基于光学小波滤波和FBG技术的分布式加速度测量系统

　　1　引　言

　　海上开采平台、高层建筑、大型基础构件、混凝土堤坝、卫星发射台以及金属构件的超精细加工时,由于应力集中会产生一种振幅极其微小(10-8~10-10m)、频带较宽(准静态~105Hz)的应力波,工程上把这种应力波称为声发射波[1](Acoustic wave)。恰恰是这种波反映了处于低频微振物体的本质状态特怔,而表征这种应力波最直接的参数是其振动加速度。通过对加速度进行分布式精确测量,可以实现振体的状态分析和故障诊断。

　　本文针对声发射波振动加速度[2,3]分布测量,采用光强调制器和光学小波[4]滤波器结合WDM、TDM、光学小波滤波技术,制作并应用高性能的微型振动加速度测量探头,自动消除温度噪声和横向灵敏度的干扰,从而实现分布式声发射波振动加速度测量。

　　2　工作原理

　　2.1　探头结构

　　加速度探头结构如图1,加速度测量探头由一个质量块(M),四个弹簧片(B)和两个内FBG波导桥(C)组成。四个弹簧片支撑质量块并约束质量块的振动方向,波导桥由低折射率、可拉伸和压缩的硅材料制成。内含的FBG为传感元件,质量块感受振动并将应力作用在波导桥上,导致FBG产生均匀的拉伸和压缩应变,波导桥和光纤都紧固在质量块和壳体框架上。

　　两个波导桥轴向(与光信号传播方向一致)的弹性系数为

　　图1(b)中FBG1和FBG2是中心反射波长相同的两个光纤Bragg光栅,无振动信号时其中心反射波长皆为λb1,其反射谱如图2(a)所示。

　　当振动施加在质量块上时,质量块作用于波导桥,波导桥上光栅受到均匀的应力作用。其栅距发生变化,从而引起光栅中心反射波长发生变化△λb11。假设FBG1产生压应变,FBG2产生拉应变,则FBG1和FBG2产生的波长变化分别为

　　式(6)和式(7)中　μ—横向泊松比;P11,P12—弹光系数;εz—轴向应变(当光栅受拉力时取“+”,反之取“-”);α—热膨胀系数;△T—温度差。设FBG1和FBG2的中心反射波长差为△λ,则△λ可表示为λb

　　式(9)显示,FBG1和FBG2中心反射波长漂移差与温度无关。

　　因FBG对温度敏感(中心反射波长在1550nm附近的光栅的温度灵敏度为0.01nm/℃),所以在基于FBG为传感元件的加速度测量系统中必须考虑FBG的温度补偿。而我们的传感方案中是以两个FBG的波长差为传感信息,因此避免了测量过程中温度变化因素对测量结果的影响,并且成倍提高灵敏度和分辨率。

　　2.2　光学小波滤波器选频与滤波技术