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光纤微振动传感器原理

朱磊(机械与电子工程学院电子信息工程)指导教师:许海峰

摘要:利用光纤共振原理设计和实现了一种光纤微振动传感器。光纤微振动传感器主要有两种结构形式:

带电的微振动传感器和不带电的微振动传感器,以适应不同环境的在线检测。

关键词:光纤传感器光纤共振在线检测

Abstract:usingfibreresonantdesignprinciplesandrealizeafiberopticmicrovibrationsensor.

Fiberopticmicrovibrationsensortobasicallyhavetwokindsofstructureform:chargedmicro

vibrationsensorandunchargedmicrovibrationsensortoadapttodifferentenvironmentofon-line

detection.

Keywords:opticalfibersensorfiberresonanceon-linedetection

1.引言

光纤具有传输损耗小、抗电磁干扰等优点,在传感器领域内已得到广泛应用。以往的传光型光纤振动传

感器,光纤只用于传输光而本身并不振动,主要是利用与被测物相连的探头振动来进行检测的。本光纤振

动传感器有别于传统的光纤振动传感器,光纤是随着被测物的振动而振动的,在谐振时,利用共振原理对

微小振动能够放大50~100倍,最小测量精度为0.01mm,还具有在线实时检测的功能。可用于测量大型

发电机、房屋以及桥梁等的微振动。光纤微振动传感器主要有两种结构形式:带电的微振动传感器和不带

电的微振动传感器。带电的微振动传感器适用于弱磁场和低电压的环境下,如检测房屋以及桥梁的微振动,

并且成本和造价都比较低;不带电的微振动传感器适用于强磁场和高电压的环境下,如检测大型发电机的

微振动。这两种微振动传感器对温度都是不敏感的。

2.振动原理

按照横向振动理论,光纤的固有振动频率为:

2222

ωᵌ=βᵌ²EIρA=βᵌℓEIρπRℓ=Kᵌ²EI/ρπR(ᵌ=1,2,3…)

1

式中βᵌℓ是方程cosβᵌℓ*Chβᵌℓ=-1的解,令Kr=βᵌℓ,前三阶的特征根为K1=1.875,K2=

4.694,K3=7.855。ρ为光纤密度,EI为抗弯刚度,均可认为是常数;R为光纤的半径,A为光纤的

截面积,ℓ为光纤的振动长度。由此可以看出,光纤的固有振动频率与光纤长度的平方及光纤的直径成反

比。

本光纤微振动传感器就是利用上述原理制成的。在光纤发生谐振时,可以把振幅放大50~100倍,从

而能够精确测量微振动幅度。

3、光纤传感器结构原理

以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信

号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接(见图1)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为

可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成

(见图2)。

电源

导线敏感元件

信号处理信号接收

图1:传统传感器

光发送器

光纤敏感元件

信号处理光接收器

图2:光纤传感器

由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。

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