一種光纖Bragg光柵高頻加速度傳感器及其使用方法技術

本發明專利技術涉及一種光纖Bragg光柵高頻加速度傳感器及其使用方法，屬于光電子測量技術領域。本發明專利技術質量塊固定于鋼管的頂部，鋼管的底部固定于底座上，左彈性鋼片、右彈性鋼片分別置于鋼管的左右兩邊，左彈性鋼片、右彈性鋼片的下端都固定于底座上，左彈性鋼片、右彈性鋼片的上端分別連接固定到質量塊的左右兩端，左光纖Bragg光柵、右光纖Bragg光柵串聯焊接后分別粘貼到左彈性鋼片、右彈性鋼片，左光纖Bragg光柵、右光纖Bragg光柵的一端通過光纖連接，左光纖Bragg光柵、右光纖Bragg光柵另一端的導出光纖分別從底座一側引出。本發明專利技術通過采用光纖Bragg光柵，具有較強的抗電磁干擾能力和耐腐蝕能力適用于對變壓器的長期監測；結構簡單，便于操作。

Optical fiber Bragg grating high frequency acceleration sensor and use method thereof

The invention relates to an optical fiber Bragg grating high frequency acceleration sensor and a method for using the same. The present invention is fixed on the top of the mass steel pipe, the bottom is fixed on the base, the left and right elastic steel sheet elastic steel sheet are respectively arranged on the left and right sides of the steel pipe, the lower left and right elastic steel sheet elastic steel sheet are fixed on the base, the left and right elastic steel sheet elastic steel sheet on the end respectively. Connected to the mass of the left and right ends of the left and right fiber Bragg grating fiber Bragg grating series after welding are pasted to the left and right elastic steel sheet elastic steel plate, the left and right end of the fiber Bragg grating fiber Bragg grating is connected by optical fiber, optical fiber Bragg grating, are left to right at the other end of the fiber Bragg grating respectively. From one side of the base lead. The invention is characterized in that the utility model has the advantages of strong anti electromagnetic interference ability and corrosion resistance, which is suitable for the long-term monitoring of the transformer by adopting the optical fiber Bragg grating, and has the advantages of simple structure and convenient operation.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種光纖Bragg光柵高頻加速度傳感器及其使用方法，屬于光電子測量

技術介紹
電力變壓器的工作環境惡劣，且其工作效率比較低，因此存在很大的漏磁，形成較強的電磁干擾，電力變壓器的工作溫度很高，即使是外殼也可能達到70度左右的高溫。變壓器的振動監測環境處于高電壓、高磁場、高溫度的惡劣環境中，變壓器的振動頻率范圍大致在10～2000Hz。目前可用于變壓器振動檢測的傳感器基本都是電磁式傳感器，常見的有電渦流傳感器、壓電傳感器等，其共同特點就是抗電磁干擾能力差，信號遠程傳輸能力弱。光纖傳感器具有本質安全、具有抗電磁干擾、信號可遠距離傳輸等優點，成為近年來學者研究的熱點。光纖傳感器雖然在強電磁環境中進行變壓器振動在線監測具有天然的優勢，但是目前的光纖傳感器多用于靜態量的檢測，如火災報警、應變測量等，能用于動態測量的傳感器非常少，光纖光柵加速度傳感器是目前的一個研究熱點。各種光纖光柵加速度傳感器發展迅速而且種類繁多。懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器因其結構簡單性能穩定，得到了眾多學者的青睞，從初期將光柵直接貼附于懸臂梁到其衍伸結構(如兩點固定式)，但懸臂梁自身難以實現高頻范圍測量，多數只能在低頻范圍應用，阻礙了其發展。通過采用光纖Bragg光柵高頻加速度傳感器對電力變壓器進行實時在線振動監測時，需要考慮加速度傳感器的構成，及避免過大的側向干擾。
技術實現思路
本專利技術提供了一種光纖Bragg光柵高頻加速度傳感器及其使用方法，以用于解決對電力變壓器振動實時在線檢測及解決對變壓器振動實時在線檢測時光纖Bragg光柵高頻加速度傳感器的結構、安裝的問題。本專利技術的技術方案是：一種光纖Bragg光柵高頻加速度傳感器，包括左光纖Bragg光柵1、左彈性鋼片2、光纖3、鋼管4、底座5、質量塊6、右彈性鋼片7、右光纖Bragg光柵8、導出光纖9；其中質量塊6固定于鋼管4的頂部，鋼管4的底部固定于底座5上，左彈性鋼片2、右彈性鋼片7分別置于鋼管4的左右兩邊，左彈性鋼片2、右彈性鋼片7的下端都固定于底座5上，左彈性鋼片2、右彈性鋼片7的上端分別連接固定到質量塊6的左右兩端，左光纖Bragg光柵1、右光纖Bragg光柵8串聯焊接后分別粘貼到左彈性鋼片2、右彈性鋼片7，左光纖Bragg光柵1、右光纖Bragg光柵8的一端通過光纖3連接，左光纖Bragg光柵1、右光纖Bragg光柵8另一端的導出光纖9分別從底座5一側引出。所述左光纖Bragg光柵1粘貼在左彈性鋼片2左側，右光纖Bragg光柵8粘貼在右彈性鋼片7右側。所述左光纖Bragg光柵1、右光纖Bragg光柵8采用同一型號的光敏光纖制成。一種光纖Bragg光柵高頻加速度傳感器的使用方法，所述方法的步驟如下：Step1、當把傳感器固定在待測物體上并隨物體一起振動時，質量塊6、鋼管4、左彈性鋼片2、右彈性鋼片7組成的彈性系統作受迫振動，質量塊6帶動鋼管4、左彈性鋼片2、右彈性鋼片7作應變變化，使得粘貼在彈性鋼片的左光纖Bragg光柵1、右光纖Bragg光柵8和左彈性鋼片2、右彈性鋼片7一起作應變變化，將導致光纖光柵的波長產生相應的變化，光纖Bragg光柵波長變化Δλ1、Δλ2；Step2、根據粘貼在彈性鋼片上的左光纖Bragg光柵1、右光纖Bragg光柵8的中心波長變化值Δλ1、Δλ2與彈性系統中加速度a的關系式計算出傳感器被測對象的加速度變化；式中：E為鋼管4的彈性模量，d1、d2分別為鋼管4的內徑和外徑，s為彈性鋼片的橫切面積，λ為光纖Bragg光柵的中心波長，Sε為光纖應變靈敏度系數，m為質量塊6質量。本專利技術的工作原理是：當把傳感器固定在待測物體上并隨物體一起振動時，質量塊6、鋼管4、左彈性鋼片2、右彈性鋼片7組成的彈性系統作受迫振動，結果質量塊6帶動鋼管4、左彈性鋼片2、右彈性鋼片7作應變變化，使得粘貼在左彈性鋼片2、右彈性鋼片7的兩個光纖光柵和左彈性鋼片2、右彈性鋼片7一起作應變變化，將導致左光纖Bragg光柵1、右光纖Bragg光柵8的波長產生相應的變化，被測對象加速度的檢測轉化為對光纖Bragg光柵波長的調制；其中，光纖Bragg光柵1粘貼在左彈性鋼片2左側，右光纖Bragg光柵8粘貼在右彈性鋼片7右側，左光纖Bragg光柵1、右光纖Bragg光柵8與左彈性鋼片2、右彈性鋼片7的粘貼方式有助于抵消振動的橫向干擾，傳感器導出光纖9與FBG解碼儀連接，構成光纖Bragg光柵高頻加速度傳感器。本專利技術的數學模型分析如下：根據光纖光柵波長于應變變化關系式：Δλλ=Sϵ·ϵ---(1)]]>式中：Sε為光纖應變靈敏度系數，ε為光纖Bragg光柵應變，Δλ為由應變引起的光纖Bragg光柵的波長移位，λ為光纖Bragg光柵的中心波長。彈性系統中加速度與應變的關系：a=Fm=Em·(π(d22-d12)4+2·s)·ϵ---(2)]]>可得到：Δλ=m·SϵE·(π4(d22-d12)+2·s)·λ·a---(3)]]>式(2)中，F為質量塊受到鋼管和彈性鋼片作用的彈力和，m為質量塊質量，s為彈性鋼片的橫切面積，E為鋼管的彈性模量(鋼管和彈性鋼片的彈性模量一樣)，d1、d2分別鋼管的內徑和外徑。式(3)給出了光纖光柵波長改變量與加速度的線性變化關系。根據式公式(3)傳感器加速度靈敏度：Sa=Δλa=m·SϵE·(π4(d22-d12)+2·s)·λ---(4)]]>根據本專利技術的設計，光纖Bragg光柵與彈性鋼片的粘貼方式有助于抵消振動的橫向干擾，得到Δλ的修正公式：Δλ＝(Δλ1+Δλ2)/2(5)式(5)中Δλ1為左光纖Bragg光柵的中心波長變化值，Δλ2為右光纖Bragg光柵的中心波長變化值，公式(5)帶入公式(3)得：Δλ1+Δλ2=2·m·SϵE·(π4(d22-d12)+2·s)·λ&CenterDo本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種光纖Bragg光柵高頻加速度傳感器，其特征在于：包括左光纖Bragg光柵(1)、左彈性鋼片(2)、光纖(3)、鋼管(4)、底座(5)、質量塊(6)、右彈性鋼片(7)、右光纖Bragg光柵(8)、導出光纖(9)；其中質量塊(6)固定于鋼管(4)的頂部，鋼管(4)的底部固定于底座(5)上，左彈性鋼片(2)、右彈性鋼片(7)分別置于鋼管(4)的左右兩邊，左彈性鋼片(2)、右彈性鋼片(7)的下端都固定于底座(5)上，左彈性鋼片(2)、右彈性鋼片(7)的上端分別連接固定到質量塊(6)的左右兩端，左光纖Bragg光柵(1)、右光纖Bragg光柵(8)串聯焊接后分別粘貼到左彈性鋼片(2)、右彈性鋼片(7)，左光纖Bragg光柵(1)、右光纖Bragg光柵(8)的一端通過光纖(3)連接，左光纖Bragg光柵(1)、右光纖Bragg光柵(8)另一端的導出光纖(9)分別從底座(5)一側引出。

【技術特征摘要】
1.一種光纖Bragg光柵高頻加速度傳感器，其特征在于：包括左光纖Bragg光柵(1)、左
彈性鋼片(2)、光纖(3)、鋼管(4)、底座(5)、質量塊(6)、右彈性鋼片(7)、右光纖Bragg光柵
(8)、導出光纖(9)；其中質量塊(6)固定于鋼管(4)的頂部，鋼管(4)的底部固定于底座(5)
上，左彈性鋼片(2)、右彈性鋼片(7)分別置于鋼管(4)的左右兩邊，左彈性鋼片(2)、右彈性
鋼片(7)的下端都固定于底座(5)上，左彈性鋼片(2)、右彈性鋼片(7)的上端分別連接固定
到質量塊(6)的左右兩端，左光纖Bragg光柵(1)、右光纖Bragg光柵(8)串聯焊接后分別粘貼
到左彈性鋼片(2)、右彈性鋼片(7)，左光纖Bragg光柵(1)、右光纖Bragg光柵(8)的一端通過
光纖(3)連接，左光纖Bragg光柵(1)、右光纖Bragg光柵(8)另一端的導出光纖(9)分別從底
座(5)一側引出。
2.根據權利要求1所述的光纖Bragg光柵高頻加速度傳感器，其特征在于：所述左光纖
Bragg光柵(1)粘貼在左彈性鋼片(2)左側，右光纖Bragg光柵(8)粘貼在右彈性鋼片(7)右
側。
3.根據權利要求1所述的光纖Bragg光柵高...

【專利技術屬性】
技術研發人員：謝濤，李川，李英娜，趙振剛，歐陽鑫，劉愛蓮，
申請(專利權)人：昆明理工大學，
類型：發明
國別省市：云南;53