基于m-z干涉儀的光纖雙傳感臂振動傳感器設(shè)計

基于m-z干涉儀的光纖雙傳感臂振動傳感器設(shè)計

0振動頻率的測量和分析振動是自然界和工程中常見的現(xiàn)象。振動頻率是反映振動信息的重要參數(shù)。振動頻率的測量和分析廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事等領(lǐng)域。光纖振動傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾、能在惡劣環(huán)境下工作、易于遠距離組網(wǎng)探測的特點,具有廣闊的應(yīng)用前景,特別在石油勘探1傳感器輸出傳播m-z光纖M-Z干涉型振動傳感器采用雙傳感臂結(jié)構(gòu),其主要組成部分有纏繞單模光纖的彈性柱體與慣性質(zhì)量塊M構(gòu)成的傳感探頭、2只2×2的3dB耦合器構(gòu)成M-Z干涉儀、PZT相位調(diào)制器、波長1550nm光源、PIN光電探測器及放大電路組成的光電探測單元,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)振動信號作用于傳感探頭時,慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生位移,壓縮和拉伸兩端的彈性柱體,彈性柱體總體積不變。在拉伸時半徑變小,高度變長,纏繞在彈性柱體上的光纖由于應(yīng)力作用而縮短;在壓縮時,彈性柱體半徑變大,高度變短,纏繞在彈性柱體上的光纖由于應(yīng)力作用而伸長。因此,光纖M-Z干涉儀中2條傳感臂中的相位變化等幅反相,傳感器把這種相位變化通過干涉轉(zhuǎn)化成光強的變化輸出。PZT施加電壓產(chǎn)生1個π/2的固定相位偏置,使外界振動信號產(chǎn)生的相位變化曲線處在最大斜率處,提高傳感器的輸出效果;PIN光電探測器把M-Z光纖干涉儀輸出的光信號轉(zhuǎn)換成為電壓信號,依次經(jīng)過兩級放大器,放大倍數(shù)為50倍,通過示波器觀察輸出波形。與單傳感臂相比,雙傳感臂可以增加系統(tǒng)的固有頻率,擴大測量的頻率范圍;此外,雙傳感臂結(jié)構(gòu)可以消除溫度和應(yīng)力變化對傳感器的影響,因為環(huán)境的變化在2個完全相同的纏繞光纖的順變柱體上產(chǎn)生相同的影響,從而相互抵消。2等效慣性質(zhì)量的結(jié)構(gòu)對于傳感探頭中纏繞光纖的彈性柱體,其等效剛度是彈性柱體的本征剛度K式中:2———傳感探頭中的2個纏繞光纖的彈性柱體,它們等效為彈簧結(jié)構(gòu)也是并聯(lián)關(guān)系;N———光纖纏繞彈性柱體的匝數(shù);D———彈性柱體的直徑;H———彈性柱體的高度。傳感器探頭的等效慣性質(zhì)量式中:mM———慣性質(zhì)量塊質(zhì)量。由式(1)和式(2)可以得到傳感探頭的固有頻率為在固有頻率以下,傳感器工作頻帶為f/f傳感器采用的是雙傳感臂的M-Z干涉儀結(jié)構(gòu),光纖中光波的總相移為2Δφ,則系統(tǒng)相應(yīng)的加速度相位靈敏度為其中光纖芯層折射率n=1.458,光彈系數(shù)張量p3結(jié)果與討論3.1傳感器產(chǎn)品在整個傳感器系統(tǒng)的搭建過程中,傳感探頭的制作很重要,在制作過程中,慣性質(zhì)量塊的材質(zhì)為金屬鐵,其密度為7.8g/cm3.2m-z干涉儀檢測c在實驗中采用的光源中心波長為1550nm,光源線寬為0.0196nm,計算得到光源相干長度為12.258cm。在M-Z干涉儀中,兩臂中光波的光程差必須小于光波的相干長度,這是實現(xiàn)光纖M-Z干涉儀的重要條件。通過ASE寬帶光源的干涉光譜,測量得到臂長差為6.87mm,滿足干涉條件。在PZT相位調(diào)制器上施加頻率100Hz,幅度3V的正弦信號,光信號經(jīng)過M-Z干涉儀后在輸出端發(fā)生干涉。通過光功率計檢測,輸出光功率在120nW～5.6μW之間周期性變化,輸出光信號通過光電探測單元后在示波器上的輸出波形如圖3所示。由圖3可見,光電探測單元輸出一系列的干涉條紋,由輸出光功率的最大及最小值可以計算得到,該傳感系統(tǒng)的干涉可見度約為95.8%。3.3傳感器測試結(jié)果傳感系統(tǒng)搭建完成后,對系統(tǒng)的性能進行測試。根據(jù)實際需要,振動臺產(chǎn)生頻率為50～6000Hz的正弦形振動信號,圖4是示波器顯示、采集并直接輸出的部分振動頻率測試曲線。由圖4可以看出,輸出信號出現(xiàn)干涉條紋,每一條干涉條紋表示振動臺產(chǎn)生的振動信號使2條干涉臂產(chǎn)生λ/2的光程差,出現(xiàn)“M”或“W”形狀的信號表示在那個時刻振動面的運動方向發(fā)生了變化。根據(jù)測試結(jié)果得到,當(dāng)輸入信號頻率低于100Hz時,示波器顯示輸出干涉條紋,但沒有明顯的周期性,說明傳感器的輸出頻率產(chǎn)生了失真,如圖4(a)所示;當(dāng)輸入信號頻率為100～800Hz時,輸出波形呈周期性變化,根據(jù)輸出波形的周期T,得到輸出信號頻率與輸入信號頻率基本相同,如圖4(b)、圖4(c)所示;輸入頻率為850～1150Hz時,輸出波形沒有周期性,因共振而失真,如圖4(d)所示;當(dāng)輸入信號頻率為1.2～6.0kHz時,根據(jù)輸出波形的周期T,得到輸出信號頻率與輸入信號頻率誤差不超過2%,如圖4(e)、圖4(f)、圖4(g)所示。因此,頻率100Hz以上的測試結(jié)果與理論計算基本相同。圖5是傳感器的頻率響應(yīng)曲線,從圖中可以看出,在50～800Hz的頻率范圍,輸出電壓峰值的絕對值約為500mV;在850～1150Hz的頻率范圍內(nèi),輸出電壓峰值的絕對值在700mV～2.5V之間震蕩;在1.2～6.0kHz的頻率范圍內(nèi),輸出電壓峰值的絕對值約為500mV。因此,傳感器的固有頻率在850～1150Hz之間,與理論計算值相符。4輸出信號頻率失真根據(jù)測試結(jié)果,在固有頻率以下,傳感器工作頻帶范圍是100～800Hz,在固有頻率以上工作頻帶范圍是1.2～6.0k