[发明专利]振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置

说明书

本发明公开了一种振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置，包括基于微纳光纤的光纤光栅，在基于微纳光纤的光纤光栅外包覆有碳纤维，碳纤维外设有银涂覆层。本发明振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置，具有不带电、抗电磁干扰、耐久性好、结构简单、布局紧凑、灵敏度高、响应范围广和实时监测等优点，对于声发射信号的探测可自行抑制噪声；可满足工程建设、结构健康监测、矿产开发、航空航天、精密测量等领域的振动或声发射信号的传感需求，特别是对传感器有长时间工作、防爆、小型化且抗电磁干扰的场合。

技术领域

本发明涉及振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置，属于光电子测试及结构健康监测领域。

背景技术

大型土木工程结构、水利设施及各种机械在运行过程中经常会产生微小的振动，同时当结构、设施在异常运行状态时也会产生不同频率的微弱振动及声发射信号。很多情况下，需要对这些信号进行探测以充分了解结构、设施的运行状态，对出现的问题及时进行处理。此外，对声发射信号的探测也有利于对结构或设备的声发射特征进行研究，从而更加深入了解其声发射机理并加以利用。

采用光纤光栅对微振动或声发射信号进行感知的一种常见型式为，利用悬浮光纤光栅与待测部件的共振，对振幅进行放大，并通过对光纤光栅的谐振波长或输出光强进行探测，从而对待测部件的微振动进行测量。采用光纤光栅对微振动或声发射信号进行测量的另一种常见型式为，将光纤光栅粘贴在等强度悬臂梁表面作为传感部件，在外界振动的激励下等强度悬臂梁发生振动，从而导致光纤光栅产生轴向应变，对外界振动进行感知。这两种方法均可以测得较微弱的振动，但传感部件的构成均较为复杂，且尺寸较大，难以适应一些对传感部件尺寸有严格要求的场合。此外，传统的声发射传感器大多采用压电材料等作为传感部件，通过将振动信号转换为电信号进行感测。基于电信号进行传感的设备普遍存在受电磁干扰影响大、无法满足防爆要求等缺点。

目前常见的光纤光栅振动或声发射传感器通常采用间接测量的方法对外界振动进行传感，例如将光纤光栅粘贴在悬臂梁上作为传感部件感测外界振动的方法。悬臂梁振动过程中，其表面应变同时取决于悬臂梁的振幅及悬臂梁的厚度：悬臂梁厚度一定的情况下，振幅越大，则表面应变越大；悬臂梁振幅一定的情况下，厚度越大，则表面应变越大。因此可采用两种途径提高感测精度，即增大悬臂梁的振动幅度或增加悬臂梁的厚度。然而，对于某一特定频率和振幅的振动，若要提高感测精度，只能通过增大悬臂梁的厚度实现。为保持悬臂梁的自振频率与振动源的频率接近，增大悬臂梁厚度的同时必须增大悬臂梁的长度，这将导致传感部件尺寸的增大。同时，通过测量悬臂梁的表面应变对振动进行感知，实际上经过了振动源→悬臂梁振动→悬臂梁表面应变→光纤光栅轴向应变的多个转换过程，这势必将增大系统误差从而降低感测精度。相比于上述方法，本发明通过附有碳纤维及银涂覆层的基于微纳光纤的光纤光栅自身的振动，直接对信号进行测量，其测量过程为振动源→基于微纳光纤的光纤光栅轴向应变，该测量过程简单、直接，极大地降低了传感部件的复杂性，提高了传感精度。由于环境原因，传统振动传感器在长时间使用过程中，可能由于部件锈蚀等原因造成感测精度降低。本发明可通过信号发生器驱动压电陶瓷振动，带动基于微纳光纤的光纤光栅产生纵向振动，以对其传感性能进行评估并重新校验传感参数，降低了由于传感单元疲劳等原因对感测精度造成的影响。此外，本发明可通过信号发生器改变压电陶瓷的驱动电压，从而改变基于微纳光纤的光纤光栅的自振频率，实现响应范围的动态可调。由于声发射信号具有特定的频率范围，本发明在对声发射信号进行检测时，可先通过压电陶瓷调整基于微纳光纤的光纤光栅的自振频率，以实现对特定声发射信号的测量。而对于振动频率与声发射信号不同的噪声，则由于无法发生共振而被抑制。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种振弦式基于微纳光纤的光纤光栅微振动及声发射传感装置，极大地缩小了传感部件的尺寸、降低了系统误差、提高了感测精度。