JS 杂志上的传感器 1687 - 7268 1687 - 725 x Hindawi出版公司 936487年 10.1155 / 2010/936487 936487年 评论文章 使用光纤振动检测传感器 加西亚 Yoany罗德里格斯 1 收款银行 耶稣M。 2 Goicoechea 哈维尔 2 Matias Ignacio 1 电信部门 比那尔德里奥省大学,Av。马蒂270 比那尔德里奥省 古巴 upr.edu.cu 2 电气和电子工程部门 Edif。洛塔霍河,校园Arrosadia 瓦公立大学 31006年潘普洛纳 西班牙 unavarra.es 2010年 09年 08年 2010年 2010年 01 03 2010年 24 05年 2010年 05年 07年 2010年 2010年 版权©2010 Yoany罗德里格斯加西亚等。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

重型机电设备状态监测通常是完成业内使用振动分析。几个技术,主要是基于电容式和压电加速度计,已经申请了预见性维护。然而,电磁干扰(EMI)的负面影响可以是一个真正的问题当电信号被用来检测和传输物理参数在嘈杂的环境中如电力发电机植物与高水平的EMI。光纤传感器正越来越多地使用,因为nonelectrical信号的性质。在这篇文章中,最常用的振动光纤传感器将审查、分类的遥感技术和测量原理。的主要技术,强度调制,布拉格光纤光栅法布里-珀罗干涉测量法,将审查。

 1。介绍

自几十年前,光纤传感器技术进行一场革命的手光纤通信产品的扩展与光电设备( 1- - - - - - 4]。这些新领域的机会包括取代大部分的潜在环境传感器存在的今天,以及开放的整个市场,具有类似功能的传感器不存在。这些新技术,结合先进的光学传感器,使远程振动监测使用紧凑的便携式仪器包在高度本地化部分电机的固有电隔离,优异的介电性能,对电磁干扰的免疫力( 2, 3]。此外,光纤传感器可以提供非接触,perturbation-free意味着的监测提供一个新的方法在机电设备振动监测。

光纤传感器可以一般分为两组:外在(光纤传感器的传感的特点发生在一个地区之外的纤维) 内在的(光纤传感器的特点是这一事实传感光纤本身内进行 )( 4- - - - - - 9]。然而,光纤传感器也可以分类他们的工作原理。在图 1振动传感器显示的一般分类: 灰度传感器(ibs)中强度调制通过外部参数; 法布里-珀罗干涉仪(fpi)被动光学结构,利用多波束干涉两个semireflective之间的空腔表面。 光纤布喇格光栅(FBG)是捏造的使用纵向折射率的周期性扰动的光纤的核心 。在t他的论文这三个测量原则进行分析。

振动光纤传感器的分类。

 2。灰度振动传感器

灰度传感器技术研究和实现了在过去25年(见图 2)。广泛的配置可以使用,如光纤微弯,fiber-to-fiber耦合,口罩/光栅移动,和修改包层( 6, 10- - - - - - 17]。

进化的灰度传感器、振动(源数据库:斯高帕斯)。

这些传感器可以分为两大类,如果身体接触与振动对象存在。通常使用无触点结构反射信号检测位移或振动而另一结构(即。微弯)使用递送的配置。

作为一般规则,在灰度传感器结构的光强度的来源是由电转换装置调制;然后是引导探测器,转换成电子信号,充分处理( 9)如图 3。

强度调制系统的配置。

在许多情况下,需要有一个引用机制为了保持传感器校准。没有这个引用机制,光功率波动源,连接器,连接器,或任何其他光学组件在系统中可以引入重要的相对误差。在某些情况下,数字通信技术,如码分多址(CDMA)或扩频技术(太平洋)可以降低噪声的影响 6, 10- - - - - - 15]。

2.1。微弯结构

微弯传感器是最早的灰度传感器开发( 16- - - - - - 18]。的检测原理是基于传输功率的变化作为压力/应力函数。基本上,在这个结构,光强度减少造成的损失诱导microcurvatures(见图 4)。

微弯传感器结构。

变形引起的耦合光功率从core-guided模式到高阶辐射模态;这些模式是由周围的介质衰减。

多模和单模纤维已经使用了这些传感器的结构 19]。而多模微弯传感器灵敏度的最大弯曲频率等于传播和辐射模式的传播常数的差异( 20.],在单模光纤微弯传感器的最大灵敏度达到当空间弯曲频率等于传播常数之间的差异的基本模式和一个离散的包层模式( 21]。

这种技术的一个例子被Pandey, Yadav报道[ 22]。他们使用微弯传感器置于建筑面板检测压力和变形。这个传感器的校准是在实验室条件下,因此输出光功率与压力传感器直接相关,见图 5。

设置的嵌入式光纤微弯传感器测量高压和裂纹检测。(从[复制 22爱思唯尔)许可)。

 2.2。非接触位移灰度传感器

非接触动态位移传感器通常用于振动检测。一个反射方案用于检测振动纤维用作发射器源和一个或多个纤维作为收藏家(图 6)。目标附近的反射周围的表面可以最小化使用数据处理技术( 10, 12]。

配置动态位移灰度传感器。

该配置的一个例子是图所示 7。Binu et al。 23)开发了一个简单的、崎岖的和低成本的非接触IBS使用两个PMMA粘合纤维。这个配置的主要优势是低成本的传感器和传感器的制造。

光纤位移传感器的原理实验装置测量振动频率(从[复制 23爱思唯尔)许可)。

然而,尽管灰度光纤传感器很容易构建、显著误差可以介绍了由于光源功率的变化。损失测量系统的物理配置和反射面通常影响最终的测量精度。幸运的是,引用资源波动相对容易实现

最近,Perrone和Vallan [ 12)提出了一个高分辨率和廉价的光学传感器(使用塑料光纤)来测量振动的几十千赫的使用一个intensity-detection方案,后跟一个费力数据处理来弥补振动表面反射率和测量链收益。在这个传感器,光纤用于传输光而其他纤维收集被震动的目标 年代 ( t ) 必须测量的。接收到的信号处理后照片探测器转换。Perrone等人所使用的实验装置如图 8。

塑料光纤传感器设置( 12]。

这些灰度传感器通常是低成本和通用的结构。甚至在反射实验设置的特定的传感器可以用于非接触应用。

 3所示。法布里-珀罗干涉仪

法布里-珀罗干涉仪光学结构,利用多波束干涉两个semi-reflective之间的空腔表面。

在过去的三十年中,许多应用程序的结构开发,支持光通信的激增和使用光纤传输指南和测量材料。这种光学结构的进化,振动传感器可以看到图 9。

进化的法布里-珀罗传感器振动(源数据库:斯高帕斯)。

法布里-珀罗光纤传感器的基本结构是建立在两个平面平行的表面和部分的反射率,负责创建多个光线观察干涉图样。

为了获得一个纤维Fabry佩罗传感器(IFFPI)部分mirror-surfaces必须被创建在纤维内部,如图 10。这个传感器可以用化学过程或融合电流。

总体结构的纤维法布里-珀罗干涉仪。

其它干涉仪背后的一般理论仍然适用的法布里-珀罗模型;然而,这些多次反射加强建设性和破坏性影响地区发生使产生的边缘更清晰定义的( 31日- - - - - - 34]。

反映了辐照度的反射比 我 r 对事件的辐照度 我 我 与往返周期阶段 φ 梁之间的区别,如图所示 我 r 我 我 = F 罪 2 ( φ / 2 ) 1 + F 罪 2 ( φ / 2 ) , 表面的反射率 R 的腔面决定了腔技巧 F 。

手腕被定义为 F = 4 R ( 1 - - - - - - R ) 2 。 许多这些干涉仪遭受定向模棱两可的常见的问题在边缘运动测量目标变化方向自输出干涉信号在本质上是cosinusoidal [ 35, 36]。一般的解决方案包括额外的或多个质问蛀牙,多个波长和正交移相技术。检测到干涉条纹为电信号并反馈到比较器电路来产生所需的正交条件。

在外在版本的法布里-珀罗干涉仪(EFFPI),光学谐振腔是外部的纤维 37- - - - - - 40]。纤维的排列结束面临维护保税毛细管或可以放置一个在另两个的前面。在这种情况下,相干源是必要的,以避免过度的功率损耗。随着衬底和连接管是紧张,干扰信号变化反映在反应腔间距的变化(见图 11)。

非本征法布里-珀罗干涉仪,基于毛细管。

更复杂的配置非凡的敏感性已经开发使用吹牛光纤光栅的工作像镜子 41]。在下一节中选择几个例子将会分析。

3.1。非本征光纤Fabry佩罗干涉仪振动传感器

虽然已报告多个传感器应用程序直接使用FPI传感器信号,如前所述,其他应用程序可以显著提高使用信号处理技术在电气领域。这方面的一个例子是显示在图 12。在这种结构中,配置多个边缘和非正弦的信号从一个使用一个非本征法布里-珀罗干涉仪光纤振动传感器是由Gangopadhyay et al。 24]。在这个配置中,波长转换(WT)基于信号处理方法来计算光学边缘。WT-based工具是由作者明确识别非正弦的频率成分的振动情况多个边缘和复杂的频率测量。

反射EFPI传感器的示意图与纤维和测量系统。(从[复制 24IEEE)许可)。

法布里-珀罗传感器需要一些以前使用前校准,描述的是( 42]。在这个工作,这是显示一个可行的方法来校正PVDF应变传感器使用贝塞尔4分谐波的光纤EFPI传感器不需要复杂的标准频谱分析仪功能以外的解调方案。

Pullteap et al。 25)提出了一个修正条纹计数技术应用于双模光纤法布里-珀罗振动计。该计划的结构如图 13系列,连续的干涉条纹计数信号处理。这种技术的主要优势是提高分辨率,可以获得没有进一步复杂的信号处理方案,因为它允许计算交点和集成算法的干扰峰由于稳定光生成正交条件。

原理图的双模光纤法布里-珀罗干涉仪振动分析( 25]。

 3.2。纤维Fabry佩罗干涉仪振动传感器

第一个应用程序提出了IFFPI吉野et al。( 26]。在这个实现中,影响振动检测是使用单模FFPI end-reflectance为70%。开发系统的原理图如图 14。

光纤法布里-珀罗干涉振动检测。(从[复制 9爱思唯尔)许可)。

其他IFFPI应用程序是在1983年报道的一种粗绒布等。 43]。在图所示的实验装置 15是由与裸光纤单模IFFPI结束。系统有一个共振峰低至150赫兹限制的敏感性 2 × 10 - - - - - - 7 g。

设置的IFFPI裸光纤结束作为一个加速度计( 26]。

圣诞节et al。 44)提出了高分辨率的实现振动计使用波长de-multiplexed光纤法布里-珀罗传感器。监控系统是基于low-coherence干涉法( 45];参见图 16。它由一个马赫曾德耳质问干涉仪(MZI)和光纤法布里-珀罗(FFP)传感器。光纤法布里-珀罗腔是由一对光纤布喇格光栅(fbg)当镜子用不同的反射率是波长的函数。使恒定灵敏度检测和使用传统的射频信号恢复技术,采用外差作用信号处理。

高分辨率的示意图使用波长去复用光纤法布里-珀罗传感器振动测量。

另一个IFFP传感器是由两个部分的单模光纤(SMF)融合hole-core纤维(HCF)形成一个法布里-珀罗腔的每个SMF的镜子干涉仪( 9, 27, 36];这种结构被称为内联纤维校准器或人生,人物 17。

法布里-珀罗干涉仪由两个SMF HCF,称为内联校准器纤维(人生)。

多个应用程序已经开发利用法布里-珀罗的原则应用于人生。管理这个结构方程显示光学反射功率和腔变形之间的关系 R D H = 一个 * ( 1 + V * 因为 4 π * l * ε λ ] , 在哪里 一个 和 V 是常数,表示传感器的振幅和可见性, λ 是光的波长, l 是空腔长度, ε 的单一变形腔( 27]。

使用这个方案,在 27),证明它可以应用的稳态性能的检测三相电机在不平衡的条件下,见图 18。这个实现了人生的春天和它的变形是注册使用反射光的干涉法的法布里-珀罗标准具的镜子。打光检测器的输出与FFT模块连接到一个示波器显示振动光谱。

传感器标定系统的原理图使用内联校准器纤维,(人生)(从[复制 27IEEE)许可)。

法布里-珀罗干涉仪在测量时提供高精度实时表面振动。一些技术,如波分和传输和接收光信号可以用来获得优秀的与位移的关系,应变和振动测量。

法布里-珀罗干涉仪可以归类为一个最敏感的结构领域的光纤传感器。在本节中,我们试图显示广泛的实验设置和应用程序可以通过使用这种光学结构。会影响该结构的主要问题相关的制造镜子,其缺陷和对齐错误可以减少传感器精度。

 4所示。光纤布拉格光栅传感器

光纤布喇格光栅(fgb)光纤设备,包括纵向折射率的周期性扰动的光纤的核心。这种周期性变化的光纤的光学特性赋予独特的光学性质,使这些设备适合光学传感应用。事实上,自从1978年第一个永久性串联光栅被报道( 46, 47),越来越多的科学团体投入他们的研究在这样的设备。事实上,报告工作的数量与使用光纤光栅振动有显著增长自1994年以来,(见图 19)虽然在1988年首次提出了应变和温度传感器( 48, 49]。

进化的光纤光栅振动传感器(源数据库:斯高帕斯)。

光纤光栅的最有价值的特性之一就是他们强烈依赖的共振峰在布拉格的很小变化时期使他们理想的应变传感 48, 49]。他们也有更多的优势,例如,他们的体积小,使它们适合嵌入到复合材料( 50)或混凝土( 51),或者他们的密集波长复用功能,使可能的多点传感等复杂的民用建筑的桥梁和高速公路( 52, 53]。同时,这种结构可以用于同时测量几个参数如温度或湿度 54- - - - - - 60)使用波长复用技术和振动。

4.1。光纤布喇格光栅:工作原理

光纤光栅的光学特性设备源于一系列的部分反射镜与确定空间内安排。在光纤光栅传感,这些反射镜是捏造出来的通过改变折射率光纤的核心的一个周期方式,创建介质部分反映,因此发生一系列的干扰光线穿过该设备。结果是,特定波长的一个常数与折射率的周期扰动实验一个强大的输电阻塞。这样由光纤光栅反射波长结构,设备保持不变的波长,因此光纤光栅作为波长选择性反射器。这是示意图如图 20.。

光纤布喇格光栅的结构示意图。核心的折射率的周期性变化引起某些波长的选择性反射,与光纤光栅周期有关。

光纤布拉格光栅是由“注册”或“写作”折射率的周期性变化为核心的一种特殊类型的光纤使用强烈的紫外线(UV)源如紫外激光( 61年- - - - - - 63年]。特殊掺锗石英纤维用于制造光纤光栅因为光敏,和可以诱导折射率变化区域暴露在强烈的紫外线辐射。因此,光纤光栅被揭露他们捏造一个常规紫外线模式。得到了这样的模式主要是通过两个不同的过程:干扰和屏蔽。的折射率的变化量的纤维强度和持续时间的核心是一个函数的紫外线照射。

而干扰和屏蔽是最技术用于制作光纤光栅,可以把它们逐点详述的。这里,激光有一个狭窄的光束,等于光栅周期。该方法特别适用于长周期光栅和倾斜光纤光栅的制作。

光纤光栅的操作背后的基本原则是菲涅耳反射。光媒体不同的折射率之间旅行可能在界面反射和折射。光栅通常会有一个正弦折射率变化在一个定义的长度。

波长间距第一极小值(null),或带宽( Δ λ ),是由 Δ λ = ( 2 δ n 0 η π ] λ B , 在哪里 δ n 0 折射率的变化( n ′ - - - - - - n 核心 )(图 20.), η在核心权力的一部分。典型的光纤光栅的反射响应如图 21。光纤光栅的详细描述模型可以发现在 64年]。

光纤光栅反射功率和波长的函数。

光纤布喇格光栅可以作为直接为应变传感元素,但是也有使用在仪器应用程序如地震学、压力传感器在极其恶劣的环境,以及在石油和天然气井井下传感器测量外部压力的影响,温度、地震振动,和内联流量测量。

光纤光栅设备的主要优点之一是他们是否适合传感器网络的安排。也不是轻而易举的事情安排多传感器设置,和其他光学仪器有很强的局限性有关传感器的最大数量可以集成在一个光学系统(高强度损失,等等)。在这个意义上,光纤光栅可以很容易地集成在一个多传感器安排,和系统可以使用时分多路复用(TDM)审问,频分多路(FDM),或波分复用技术(WDM) [ 28),使用只有一个光源和一个探测器系统,有助于大大降低测量系统的成本,见图 22。

实验设置安排询问使用波分复用光纤光栅多传感器系统。(从[复制 28爱思唯尔)许可)。

 4.2。光纤光栅振动传感应用

因为它以前一直说的,光纤光栅设备的独特性能使他们适合传感应变等大小。事实上,最早的传感应用报道是应变和温度( 48, 49]。振动诱导高速动态应变变化,因此共振光纤光栅波长的位置的监测可以测量振动。在振动测量应用中,审讯的带宽系统是一个关键参数,限制了系统的应用范围。以达到高速光纤光栅振动传感器的审讯率不同的方法已经被报道,但是他们都避免光学反射的光的光谱特性,因为它需要一些时间,减缓了审讯。

最常用光学设置基于高速审讯分裂两个或两个以上不同的光纤光栅反射光的波长成分,结合传统的灰度光电探测器。这被动差光强度测量装置可以达到讯问速度高达50千赫( 28]。已经暴露,当光纤光栅应变,纤维布喇格波长的实验变异。可能这个应变测量实验装置是一个标准的反射设置如图 23,使用宽带光源( 28, 65年]。返回布拉格反射的信号通过一个三分贝耦合器传输wavelength-dependent耦合器。由于光纤光栅的反射率是可怕地改变的压力,因此,来自依赖耦合器将不同波长的信号强度随着光纤光栅拉伸。测量这些信号,可以使用简单的电子处理,揭示了光纤光栅应变电压成正比。这个电子感应阶段,可以高速审讯。以外的其他设置已报告方法的波长选择性设备被一个不平衡的Mach-Zender干涉仪。它的武器之一是相位调制通过的 fiber-stretching漂移补偿压电设备探测器反馈阶段。

使用一个光纤光栅应变和振动测量传感器( 28]。

类似的方法被Cusano报道和同事在 29日]。反射的光从光纤光栅传感器是有选择地除以一个滤光器与光纤光栅的布喇格波长调谐,如图 24。FGB传感器的反射信号然后滤光器分为两个部分,因此当布拉格峰流离失所由于应变两个测量组件对改变他们的关系。

实验装置与单个光纤光栅动态应变( 29日]。

这种被动的解调系统的安排,允许一个完整的电子审讯;因此,可以测量动态应变(振动)在高频率(400 kHz) [ 29日]。事实上,这些系统的审讯率是有限的电子测量阶段。这个特定的方法已经成功地应用于地震测量,可以看出图 25( 30.]。在这个工作中,三个不同的光纤光栅传感器同时审问并与传统的加速度计使用设置如图 24。

光纤光栅地震传感器的响应( 30.]。

 5。结论

本文主要回顾了光纤传感器振动测量的技术。不同的技术用于振动传感器的概述。灰度传感器提出了首先,显示设置用于振动测量。这种类型的传感器可以用于反射和传输模式;然而,测量准确度的高依赖源功率是IBS的弱点在前面提出的其他技术。相比之下,Fabry-Perot-based振动计的特点是一个更好的分辨率和精度。一些设置可以实现使用这种传感器的结构,所有这些特点和优势,FPS是最传播技术用于检测振动光纤区域。最后,光纤布拉格光栅vibration-sensing技术有独特的准确性和波长复用能力。高速审讯手段需要为了检测高频振荡。最后,它是可能的说,光纤传感器可以提供准确性,耐久性,和经济配置振动测量,从而增加应用程序的范围和开拓新的研究领域。

 确认

作者感谢穆劳尔博士Vento比那尔德里奥省大学的支持和西班牙国际开发署合作发展署(AECID)之间科学交流的机会,它提供了西班牙研究人员和来自其他国家。

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