齿轮传动型光纤弯曲损耗位移传感器及其实验研究*

李亚明,杨 杰*,程 琳,马钰明

(1.陕西省西北旱区生态水利工程省部共建国家重点实验室培育基地,西安 710048;2.西安理工大学水利水电学院,西安 710048)

位移是结构健康监测领域最为重要的监测物理量之一。位移传感器在土木工程和水利水电工程等重大结构中的裂缝和滑动等位移量监测中起着重要的作用。过大的变形会引起结构的破坏或失稳,影响结构的正常运用。对于水利工程结构,大变形还可能引起渗漏问题。研究通过埋设监测仪器及时发现并消除过大变形引起的安全隐患,以有效地减少或避免灾难和经济损失有重要意义。传统的电测量位移传感器由于其抗电磁干扰能力弱,在搬运、率定、安装埋设及混凝土振捣过程中易损坏,且测量误差大等局限性,难以实现长期、稳定和远距离的测量,而光纤传感器具有频带宽、抗干扰能力强、质量轻、体积小、耐腐蚀、电绝缘性好及安全可靠等优点,在国内外被大量学者进行了广泛的研究[1-6]。

光纤传感器按光波在光纤中被调制的原理可以分为:光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型等几种形式[7]。其中基于光纤弯曲损耗原理的光纤位移传感器属于光强调制型光纤传感器。光纤弯曲损耗是光纤的弯曲半径小于光纤的临界弯曲半径引起的附加损耗[8]。在早些年,随着光纤弯曲损耗被学者们所认识,国外学者Wolff和Miesseler[9]把多模光纤埋设在桥面板与桥墩之间的弹性设备中,由光纤的弯曲损耗来确定其挠度和桥梁的变形量。在国内,李川等[10]提出了一种光纤形变片,即通过测量粘贴于光纤形变片上的光纤宏弯曲损耗来获取测量点的应变或位移量。近些年,罗志会等[11]采用线型和螺旋型光纤传感技术相结合的方法,研制出了大量程、高定位精度的光纤位移传感器,该传感器非常适用于滑坡体深部变形的安全监测,水平位移监测的动态范围扩大到17 mm。包腾飞等[12]提出了一种新型大量程裂缝光纤传感器,并通过实验验证了该传感器可以对混凝土结构上大裂缝的展开情况进行持续性的监测,且该传感器的理论量程达到了26 mm。在上述研究中,光纤弯曲损耗与光纤弯曲半径呈复杂的非线性关系,因此无论是结构的应变、裂缝、变形或位移量与光纤弯曲损耗的之间都呈复杂的非线性关系,这不利于光纤弯曲损耗传感器的实际应用。

针对光纤弯曲损耗位移传感器存在的不足,为了增加该传感器的实用性,本文分析传统光纤弯曲损耗传感原理,提出了采用两个光纤缠绕轴固定光纤弯曲直径不变的方式,设计了一种齿轮传动型光纤弯曲损耗位移传感器,通过理论证明了该传感器的可行性,并通过实验测试了该传感器的各项技术指标,得到一种解调设备经济线性度高的新型光纤弯曲损耗位移传感器。

图1 传感器结构示意图

1 传感器结构与测量原理

1.1 传感器的结构设计

本传感器的整体结构如图1所示,其主要部件包括基座、光纤缠绕轴、齿轮、齿条、轴承、拉杆和固定螺帽等,各主要部件的具体连接形式如下:①光纤缠绕轴从上到下依次套接有上轴承、齿轮和下轴承,且两齿轮相互齿合;②齿条E与齿轮C齿合,齿条E的上部固接有滑块,滑块通过基座上的通孔可以左右滑动;③齿条E的一端固接有拉杆,拉杆通过基座的通孔伸出传感器,其作用是将外界位移传递给齿轮C,驱使光纤缠绕轴A和B发生转动;④拉杆的末端固接有固定螺帽,以便拉杆和被测物体固定;⑤G652D光纤按S型缠绕在光纤缠绕轴A和B上,并分别从两个上轴承上的引纤孔穿出,使用光纤熔接机在光纤两端熔接有光纤接头;⑥光纤缠绕轴A直径2R1=34 mm,光纤缠绕轴B直径2R2=10 mm;齿轮C的齿数z1=51个,齿轮D的齿数z2=15个,各齿轮以及齿条的模数m=1。⑦传感器的信号发射端采用工作波长为1 550 nm的激光光源,信号接收端配套相应波长的光功率计。

传感器的照片如图2所示,图2(a)为传感器封装后的照片,图2(b)为传感器内部光纤缠绕方式的照片。

图2 传感器照片

1.2 传感器测量原理

当光纤弯曲后,就会发生沿光纤弯曲半径方向的能量辐射,原有光波导中的传导模将变为辐射模,从而引起弯曲损耗。对于阶跃单模光纤,单位长度上的弯曲损耗可以表示为[13-14]:

ac=AcR-1/2exp(-UR)

(1)

式中:R为光纤宏弯曲半径,Ac和U是与光纤种类以及光源工作状态相关的量,具体为:

Ac≈ηΔ1/4λ-1/2(λ/λc)3/2

(2)

U≈δD3/2/λ(2.748-0.996λc/λ)3

(3)

式中:λ为工作波长,λc为截止波长,Δ=(n1-n2)/n2为光纤芯与包层相对折射率差,n1为纤芯折射率,n2为包层折射率,η和δ是与光纤类型、光源工作波长有关的常数。

针对本传感器所采用的激光光源及传感光纤,经过大量实验数据拟合,如图3所示,得到了G652D光纤在光源工作波长为1 550 nm时单位长度弯曲损耗的经验公式为:

ac1550=38.151 9R-0.5e-0.677 047R

(4)

式中:R为光纤弯曲半径,单位为mm;计算的单位长度宏弯曲损耗的单位为dB/mm。

图3 单位长度光损耗与光纤弯曲直径关系

图4 位移传递原理

(5)

由式(5)可知,传感器在监测到位移增大Δl时,传感光纤会均匀地从光纤缠绕A上旋转到光纤缠绕轴B上2Δl/3的长度,反之,传感器在监测到位移减小Δl时,传感光纤会均匀地从光纤缠绕B上旋转到光纤缠绕轴A上2Δl/3的长度,且在整个过程中,传感光纤弯曲时的受力情况保持不变。

本传感器的测量方法如图5所示,在传感器安装标定以后,记下初始光功率计读数I0。变化Δl的位移时,将引起传感光纤发生2Δl/3长度的变化,此时光功率计读数由下式表示:

I1=I0-ΔLs

(6)

式中:ΔLs为光纤弯曲损耗,具体为:

ΔLs=ΔS(acB-acA)

(7)

式中:acA与acB分别为光纤缠绕轴A和光纤缠绕轴B的单位长度光纤宏弯曲损耗,通过式(4)可以求解acA=9.282×10-5dB/mm,acB=0.577 9 dB/mm。

联立式(5)～式(7)则可得出位移Δl与光纤弯曲损耗之间的关系为:

(8)

令K作为传感器的设计标准系数:

K=3/2(acB-acA)=2.596 mm/dB

则式(8)可表示为:

Δl=KΔLs

(9)

由式(9)易知,被测位移量与光纤弯曲损耗之间呈线性关系。

图5 测量方法

2 传感器实验验证

2.1 实验过程

为研究本文所述齿轮传动型光纤弯曲损耗位移传感器的可行性,本文进行了传感器的验证实验。实验过程中的材料与设备主要包括:工作波长为1 550 nm 光源、光功率计、光纤位移传感器、三角板、位移微调节平台、有机玻璃板和热熔胶等。

实验装置如图6所示。将两块有机玻璃板尾的部垂直搭接在一起,并用热熔胶枪将其固定于实验桌上。将传感器放入两块有机玻璃板之间的卡槽中,并将一块三角板带读数的一边与传感器的外壳上部拼在一起,并用热熔胶枪将三角板固定于实验桌上;将传感器的两根光纤接头分别与光源和光功率计连接,并测试接头是否接触良好;将三角板B带读数的一边与三角板A带读数的一边对齐放置,并将传感器的固定螺帽用热熔胶枪固定于三角板B上,此时沿着三角板A的一边便可以滑动三角板B并牵动传感器的固定螺帽伸出传感器的外壳,从而定量模拟位移;以1 mm为步长对传感器正反两个行程进行传感器的线性度与量程的测试。

图6 传感器测试的实验装置

2.2 实验结果分析

在本实验中,传感器位移测试范围为60 mm以内时所得到的实验数据具有较高的线相关系数,因此本传感器的位移测量范围为60 mm。图7为位移加载与卸载得到的实验数据图。

图7 位移测试数据图

由图7可知,传感器具有良好的线性度。经过线性拟合得出了传感器加载与卸载时光损耗与位移之间的关系方程分别为:

ΔLs=0.351 4Δl-0.662

(10)

ΔLs=0.353 9Δl-0.780 8

(11)

式(10)和式(11)中:0.351 4与0.353 9分别为传感器加载与卸载时的灵敏度,取平均值后再取倒数易得传感器的测量标准系数K0=2.835 7 mm/dB,该值比上节中理论推导出的传感器设计标准系数K=2.596 mm/dB多了0.239 7 mm/dB,这可能是由于传感光纤在缠绕封装时稍微偏松,导致传感光纤的弯曲半径偏大引起的,但这不影响传感器的测量,传感器的标准系数以测量标准系数为准,即传感器的测量输出公式为:

Δl=2.8357ΔLs

(12)

通常传感器的分辨率与信号解调设备的最小分量有关,由于本文所采用的光信号解调设备为光功率计,测量的最小分量为0.01 dB,结合传感器的位移灵敏度S=0.352 6 dB/mm,易得传感器分辨率δ≈0.028 mm。

3 传感器测量稳定性和重复性测试

3.1 单点稳定性和重复性测试

实际工程中,监测位移往往是随环境量呈周期性变化,因此传感器的稳定性和重复性显得尤为重要。为此,本文对本传感器进行了单点稳定性和重复性测试。

实验装置如图8所示,首先将位移微调节平台用热熔胶固定于混凝土块上部,将本传感器用热熔胶固定于位移微调节平台的滑动平台上,然后拉出位移传感器的拉杆并用热熔胶将固定螺帽固定于另一块混凝土块上表面,最后将光纤位移传感器的两根光纤接头分别与光源和光功率计连接,调节位移微调节平台分别对位移10 mm、20 mm、30 mm、40 mm以及50 mm进行了单点10次重复测量(每次间隔半h),记录每次位移改变后的光损耗。

图8 单点稳定性和重复性测试装置

3.2 测试结果与分析

在本测试中,5组单点重复性和稳定性测试结果如表1所示。表1中测量位移平均值分别为10.002 mm、19.997 mm、29.996 mm、40.015 mm和50.019 mm,真值与平均值的差分别为0.002 mm、0.003 mm、0.004 mm、0.015 mm和0.019 mm,采集光损耗的标准偏差分别为0.028 5 dB、0.019 dB、0.031 0 dB、0.053 8 dB和0.035 9 dB,折算到位移分别为0.028 5 dB/(0.352 6 dB)×1 mm≈0.081 mm、0.054 mm、0.088 mm、0.153 mm和0.102 mm。根据以上分析,本传感器可以实现的长期稳定性和重复精度为0.2 mm。

表1 单点重复性和稳定性测试结果

4 结论

本文在分析传统光纤弯曲损耗位移传感原理的基础上,提出了一种齿轮传动型光纤弯曲损耗位移传感器。该传感器克服了传统光纤弯曲损耗位移传感原理中光纤弯曲损耗与位移之间的非线性关系,使传感器在实际工程中的使用更加简便。本传感器采用了齿轮传递位移的形式,具有良好的复用能力,且该传感器具有结构紧凑、安装方便和信号解调简单的特点。经过实验验证,该传感器具有良好的线性度、灵敏度、分辨率和较高的测量精度。基于以上的研究,本传感器可以用于可能产生较大位移变化的监测项目中,如建筑物和桥梁中人为设置的伸缩缝以及面板堆石坝的变形伸缩缝和周边缝等。

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