一種基于光纖m-z干涉儀的波動(dòng)傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于光纖M-Z干涉儀的波動(dòng)傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]在土木、機(jī)械和航天等工程領(lǐng)域，基于波動(dòng)原理的結(jié)構(gòu)損傷或缺陷的檢測(cè)或?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)方法是一種常用的無(wú)損檢測(cè)方法，在結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)、結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。該類方法可以使用很少的驅(qū)動(dòng)器和傳感器實(shí)現(xiàn)分布式的面檢測(cè)，過(guò)程快速而高效?；诓▌?dòng)原理的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法主要分為兩種:一是主動(dòng)檢測(cè)方法，即使用驅(qū)動(dòng)器在結(jié)構(gòu)中激發(fā)應(yīng)力波，并在結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部傳播，通過(guò)不同位置的波動(dòng)傳感器接收經(jīng)由結(jié)構(gòu)傳播過(guò)來(lái)的波動(dòng)信號(hào)，通過(guò)分析可以識(shí)別應(yīng)力波傳播路徑上的結(jié)構(gòu)損傷信息。二是被動(dòng)檢測(cè)方法，即通常所說(shuō)的基于聲發(fā)射原理的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法。聲發(fā)射傳感器接收到的由于結(jié)構(gòu)損傷而產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)本質(zhì)上也是一種導(dǎo)波或應(yīng)力波信號(hào)，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)分析可以得到結(jié)構(gòu)損傷的類型、位置和程度等信息。聲發(fā)射傳感器也是一種波動(dòng)傳感器。
[0003]傳統(tǒng)的波動(dòng)傳感器大多采用基于電學(xué)原理的元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，如壓電陶瓷(PZT)、磁致伸縮元件等。利用上述敏感元件的壓電效應(yīng)或磁致伸縮效應(yīng)把機(jī)械量最終轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏縼?lái)進(jìn)行檢測(cè)。然而上述波動(dòng)傳感器在實(shí)際工程應(yīng)用中存在以下缺點(diǎn):1、工作頻帶狹窄；2、易受電磁干擾，導(dǎo)致噪聲過(guò)大；3、不能在高溫，腐蝕等惡劣環(huán)境下使用；4、體積較大，無(wú)法嵌入較小的結(jié)構(gòu)內(nèi)部；5、信號(hào)傳輸距離近，在大型結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中使用受到限制。與傳統(tǒng)的波動(dòng)傳感器相比，基于光纖的波動(dòng)傳感器頻帶寬、不受電磁干擾、可在惡劣環(huán)境中使用，并且通常體積小、靈敏度高。此外，將光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的主動(dòng)波動(dòng)或聲發(fā)射監(jiān)測(cè)。光纖傳感器可以根據(jù)調(diào)制不同的光參數(shù)，如強(qiáng)度、相位、波長(zhǎng)和偏振態(tài)等而分為不同的類型，而用于應(yīng)力波、聲波等波動(dòng)信號(hào)檢測(cè)的主要有基于Mach-Zehnder (M-Z)、Michelson、Fabry-Perot及Sagnac等光纖干涉儀原理的波動(dòng)傳感器。其中光纖Mach-Zehnder干涉儀頻率響應(yīng)范圍寬、原理簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、檢測(cè)靈敏度高而被廣泛研宄。基于M-Z光纖干涉儀的波動(dòng)傳感光纖與M-Z干涉儀的傳感臂相連接，當(dāng)在其中傳播的光的相位與參考臂光纖中的光產(chǎn)生相位差，即說(shuō)明傳感臂上光纖受到波動(dòng)影響，其靈敏度與其長(zhǎng)度相關(guān)。通常情況下，用于聲發(fā)射或應(yīng)力波檢測(cè)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)較高的靈敏度，其長(zhǎng)度至少需要1-2米。目前在實(shí)驗(yàn)室中，通常以螺旋形、η形或者簡(jiǎn)單的長(zhǎng)距離布設(shè)以得到較高的靈敏度，布設(shè)方法是直接在結(jié)構(gòu)表面粘貼光纖，而且為達(dá)到較高的靈敏度，光纖所覆蓋的面積通常較大，不方便在實(shí)際工程中的使用；同時(shí)，目前也未見有供實(shí)際工程應(yīng)用的、方便安裝使用的光纖波動(dòng)傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出一種基于M-Z干涉儀的光纖波動(dòng)傳感器，該傳感器可以實(shí)現(xiàn)在較小的面積上使用較長(zhǎng)的光纖傳感長(zhǎng)度。將該傳感器粘貼于結(jié)構(gòu)表面，應(yīng)力波通過(guò)波導(dǎo)材料可以影響傳感器中光纖的應(yīng)變和折射率，使光沿光纖傳播的光程發(fā)生變化，從而使傳感臂與參照臂的相位差發(fā)生變化。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)如下:一種基于M-Z干涉儀的光纖波動(dòng)傳感器，包括金屬圓殼體、感知光纖和接頭，金屬圓殼體用于接收來(lái)自被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波信號(hào)，金屬圓殼體的底面為實(shí)心，感知光纖由下至上緊密纏繞并粘貼于金屬圓殼體的外表面，接頭與感知光纖的上端連接，接頭用于與解調(diào)設(shè)備連接。
[0006]本發(fā)明還具有如下技術(shù)特征:
[0007]1、如上所述的金屬圓殼體I的制作材料與被測(cè)結(jié)構(gòu)的材料，兩者的聲阻抗相近。
[0008]2、如上所述的金屬圓殼體的厚度小于等于1mm。
[0009]本發(fā)明提出的波動(dòng)傳感器與傳統(tǒng)的基于電量的傳感器相比，抗電磁干擾，可遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)；可反復(fù)使用、便于實(shí)際工程安裝。同時(shí)，其占用面積小，便于攜帶。在結(jié)構(gòu)上安裝多個(gè)本發(fā)明提供的傳感器，通過(guò)對(duì)所采集信號(hào)的分析，還可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)活動(dòng)損傷的定位。與直接粘貼光纖相比，該傳感器具有較高的可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)立體示意圖；
[0011]圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0012]圖3為該波動(dòng)傳感器用于薄鋁板中超聲導(dǎo)波接收的實(shí)施方式圖。
[0013]圖4為在試驗(yàn)中激發(fā)頻率分別為75kHz和125kHz時(shí)，采用永久粘結(jié)劑固定的本傳感器，未經(jīng)放大器所采集到的導(dǎo)波信號(hào)。
[0014]圖5為在試驗(yàn)中激發(fā)頻率分別為75kHz和125kHz時(shí)，采用臨時(shí)耦合劑固定的本傳感器，未經(jīng)放大器所采集到的導(dǎo)波信號(hào)。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面根據(jù)說(shuō)明書附圖舉例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明:
[0016]實(shí)施例1
[0017]如圖1-2所示，一種基于M-Z干涉儀的光纖波動(dòng)傳感器，包括金屬圓殼體1、感知光纖2和接頭3，金屬圓殼體I用于接收來(lái)自被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波信號(hào)，金屬圓殼體I的底面為實(shí)心，感知光纖2由下至上緊密纏繞并粘貼于金屬圓殼體的外表面，接頭3與感知光纖2的上端連接，接頭3用于與解調(diào)設(shè)備連接。其中金屬圓殼體I的制作材料取決于被測(cè)結(jié)構(gòu)的材料，兩者的聲阻抗相差越小越好。相近的聲阻抗有利于應(yīng)力波通過(guò)傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)之間的界面?zhèn)鞑ブ羵鞲衅鞅砻?。金屬圓殼體的直徑取決于光纖彎曲時(shí)的光損耗，半徑越小，光損耗越嚴(yán)重，半徑越大，傳感器體積越大，不利于安裝使用。金屬圓殼體的厚度為Imm以內(nèi)，較小剛度的殼體的變形較大，可增大傳感器的靈敏度。金屬圓殼體的底面為實(shí)心，可與結(jié)構(gòu)最大面積接觸，接收盡可能大的波動(dòng)能量。粘貼于金屬圓殼體表面的感知光纖2由金屬圓殼體底部開始纏繞。纏繞時(shí)，相鄰圈的光纖可貼合在一起，以增加總的纏繞長(zhǎng)度，纏繞在金屬圓殼體上的光纖長(zhǎng)度即為用于感知從金屬圓殼體底面接收到的應(yīng)力波。光纖采用環(huán)氧樹脂膠粘貼于金屬圓殼體表面，在光纖外表面也用環(huán)氧樹脂膠粘貼以保護(hù)傳感光纖。用于連接光纖傳感器至解調(diào)設(shè)備的接頭3可采用FC接頭、現(xiàn)場(chǎng)使用光纖熔接機(jī)進(jìn)行熔接或其他可用的光纖連接方式。
[0018]實(shí)施例2
[0019]如圖3所示，本發(fā)明可直接粘貼于被測(cè)結(jié)構(gòu)表面，用于接收超聲波驅(qū)動(dòng)器激發(fā)的超聲波或超聲導(dǎo)波。該薄鋁板上粘貼有壓電陶瓷片，將任意波形發(fā)生器將電壓施加至壓電陶瓷片的正負(fù)極，可用于激發(fā)超聲導(dǎo)波在鋁板中傳播。將本發(fā)明提供的波動(dòng)傳感器用502或環(huán)氧樹脂類強(qiáng)力粘結(jié)劑粘貼于鋁板表面，距離壓電陶瓷片15厘米，用于感知超聲導(dǎo)波。波動(dòng)傳感器接收到的導(dǎo)波導(dǎo)致M-Z干涉儀中傳感臂和參考臂之間的光相位差，由光電探測(cè)器測(cè)到，最終由示波器采集得到。如圖4所示，在試驗(yàn)中激發(fā)頻率分別為75kHz和125kHz時(shí)，未經(jīng)放大器本傳感器所采集到的導(dǎo)波信號(hào)。從圖4可以得出，本傳感器能夠有效檢測(cè)到波動(dòng)信號(hào)。
[0020]實(shí)施例3
[0021]將本發(fā)明使用臨時(shí)耦合劑固定于被測(cè)結(jié)構(gòu)表面，亦可有效超聲波、超聲導(dǎo)波或聲發(fā)射信號(hào)。同實(shí)施例2，使用壓電陶瓷片激發(fā)超聲導(dǎo)波在鋁板中傳播。將本發(fā)明提供的波動(dòng)傳感器用臨時(shí)耦合劑黃油固定于鋁板表面，距離壓電陶瓷片15厘米，用于感知超聲導(dǎo)波。圖5為在試驗(yàn)中激發(fā)頻率分別為70kHz和10kHz時(shí)，未經(jīng)放大器本傳感器所采集到的導(dǎo)波信號(hào)。從圖5得出，使用臨時(shí)耦合劑固定的本傳感器亦能有效檢測(cè)到波動(dòng)信號(hào)，該方法與傳統(tǒng)方法相比更加經(jīng)濟(jì)、方便多次使用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于M-Z干涉儀的光纖波動(dòng)傳感器，包括金屬圓殼體、感知光纖和接頭，其特征在于:金屬圓殼體用于接收來(lái)自被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波信號(hào)，金屬圓殼體的底面為實(shí)心，感知光纖由下至上緊密纏繞并粘貼于金屬圓殼體的外表面，接頭與感知光纖的上端連接，接頭用于與解調(diào)設(shè)備連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于M-Z干涉儀的光纖波動(dòng)傳感器，其特征在于:所述的金屬圓殼體的制作材料與被測(cè)結(jié)構(gòu)的材料，兩者的聲阻抗相近。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于M-Z干涉儀的光纖波動(dòng)傳感器，其特征在于:所述的金屬圓殼體的厚度小于等于1_。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于M-Z干涉儀的光纖波動(dòng)傳感器，包括金屬圓殼體、感知光纖和接頭，金屬圓殼體用于接收來(lái)自被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波信號(hào)，金屬圓殼體的底面為實(shí)心，感知光纖由下至上緊密纏繞并粘貼于金屬圓殼體的外表面，接頭與感知光纖的上端連接，接頭用于與解調(diào)設(shè)備連接。本發(fā)明提出的波動(dòng)傳感器與傳統(tǒng)的基于電量的傳感器相比，抗電磁干擾，可遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)；可反復(fù)使用、便于實(shí)際工程安裝。同時(shí)，其占用面積小，便于攜帶。在結(jié)構(gòu)上安裝多個(gè)本發(fā)明提供的傳感器，通過(guò)對(duì)所采集信號(hào)的分析，還可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)活動(dòng)損傷的定位。與直接粘貼光纖相比，該傳感器具有較高的可靠性、經(jīng)濟(jì)性。
【IPC分類】G01H9/00, G01N29/14
【公開號(hào)】CN104913839
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510371888
【發(fā)明人】周文松, 李惠, 王安邦, 董永康
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年9月16日
【申請(qǐng)日】2015年6月23日