一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法

本发明涉及光纤光栅传感器，具体涉及一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法。

背景技术：

1、随着传感技术的不断发展，人们对于传感器的技术需求也在日益提高。要同时满足灵敏度高、成本低、制备工艺简单、稳定性好条件的振动传感器比较少见。在传感检测过程中，灵敏度和稳定性是其主要的技术影响因素,而制备工艺和成本则是工业化生产过程中重要影响因素。同时兼具这些优点的振动传感器正在得到越来越多关注和青睐。

2、光纤光栅微振动传感器是利用外界信号调制于光纤布拉格光栅，导致光纤布拉格光栅中应变发生变化，从而导致反射光的中心波长发生变化，通过探测中心波长的变化探测外界微弱振动信号的加速度量的传感器。光纤光栅微震动传感器相对于常规的电磁类传感器，在灵敏度、大动态范围、可靠性、等方面具有明显的优势，可应用于设备的微弱振动监测、微地震监测、振动安防等领域，成为高性能微振动传感器发展的一个重要方向。

3、现有技术中有关光纤光栅振动传感器方面的研究有：申请号201310443134.6公开了一种用于铁路沿线危岩落石监测的光纤光栅振动传感器，包括：支撑壳体；l型转动杆，所述l型转动杆具有在长度方向上相互垂直并相交的两个臂；所述l型转动杆还具有转动轴，所述转动轴垂直于所述两个臂并固定至所述支撑壳体，使得所述l型转动杆能够相对于所述转动轴转动；应变光纤光栅，所述应变光纤光栅的第一端封装在所述l型转动杆的第一臂上，所述应变光纤光栅的第二端封装在所述支撑壳体上；以及过载保护装置。申请号201510748293.6公开了一种光纤光栅微振动传感器，它包括一支座，支座为u字型结构，具有第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁的内侧具有第一台阶；第二侧壁顶端有向第一侧壁延伸的横梁，在第二侧壁的外侧设置有第二台阶和第三台阶，在第二台阶上设置有调节梁，在第三台阶上设置有补偿柱；第二侧壁上开有竖直槽；在支座上设置有倒t型的弹性片，弹性片的头部固定在第一侧壁内侧的第一台阶上，弹性片的尾部固定连接上质量块和下质量块；弹性片的中部设置有一向上的折起片，在折起片上设置有第一微孔；调节梁包括竖板和横板，竖板底部设置有凸缘，在第二台阶上设置有导槽，凸缘与导槽相适配使调节梁的凸缘在导槽中枢转；调节梁的竖板通过第一紧固螺钉与支座的第二侧壁连接。

4、上述光纤光栅振动传感器各有其优点，能更好适应常见振动的信号转换，但是也存在下列问题：缺少温度补偿的设计，没有解决机械结构振动发热导致温度对光纤光栅本身的影响；未加阻尼设计，连杆的自由振动容易干扰测量信号，使得传感器的灵敏度稳定性降低，适用场景受限；悬臂结构挠度变化小，传感器的灵敏度有限。

5、由此可见，现有技术有待于进一步改进。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，旨在解决现有部分光纤振动传感器结构较为复杂；缺少温度补偿的设计，没有解决机械结构振动发热导致温度对光纤光栅本身的影响；未加阻尼设计；使用悬臂结构导致挠度变化小，传感器的灵敏度受限；光纤光栅在预拉时预拉力难以控制容易出现断裂；机械结构振动发热导致温度对光纤光栅本身的影响的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，包括以下步骤：步骤一、安装所需测量系统，所述的测量系统包括外壳，所述的外壳可感受待测物的振动；在所述的外壳内安装有支撑装置和传动装置，支撑装置安装在外壳侧壁的下部位置，所述的传动装置包括凸轮、第一连杆、第二连杆以及滚子，所述的凸轮套设在转轴上，所述的转轴安装在支撑装置上，所述的第二连杆安装在支撑装置上，所述的滚子安装在第一连杆上，所述的滚子与凸轮接触配合，所述的第一连杆和第二连杆的一端转动连接。

3、所述的第二连杆的另一端垂直向上，并且与位于外壳内上方的空心正方体接触；所述的空心正方体通过悬臂梁与外壳固定在一起；在与转轴一条直线上的凸轮的两端分别设置第一永磁体、第二永磁体；在凸轮附近的外壳内壁上设置有第一布拉格光纤，在支撑装置上设置有第二布拉格光纤，所述的第一布拉格光纤、第二布拉格光纤外部均由磁性材料封装，并受凸轮的磁力作用产生应变。

4、步骤二、当待测物发生振动时，外壳随着待测物一起振动，悬臂梁将该振动传递至空心正方体，空心正方体的惯性推动第二连杆运动，第二连杆带动第一连杆转动，第一连杆带动凸轮转动；凸轮转动时，第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的应力产生变化。

5、步骤三、计算第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的应力，然后再计算第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的应变；得出第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的应变与波长变化量的关系式计算出第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的中心波长变化量，最终得到温度补偿后的中心波长变化量。

6、上述的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，步骤三中，第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的应力均由式（1）计算得到：

7、                                          （1）。

8、式（1）中：为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的应力；f为凸轮与第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的相互作用力；a为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的表面积。

9、上述的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，步骤三中，第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的应变均由式（2）计算得到：

10、                                  （2）。

11、式（2）中，为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的应变；为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的弹性模量。

12、上述的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，步骤三中，第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的中心波长变化量均由式（3）计算得到：

13、                             （3）。

14、式（3）中，为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的中心波长变化量，为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的应变传感灵敏系数， 为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的温度传感灵敏系数，为第一布拉格光纤或第二布拉格光纤的温度变化量。

15、上述的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，步骤三中，温度补偿后的第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的中心波长变化量由式（4）计算得到：

16、                         （4）。

17、式（4）中，为第一布拉格光纤的中心波长变化量，为第二布拉格光纤的中心波长变化量；为温度补偿后的中心波长变化量。

18、上述的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，所述的支撑装置为t形，包括底座和支撑体，所述的支撑体为梯形，在所述的支撑体上设置有用于安装转轴的安装孔，在所述的安装孔的另一侧设置有空心筒，所述的第二连杆穿过所述的空心筒。

19、上述的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，所述的第一布拉格光纤、第二布拉格光纤的长度与凸轮的长度匹配。

20、与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：（1）本发明提供的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，针对缺少温度补偿的设计，没有解决机械结构振动发热导致温度对光纤光栅本身的影响问题，通过磁性传动结构，减少了机械运动产生的热量对光纤精准度的影响，并添加了温度补偿设计。

21、（2）本发明提供的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，针对未加阻尼设计，增加了磁性阻尼，解决连杆的自由振动容易干扰测量信号问题，提高传感器精度。

22、（3）本发明提供的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，针对悬臂结构挠度变化小，传感器的灵敏度有限的问题，使用磁性传动结构，提高了传感器灵敏度，减少了封装难度。

23、（4）本发明提供的一种基于光纤光栅的待测物振动测量方法，针对光纤光栅在预拉时预拉力难以控制容易出现断裂问题，使用磁性传动结构，减少了封装难度。