一种基于光纤M‑Z干涉仪的波动传感器

摘要

本发明提供一种基于M‑Z干涉仪的光纤波动传感器，包括金属圆壳体、感知光纤和接头，金属圆壳体用于接收来自被测结构的应力波信号，金属圆壳体的底面为实心，感知光纤由下至上紧密缠绕并粘贴于金属圆壳体的外表面，接头与感知光纤的上端连接，接头用于与解调设备连接。本发明提出的波动传感器与传统的基于电量的传感器相比，抗电磁干扰，可远距离传输信号；可反复使用、便于实际工程安装。同时，其占用面积小，便于携带。在结构上安装多个本发明提供的传感器，通过对所采集信号的分析，还可以实现结构活动损伤的定位。与直接粘贴光纤相比，该传感器具有较高的可靠性、经济性。

权利要求

1.一种基于M-Z干涉仪的光纤波动传感器，包括金属圆柱形壳体、感知光纤和接头，其特征在于：金属圆柱形壳体用于接收来自被测结构的应力波信号，金属圆柱形壳体的底面为实心，感知光纤由下至上紧密缠绕并粘贴于金属圆壳体的外表面，接头与感知光纤的上端连接，接头用于与解调设备连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于M-Z干涉仪的光纤波动传感器，其特征在于：所述的金属圆柱形壳体的厚度小于等于1mm。

说明书

一种基于光纤M-Z干涉仪的波动传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于光纤M-Z干涉仪的波动传感器。

背景技术

[0002] 在土木、机械和航天等工程领域，基于波动原理的结构损伤或缺陷的检测或实时在线监测方法是一种常用的无损检测方法，在结构缺陷检测、结构损伤识别和结构健康监测领域有着广泛的应用。该类方法可以使用很少的驱动器和传感器实现分布式的面检测，过程快速而高效。基于波动原理的结构损伤检测方法主要分为两种：一是主动检测方法，即使用驱动器在结构中激发应力波，并在结构表面和内部传播，通过不同位置的波动传感器接收经由结构传播过来的波动信号，通过分析可以识别应力波传播路径上的结构损伤信息。二是被动检测方法，即通常所说的基于声发射原理的结构损伤识别方法。声发射传感器接收到的由于结构损伤而产生的声发射信号本质上也是一种导波或应力波信号，对声发射信号分析可以得到结构损伤的类型、位置和程度等信息。声发射传感器也是一种波动传感器。

[0003] 传统的波动传感器大多采用基于电学原理的元器件来实现，如压电陶瓷(PZT)、磁致伸缩元件等。利用上述敏感元件的压电效应或磁致伸缩效应把机械量最终转变为电量来进行检测。然而上述波动传感器在实际工程应用中存在以下缺点：1、工作频带狭窄；2、易受电磁干扰，导致噪声过大；3、不能在高温，腐蚀等恶劣环境下使用；4、体积较大，无法嵌入较小的结构内部；5、信号传输距离近，在大型结构监测中使用受到限制。与传统的波动传感器相比，基于光纤的波动传感器频带宽、不受电磁干扰、可在恶劣环境中使用，并且通常体积小、灵敏度高。此外，将光信号通过光纤传输，可以实现远距离的主动波动或声发射监测。光纤传感器可以根据调制不同的光参数，如强度、相位、波长和偏振态等而分为不同的类型，而用于应力波、声波等波动信号检测的主要有基于Mach-Zehnder(M-Z)、Michelson、Fabry-Perot及Sagnac等光纤干涉仪原理的波动传感器。其中光纤Mach-Zehnder干涉仪频率响应范围宽、原理简单、技术成熟、检测灵敏度高而被广泛研究。基于M-Z光纤干涉仪的波动传感光纤与M-Z干涉仪的传感臂相连接，当在其中传播的光的相位与参考臂光纤中的光产生相位差，即说明传感臂上光纤受到波动影响，其灵敏度与其长度相关。通常情况下，用于声发射或应力波检测时，为实现较高的灵敏度，其长度至少需要1-2米。目前在实验室中，通常以螺旋形、n形或者简单的长距离布设以得到较高的灵敏度，布设方法是直接在结构表面粘贴光纤，而且为达到较高的灵敏度，光纤所覆盖的面积通常较大，不方便在实际工程中的使用；同时，目前也未见有供实际工程应用的、方便安装使用的光纤波动传感器。

发明内容

[0004] 本发明提出一种基于M-Z干涉仪的光纤波动传感器，该传感器可以实现在较小的面积上使用较长的光纤传感长度。将该传感器粘贴于结构表面，应力波通过波导材料可以影响传感器中光纤的应变和折射率，使光沿光纤传播的光程发生变化，从而使传感臂与参照臂的相位差发生变化。

[0005] 本发明所采用的技术如下：一种基于M-Z干涉仪的光纤波动传感器，包括金属圆壳体、感知光纤和接头，金属圆壳体用于接收来自被测结构的应力波信号，金属圆壳体的底面为实心，感知光纤由下至上紧密缠绕并粘贴于金属圆壳体的外表面，接头与感知光纤的上端连接，接头用于与解调设备连接。

[0006] 本发明还具有如下技术特征：

[0007] 1、如上所述的金属圆壳体1的制作材料与被测结构的材料，两者的声阻抗相近。

[0008] 2、如上所述的金属圆壳体的厚度小于等于1mm。

[0009] 本发明提出的波动传感器与传统的基于电量的传感器相比，抗电磁干扰，可远距离传输信号；可反复使用、便于实际工程安装。同时，其占用面积小，便于携带。在结构上安装多个本发明提供的传感器，通过对所采集信号的分析，还可以实现结构活动损伤的定位。与直接粘贴光纤相比，该传感器具有较高的可靠性。

附图说明

[0010] 图1为本发明的结构立体示意图；

[0011] 图2为本发明的结构剖面图；

[0012] 图3为该波动传感器用于薄铝板中超声导波接收的实施方式图。

[0013] 图4为在试验中激发频率分别为75kHz和125kHz时，采用永久粘结剂固定的本传感器，未经放大器所采集到的导波信号。

[0014] 图5为在试验中激发频率分别为75kHz和125kHz时，采用临时耦合剂固定的本传感器，未经放大器所采集到的导波信号。

具体实施方式

[0015] 下面根据说明书附图举例对本发明做进一步说明：

[0016] 实施例1

[0017] 如图1-2所示，一种基于M-Z干涉仪的光纤波动传感器，包括金属圆壳体1、感知光纤2和接头3，金属圆壳体1用于接收来自被测结构的应力波信号，金属圆壳体1的底面为实心，感知光纤2由下至上紧密缠绕并粘贴于金属圆壳体的外表面，接头3与感知光纤2的上端连接，接头3用于与解调设备连接。其中金属圆壳体1的制作材料取决于被测结构的材料，两者的声阻抗相差越小越好。相近的声阻抗有利于应力波通过传感器与被测结构之间的界面传播至传感器表面。金属圆壳体的直径取决于光纤弯曲时的光损耗，半径越小，光损耗越严重，半径越大，传感器体积越大，不利于安装使用。金属圆壳体的厚度为1mm以内，较小刚度的壳体的变形较大，可增大传感器的灵敏度。金属圆壳体的底面为实心，可与结构最大面积接触，接收尽可能大的波动能量。粘贴于金属圆壳体表面的感知光纤2由金属圆壳体底部开始缠绕。缠绕时，相邻圈的光纤可贴合在一起，以增加总的缠绕长度，缠绕在金属圆壳体上的光纤长度即为用于感知从金属圆壳体底面接收到的应力波。光纤采用环氧树脂胶粘贴于金属圆壳体表面，在光纤外表面也用环氧树脂胶粘贴以保护传感光纤。用于连接光纤传感器至解调设备的接头3可采用FC接头、现场使用光纤熔接机进行熔接或其他可用的光纤连接方式。

[0018] 实施例2

[0019] 如图3所示，本发明可直接粘贴于被测结构表面，用于接收超声波驱动器激发的超声波或超声导波。该薄铝板上粘贴有压电陶瓷片，将任意波形发生器将电压施加至压电陶瓷片的正负极，可用于激发超声导波在铝板中传播。将本发明提供的波动传感器用502或环氧树脂类强力粘结剂粘贴于铝板表面，距离压电陶瓷片15厘米，用于感知超声导波。波动传感器接收到的导波导致M-Z干涉仪中传感臂和参考臂之间的光相位差，由光电探测器测到，最终由示波器采集得到。如图4所示，在试验中激发频率分别为75kHz和125kHz时，未经放大器本传感器所采集到的导波信号。从图4可以得出，本传感器能够有效检测到波动信号。

[0020] 实施例3

[0021] 将本发明使用临时耦合剂固定于被测结构表面，亦可有效超声波、超声导波或声发射信号。同实施例2，使用压电陶瓷片激发超声导波在铝板中传播。将本发明提供的波动传感器用临时耦合剂黄油固定于铝板表面，距离压电陶瓷片15厘米，用于感知超声导波。图5为在试验中激发频率分别为70kHz和100kHz时，未经放大器本传感器所采集到的导波信号。从图5得出，使用临时耦合剂固定的本传感器亦能有效检测到波动信号，该方法与传统方法相比更加经济、方便多次使用。