI激光进行相位调制,当F-P传感器腔长改变时,激光中心波长发生移动,通过相位解调得到待测数据。实验验证可测得4k Hz-60k Hz高频动态应变信号,对应的应变为1-2με,脉冲压力解调上升时间为2.9×10,利用转换系数,形成了压力随时间变化数据的可视化结果。