使用光纤传感器的振动检测

摘要

在工业中，重型机电设备的状态监测通常是通过振动分析来完成的。以电容式和压电式加速度计为基础的几种技术已被应用于预测性维修。然而，电磁干扰(EMI)的负面影响可能是一个真正的问题，当电信号用于检测和传输物理参数在噪声环境，如具有高电磁干扰水平的发电厂。由于信号的非电性，光纤传感器得到了越来越多的应用。本文将对目前最常用的振动光纤传感器进行综述，并根据传感技术和测量原理对其进行分类。本文将对其主要技术——强度调制技术、光纤光栅技术和Fabry-Pérot干涉技术进行综述。

1.介绍

从几十年前开始，光纤传感器技术通过光纤通信产品与光电器件的发展进行了一场革命[1- - - - - -4］．这些新的机遇领域包括取代现有的大多数环境传感器的潜力，以及打开整个市场，在传感器没有类似能力的地方。这些新技术与先进的光学传感器相结合，在电机高度本地化的部件中使用紧凑的便携式仪器包实现远程振动监测，这些部件具有固有的电气隔离、优越的介电特性和抗电磁干扰[2，3.］．此外，光纤传感器可以提供非接触、无扰动的监测手段，为机电设备的振动监测提供了一种新的方法。

光纤传感器一般可分为两类:外部(光纤传感器的特点是传感发生在光纤以外的区域)和内在的(光纤传感器的特点是传感发生在光纤本身）［4- - - - - -9］．但是，光纤传感器也可以根据其工作原理进行分类。在图1显示了振动传感器的一般分类：基于强度的传感器(IBSs)是那些强度由外部参数调制;Fabry-Pérot干涉仪（FPI）是在两个半反射面之间的腔内利用多光束干涉的无源光学结构。纤维布拉格光栅（FBG）是制造的利用光纤芯折射率的纵向周期摄动．在T.本文将对这三个测量原理进行分析。

2.基于强度的振动传感器

基于强度的传感器技术已经在过去25年中进行了研究和实施（见图2）.可以使用各种配置，例如光纤微生物，光纤到光纤耦合，移动掩模/光栅和改进的包层[6，10.- - - - - -17.］．

这些传感器可以分为两大类，根据是否存在与振动物体的物理接触。通常非接触结构使用反射信号来检测位移或振动，而其他结构(如微弯曲)使用传输配置。

一般来说，在基于强度的传感器结构中，来自光源的光强度由传感器调制;然后，它被引导到探测器，转化为电子信号，并得到充分处理[9]如图所示3.．

在许多情况下，有必要具有参考机制，以便维持传感器校准。如果没有这种参考机制，系统引起的光功率波动可能引起系统中的任何其他光学组件可能引起显着的相对误差。在某些情况下，数字通信技术（如码分多址（CDMA）或扩频技术（SST）都可以降低噪声影响[6，10.- - - - - -15.］．

2.1。微型结构

微弯曲传感器是最早开发的基于强度的传感器之一[16.- - - - - -18.］．探测原理是基于传输功率随压力/应力的函数变化。基本上，在这种结构中，光强会因为诱导微曲率造成的损耗而降低(见图)4）.

变形导致光功率从核心引导模式耦合到更高阶辐射模式;这些模式由周围介质衰减。

多模和单模光纤都被用于构建这些传感器[19.］．虽然多模微型传感器显示弯曲频率等于传播和辐射模式的传播常数差的最大灵敏度[20.]，在单模光纤微弯传感器中，当空间弯曲频率等于基模与离散包层模的传播常数之差时，灵敏度达到最大[21.］．

Pandey和Yadav报告了这种技术的一个例子[22.］．他们在建筑面板上安装了一个微弯曲传感器来检测压力和变形。该传感器的标定是在实验室条件下进行的，因此输出光功率与传感器所受压力直接相关，如图所示5．

２.２.非接触式位移强度传感器

非接触式动态位移传感器常用于振动检测。反射方案用于检测振动，其中一根光纤用作发射器源，一根或多根光纤用作收集器(图)6）.利用数据处理技术，可将目标附近周围表面的反射降至最低[10.，12.］．

图中显示了该配置的示例7．Binu等人。［23.]使用两个PMMA粘合纤维开发出简单，坚固耐用，低成本的非接触式IBS。这种配置的主要优点是传感器和换能器的制造成本低。

然而，尽管基于强度的光纤传感器易于构建，但由于光源功率的变化，可以引入显着的误差。由于物理配置和测量系统之外的反射表面导致的损失通常会影响最终的测量精度。幸运的是，对源强度波动的引用相对容易实现

最近，Perrone和Vallan [12.]提出了一种高分辨率和廉价的光学传感器(使用塑料光纤)，通过使用强度检测方案，然后进行非要求的数据处理，以补偿振动表面反射率和测量链增益，测量高达几十千赫的振动。在这种传感器中，一根光纤用来传输光，而另一根光纤收集被振动目标反射的光必须衡量。在照片检测器转换之后，接收信号正在处理。Perrone等人使用的实验设置。如图所示8．

这些基于强度的传感器通常是低成本和通用的结构。即使是这些传感器的反射实验设置也允许它们用于非接触应用。

3.法布里-珀罗干涉仪

Fabry-Pérot干涉仪是光学结构，其利用两个半反射表面之间的腔中的多束干扰。

在过去的三十年中，已经开发了许多这种结构的应用，由光学通信的非凡爆炸和使用光纤作为传导引导和测量材料来支持。该光学结构作为振动传感器的演变可以在图中看到9．

Fabry-Pérot光学传感器的基本结构是基于两个具有部分反射率的平面和平行表面，因此多道光线负责创建观测到的干涉图案。

为了获得纤维纤维的FabryPéroot传感器（IFFPI）部分镜面必须在光纤内部产生，如图所示10.．这种传感器可以通过化学过程或熔合电流来制造。

另一个干涉仪背后的一般理论仍然适用于法布里 - Pérot模型;然而，这些多次反射强化了建设性和破坏性效应使得产生的条纹更明确定义的区域[31.- - - - - -34.］．

反射辐照度的反射率比对事件的辐照度是否具有周期性的往返阶段，光束之间的差异，如图所示 表面反射率在哪里腔表面决定了腔设计．

策略被定义为 当测量的目标改变方向时，这些干涉仪中的许多情况遭受条纹运动中的定向模糊的常见问题，因为输出干扰信号在自然中是富共含量[35.，36.］．一般溶液包括附加或多个询问腔，多波长和正交相移技术。干扰条纹被检测为电信号并反馈到比较器电路中以产生所需的正交条件。

在Fabry-Péroot干涉仪（Effpi）的外部版本中，光学腔在纤维外部[37.- - - - - -40］．光纤端面的对准由粘合的毛细管保持，或者可以在另一个前面放置一个。在这种情况下，需要相干源以避免过度功率损耗。作为基板和附着的管状，反射的干扰信号响应于腔间距的变化而变化（见图11.）.

利用光纤吹嘘光栅作为反射镜，已经开发出了更复杂的具有非凡灵敏度的配置[41］．在下一节中，我们将分析几个选定的示例。

３.１.外部光纤法布里Pérot干涉仪振动传感器

虽然已经使用FPI传感器信号直接报道了多个传感器应用，但是在先前描述的时，使用电域中的信号处理技术可以显着改善一些其他应用。其中一个示例如图所示12.．在这种结构中，通过Gangopadhyay等人提出了一种从光纤 - Pérot干涉仪的光纤振动传感器获得的多条边缘和非突出信号的配置。［24.］．在这种结构中，采用基于波长变换(WT-)的信号处理方法来计数光学条纹。基于wt的工具是由作者开发的，用于从多个条纹和复频率测量的非正弦振动情况下明确识别频率分量。

一些Fabry-Pérot传感器在使用前需要事先进行校准，如[42］．在这项工作中，证明了一种可行的方法来校准PVDF应变传感器，使用光纤EFPI传感器的贝塞尔谐波的四个点，不需要复杂的解调方案，除了标准频谱分析仪的能力。

Pullteap等[25.]提出了一种改进的条纹计数技术应用于双腔光纤Fabry-Pérot振动计。结构方案如图所示13.，可以对连续的干扰信号进行条纹计数。这种技术的主要优点是提高了分辨率，无需进一步复杂的信号处理方案，因为它允许计算交叉点，并在算法中集成干涉峰，因为采用了稳定的光学生成正交条件。

３．２．光纤法布里Pérot干涉仪振动传感器

yoshino等人提出了IFFPI的第一次应用之一。［26.］．在该实施方式中，使用单模FFPI进行影响振动的检测，其具有70％的终端反射率。开发系统的示意图如图所示14.．

其他IFFPI应用程序于1983年由Kersey等人报告。［43］．实验设置如图所示15.是由带有无涂层光纤端部的单模IFFPI形成的。该系统的谐振峰值低至150 Hz，极限灵敏度为 g.

Christmas等[44]提出了一种使用波长解复用光纤Fabry-Pérot传感器的高分辨率振动计的实现。监测系统基于低相干干涉测量[45];参见图16.．它由马赫-曾德尔询问干涉仪(MZI)和光纤Fabry-Pérot (FFP)传感器组成。光纤Fabry-Pérot腔是由一对光纤布拉格光栅(FBGs)作为反射镜，反射率随波长变化而变化。为了实现恒定灵敏度检测和使用传统的射频信号恢复技术，采用了外差信号处理。

另一个IFFP传感器是由两部分单模光纤(SMF)融合成一个孔芯光纤(HCF)，形成Fabry-Pérot腔，作为每个SMF的末端，干涉仪的镜子[9，27.，36.];这种结构被称为插入式光纤标准具或ILFE，图17.．

利用Fabry-Pérot应用于ILFE的原理，已经开发了几个应用。控制该结构的方程表明了光学反射功率与腔体变形之间的关系 在哪里和为表示传感器的振幅和可见性的常数，为光源的波长，腔长，和为腔的幺正变形[27.］．

使用此方案，在[27.，证明该方法可用于不平衡条件下三相电机的稳态性能检测，见图18.．该实现显示了作为弹簧一起工作的ILFE，并且使用由法布里-Pérootetalon的镜子反射的光的干涉测量来登记其变形。光检测器输出连接到具有FFT模块的示波器，以显示振动谱。

法布里 - Pérot干涉仪在测量实时表面振动时提供高精度。诸如波分分割和传输和接收的光信号的一些技术可用于获得与位移，应变和振动测量的优异关系。

Fabry-Pérot干涉仪是光纤传感器领域中灵敏度最高的结构之一。在本节中，我们试图展示使用这种光学结构可以实现的广泛的实验设置和应用。影响该结构的主要问题与反射镜的制作有关，反射镜的缺陷和对准误差会降低传感器的精度。

4.光纤光栅传感器

光纤布拉格光栅(FGBs)是一种光纤器件，它包含在光纤核心折射率的纵向周期性扰动中。这种光纤光学特性的周期性变化赋予了它独特的光学特性，使这些器件成为光学传感应用的理想选择。事实上，自从1978年报道了第一个永久在线光栅[46，47，越来越多的科学团体致力于这类设备的研究。事实上，自1994年以来，与fbg振动相关的报道数量显著增加(见图)19.)，尽管第一个应变和温度传感器是在1988年提出的[48，49］．

fbg最有价值的特性之一是它们的共振峰与布拉格周期的微小变化之间的强烈依赖关系，这使它们成为应变传感的理想选择[48，49］．它们还有其他的优点，例如体积小，适合嵌入复合材料中[50]或混凝土[51，或它们的密集波长复用能力，使桥梁或公路等复杂土木结构的多点传感成为可能[52，53］．此外，该结构还可用于同时测量多个参数，如温度或湿度[54- - - - - -60以及利用波长多路复用技术的振动。

4.1。纤维布拉格光栅：工作原理

FBG器件的光学特性由布置有确定的空间周期的一系列部分反射器出现。在光纤FBG中，通过以周期性的方式改变光纤的芯的折射率，产生介电部分镜，并因此发生一系列干扰来制造这种反射器，并且当光穿过装置时发生一系列干扰。结果，某些波长与折射率扰动实验的周期具有恒定关系，其强烈的传动阻塞。这种波长由FBG结构反射，而设备保持不置于其余的波长，因此FBG用作波长选择性反射器。这可以在图中示意性地看到20.．

光纤布拉格光栅通过“铭刻”或“写入”折射率的周期性变化来使用强烈的紫外线（UV）源（例如UV激光）的诸如UV激光的特殊类型光纤的核心[61- - - - - -63］．一种特殊的锗掺杂的二氧化硅纤维用于制造FBG，因为它是光敏的，并且可以在暴露于强紫外线辐射的区域中诱导折射率移位。因此，通过将它们暴露于非常常规的UV图案来制造FBG。这种模式主要由两个不同的过程获得：干扰和掩蔽。纤维芯中折射率变化的量是UV光曝光的强度和持续时间的函数。

虽然干涉和掩蔽是制造fbg最常用的技术，但可以逐点记录它们。在这里，激光有一个窄的光束，等于光栅周期。这种方法特别适用于长周期光纤光栅和倾斜光纤光栅的制作。

光纤光栅工作的基本原理是菲涅耳反射。在不同折射率介质之间的光在界面处既会反射又会折射。光栅在一定长度内通常会有正弦折射率变化。

第一个最小值之间的波长间距(为零)，或带宽()，是由 在哪里为折射率的变化量()(图20.),η是核心中的功率分数。FBG的典型反射响应响应如图所示21.．FBG模型的详细描述请参见[64］．

光纤光栅可作为应变的直接传感元件，但也可用于仪器应用，如地震学、极端恶劣环境下的压力传感器，以及油气井中的井下传感器，用于测量外部压力、温度、地震振动、以及内联流量测量。

FBG设备的主要优点是它们适用于传感器网络布置。布置多传感器设置并不重要，而其他光学器件对可以集成在光学系统（高强度损耗等）中的最大传感器的最大数量具有很大的限制，可以在多个中容易地集成FBG-SESENOR布置，并且可以使用时分复用（TDM），频分复用（FDM）或波分复用技术（WDM）进行询问系统[28.]，只使用一个光源和一个探测器系统，这有助于显著降低测量系统的成本，见图22.．

4.2。FBG振动传感应用

正如之前所评论的，光纤光栅器件的独特特性使其成为传感诸如应变等大小的理想器件。事实上，最早报道的传感应用是应变和温度[48，49］．振动诱导高速动态应变变化，因此监测谐振FBG波长的位置允许测量这些振动。在振动测量应用中，询问系统的带宽是强烈限制系统的应用范围的关键参数。为了达到FBG振动传感器的高速询问率，报告了不同的方法，但所有这些都避免了反射光的光学光谱表征，因为它需要一些时间并减慢询问率。

用于高速问讯的最常用的光学装置是将FBG反射光的两个或多个不同波长成分分离，并与传统的基于强度的光电探测器相结合。这种无源差分光强测量装置可以达到高达50千赫的讯问速度[28.］．由于已经暴露，当FBG经历应变时，光纤布拉格波长实验变化。用于测量该应变的可能的实验设置是图中所示的标准反射设置23.，使用宽带光源[28.，65］．经由3dB耦合器返回的反射布拉格信号朝向波长依赖于波长耦合器发送。由于FBG的反射率被应变被频谱改变，因此来自波长相关耦合器的信号将在强度时变化，因为FBG拉伸。为了测量这些信号，可以使用简单的电子处理来揭示与FBG应变成比例的电压。这种电子传感阶段可以实现高速询问率。除了由不平衡的Mach-Zerder干涉仪代替的波长选择装置代替的方法之外，还报告了其他设置。它的一个手臂通过a相位调制fi带有检测器反馈用于相位漂移补偿的扩频压电器件。

Cusano和他的同事在[29.］．光纤光栅传感器的反射光被一个根据光纤光栅的布拉格波长调谐的滤光片选择性地分割，如图所示24.．FGB传感器的反射信号被滤光片分成两个分量，因此当布拉格峰因应变而位移时，两个分量相对于另一个分量的关系发生变化。

解调系统的这种被动布置，允许完全电子询问;因此，可以在高频（高达400 kHz）下测量动态应变（振动）[29.］．事实上，这些系统的讯问速度仅受电子测量阶段的限制。如图所示，该方法已成功应用于地震测量25.［30.］．在这项工作中，使用如图所示的设置，三个不同的FBG传感器被同时询问并与传统的加速度计进行比较24.．

5。结论

本文综述了用于振动测量的主要光纤传感器技术。综述了振动传感器的各种技术。首先介绍了基于强度的传感器，显示了用于振动测量的设置。这种类型的传感器可用于反射和传输模式;然而，与本文提出的其他技术相比，IBS的测量精度与源功率水平的高度依赖是其弱点。相比之下，Fabry-Pérot-based振动计具有更好的分辨率和准确性。利用这种结构的传感器可以实现多种设置，基于这些特性和优点，FPS被认为是光纤领域中应用最广泛的振动检测技术。最后，光纤光栅振动传感技术具有独特的精度和波长复用能力。为了探测高频振荡，需要高速审讯技术。最后，可以这样说，光纤传感器可以为振动测量提供准确性、耐久性和经济配置，从而增加应用范围和开辟新的研究领域。

致谢

作者感谢JoséRaúlVervor.FinardelRío大学的支持和西班牙语国际发展合作机构（AECID），有机会提供西班牙研究人员与其他国家的科学交流。

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