开发基于光纤的干涉仪，用于非破坏性应用中的应变测量外文翻译资料

 2022-01-17 09:01

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

开发基于光纤的干涉仪，用于非破坏性应用中的应变测量

  1. 摘要

在本文中，已经证明了外部法布里 - 珀罗干涉仪（EFPI）用于应变测量。波长为1310nm的单色光源传播到单模光纤中，然后通过传感臂。大约4％的光束在光纤端反射，产生“参考信号”，而其余光束接下来传输到目标并作为“传感光束”反射回传感臂。然而，干扰信号是由光纤臂中的两个光束（参考和传感信号）之间的叠加产生的。干扰信号的数量也称为“条纹”，通常与目标运动的位移成正比。还提出了用于将条纹数解调为位移信息的条纹计数技术。因此，通过参考应变理论的基础，将位移转换为应变值。固定在机械波驱动器上的悬臂梁已被用作实验研究的振动器。已经针对传感器性能的研究研究了两个实验。通过将频率激励从60Hz变为180Hz，并且振幅激励从0.25V变化到5V，输出应变范围分别为0.082-1.556和0.246-2.702mu;ε。此外，商业应变传感器也被用作参考，导致平均百分比误差为1.563％。

  1. 关键词

法布里 - 珀罗干涉仪，干涉信号，无损测量，应变测量

  1. 介绍

如今，许多类型的工业材料如混凝土，钢棒，不锈钢和铝已被用作基础设施建筑的材料部件（即房屋，建筑物，桥梁，大坝等）。与木质结构相比，它具有几个优点，例如对环境影响，耐腐蚀性和延展性。然而，由于严重误差，环境影响和长时间使用导致的材料疲劳或开裂是这些材料的主要影响。 温度变化，振动，地震和风暴是环境影响的例子。 为了研究这些影响，已经提供了高精度探测器，例如位移传感器，地震计和电容传感器，用于监测问题。 光纤传感器（FOS）也是一种经常用于分析此类问题的测量仪器。与电子仪器相比，诸如对电磁波的抗扰性，在危险区域上工作的可能性，小尺寸和轻量级的几个优点使得FOS成为用于测量环境影响的众所周知的检测系统。 通常，传感器可以分成各种类别。 光纤干涉仪（FOI）是传感器的一个例子，它还可以分为四种主要类型：Michelson，Mach-Zehnder，Sagnac和Fabry-Perot。几种机电工程应用使用这些干涉仪进行高精度测量。 例如，Dorband等人。解释了迈克尔逊光纤干涉仪（MFI）在高灵敏度下用于多种工程应用的操作。此外，Qizhen等人展示了一种用于振动测量的环形Mach-Zehnder干涉仪，其动态范围为38米。此外，Fu等人在压力测量中证明了基于Sagnac干涉仪的偏振保持光子晶体光纤（PM-PCF）的研究。该光纤干涉仪能够以3.42nm / MPa的灵敏度检测来自材料或靶的小压力。 然而，就法布里 - 珀罗干涉仪而言，Pullteap等人开发了一种基于外部光纤的法布里 - 珀罗干涉仪（EFFPI），用于在各种激发波形中进行高精度位移测量。 光纤干涉仪可以非常方便地检测0.7-140nm的位移范围而没有方向模糊。

在最近的工作中，提出了一种基于光纤的法布里 - 珀罗干涉仪，用于在0.65-15.06mu;m范围内的小位移测量，分辨率为lambda;/ 2。在这项工作中，开发的传感器已连续应用于应变测量研究。因此，已经提出一种拧到机械振动器上的铝板作为用于应变研究的悬臂梁。通过指定从经典函数发生器到振动器的激励频率和激励幅度，产生了由于材料振动引起的应变信息。该量与动态位移范围成比例，动态位移范围是通过条纹计数解调技术从光纤传感器获得的。此外，电应变传感器已被用作参考传感器，用于研究误差以及传感器性能。因此，所设计的系统可以分别应用于机电工程应用或非破坏性测量。

  1. 使用光纤干涉仪进行应变测量的原理

4.1光纤干涉仪的分类

光纤干涉仪是三十多年前首次开发的流行高精度仪器。 如前一节所述，有四类基于光纤的干涉仪，其配置如图1所示。基本上，干涉仪是根据两个被考虑光束之间的光强度变化或相移进行的， 传感和参考光束，导致干涉图案的出现。 然后将该信号解码为物理量，例如位移，温度，应力和声波。因此，我们可以观察到一些工程和科学应用使用传感器进行精确测量。

基于光纤的迈克尔逊和马赫 - 曾德尔干涉仪的工作原理已在图1a，b中描述。 来自光源的光束首先通过光纤耦合器传播，然后分离（50:50）成两束; 一个被传递到称为“参考信号”的参考臂，而另一个被沿传感臂注入作为“传感信号”。 然后，信号在输出臂处彼此叠加，导致干扰信号的形成。

另外，基于光纤的Sagnac干涉仪已在图1c中示出。首先，将来自激光源的光束注入单模（SM）光纤，然后通过偏振器，以分离光的垂直分量（垂直和水平偏振光束）。接着，使用光纤耦合器将该光喷射到两个光束（50:50）中并传播到盘绕的光纤中。传播光束的第一条路径顺时针旋转，而另一条路径分别逆时针旋转。两个定向光束之间的路径差指向角速度（omega;），其通常与目标的物理量相关。然而，基于光纤的法布里 - 珀罗干涉仪（FFPI）是后一种类型的FOI，其配置如图1d所示。来自激光源的单色光通过50/50光纤耦合器传播到传感臂。大约4％的光在光纤端被反射作为“参考信号”，而96％的光被传输到目标并分别作为“传感信号”反射回光纤洞穴端。因此，干涉信号由两个光束之间的叠加产生，然后传递到输出光纤臂。然而，FFPI配置优于其他干涉仪的优点是仅使用单臂，但可以找到双腔。因此，它节省了光学器件的插入并且易于开发。

在这项工作中，已经提出开发基于外在光纤的法布里 - 珀罗干涉测量法（EFPI）用于靶材料中的应变测量。 基本上，它基于强度解调来操作。然而，推断信号或“边缘”已经集中用于对期望的被测量的信号解调。其中Ir对应于光电探测器检测到的参考信号的输出强度，而Is分别是感测信号的输出强度。 因此，两个光束之间的相位差可以表示为。通常，它与光纤端和所需目标之间的腔长或光程长度有关。其中n是折射率（空气n = 1），lambda;是光源的波长，d是光纤端和目标之间的位移长度。

此外，条纹（N）的数量通常与目标运动的位移成正比（d）。为了获得应变信息，基于光纤的EFPI的配置因此得到了关注，其概念如图2所示。

考虑到该图，光纤干涉仪的目标和传感臂之间的距离由L定义。但是，当样品在水平或垂直方向上被扰动时，该值可以改变d，导致光程长度转化。 然而，这种现象与从传感器获得的条纹变化的数量有关。其中d对应于腔长度的变化，而L分别对应于传感臂和目标之间的腔长度。

此外，用于应变测量的光纤干涉仪也在若干应用中被考虑。 例如，Udd通过利用FOS来调查桥梁的应变信息来报告智能结构。此外，Habel等人。 还描述了外部法布里 - 珀罗干涉仪（EFPI）和分布式光纤传感器在几种岩土工程应用中的能力。因此，用于动态应变测量应用的基于光纤的Mach-Zehnder干涉仪也由Her等人设计和演示。

4.2应变测量原理

基本上，应变信息是由于材料试样由于对所需材料施加的任何力（例如拉伸或压缩力）而变形而引起的物理量的典型。 此外，它还与垂直或纵向强制后材料试样的差异长度（L）相关，如图3所示的基本原理。

为了获得应变值，已经提出了几种测量仪器，例如电应变仪，机械引伸计，以及光学引伸计。根据第一种仪器，可以根据铜的强迫引起的电阻变化找到应变信息。 或设备内的铁丝。然后将该值连接到经典的惠斯通电桥电路，用于将电阻值转换成电量，然后通过信号调节电路，分别将信号解调为应变信息。 此外，由于安装和使用简单，经济实惠，温度和湿度影响的补偿容易等，电应变计广泛用于多种工程应用中的应变测量。机械引伸计是另一种用于研究材料特性的应变仪器。该仪器的主要优点是易于使用和读取模拟数据的能力。但是，它是一种接触式仪器，其中仪器探针（刀刃）直接接触到表面样品。因此，应变信息取决于试样的表面粗糙度。但是，它仅限于灵敏度，并且由于仪器探针接触，样品表面也可能被破坏。然而，为了消除这些影响，已提出光学引伸计用于应变研究。它是一种非接触式测量仪器，其中样品的表面从未被仪器探针破坏。因此，该仪器由于对材料的任何力（拉伸或压缩）而在光程长度变化的原理下操作。而且，光学引伸计比机械引伸计和应变仪都非常灵敏。然而，使用和实施更复杂（由于内部安装了大量光学器件），并且价格也很高，导致其仅在非接触式测量应用的科学和工程实验室中使用。

然而，在这项工作中，基于光纤的EFPI已被开发为用于应变测量的光学引伸计，其具有优于传统引伸计的若干优点，例如低成本，易于使用且且实施简单。 其传感器结构仅使用一些光学元件。 因此，可以消除由于光学未对准引起的影响（参见图1d）。 因此，可以消除光学未对准的一些影响。 此外，基于光纤的法布里 - 珀罗干涉仪相对于商用传感器的更多优点可以概括为高灵敏度，宽范围和带宽，嵌入结构的能力等。

  1. 实验装置

因此，用于应变测量的外部光纤法布里 - 珀罗干涉仪的配置已在图4中示出。

根据图4，已经在没有控制室温的光学平台上演示了该实验。 Thorlabs公司的波长为1310nm的单色光已被用作激光二极管光源。接下来，该光束传播到单模光纤（SMF-28）中，然后通过1times;2光纤耦合器通过匹配套管传递到光纤传感器的传感臂。大约有4％的光从光纤弯曲反射回来作为“参考信号”，而其余的光被传输到目标。因此，当来自悬臂梁（目标）的发射光束被反射回光纤臂时，则产生“感测信号”。此外，由于光纤臂中的叠加现象，因此形成了来自两个指示光束的干涉信号。接着将该信号传递到输出臂，然后使用光电探测器将其转换为电量（电压）。因此，在发送到数字示波器以显示干扰波形之前，使用信号调节电路（CC）来布置输出信号。此外，来自Tokyo Sokki Kenkyujo Ltd.的商用应变计型号：FLA-1-11也作为“参考传感器”附着在作为光纤传感器的传感头位置附近的悬臂梁上。安装如图5所示。通过将激励频率从60Hz变为180Hz，但是安装在光学平台上的Pasco机械波驱动器型号SF-9324固定250mV的激励幅度，在示波器上发现了干扰信号。因此，使用条纹计数技术解调干涉图数据（或边缘）的数量，然后将该信息传送到专用计算机以进行数据信号处理。通常，这些数据与目标运动的位移相关，如公式1所示。（3）。此外，还通过参考（4）与通过MATLAB编程开发的解调程序协作来找到应变信息。此外，来自参考传感器的输出数据已被传送到电子数据采集系统（DAQ）模型：EMANT300，然后接口到计算机以使用Labview编程进行信号处理。因此，已经发现动态应变信息是来自系统的“参考数据”。通过比较从光纤传感器和参考传感器检测到的实验结果，因此报告了测量误差。该信息将指示光纤干涉仪在非破坏性或高精度测量中的应用性能。

  1. 实验结果和讨论

根据前一节所述的实验程序，用于应变研究的外在光纤法布里 - 珀罗干涉仪的配置因此如图6所示。此外，我们选择正弦波形（具有激励频率） 来自函数发生器的70Hz和250mV的激励幅度）用于驱动机械振动器进行初步研究。 然而，光电探测器检测到的输出干扰信号已在图7中示出。

在图7中，因此已经为5个条纹找到了干扰信号的数量。 这意味着指示了3.875mu;m的位移信息，其也分别与0.484mu;ε的应变值相关。 因此，来自参考传感器的应变值已经获得为0.485mu;ε，其结果显示在图8中。

根据图的实验结果。 在图7和8中，我们可以总结出，因此，从测量系统指示了0.206％的百分比误差。 但是，该值可能是由系统误差或严重误差产生的。 此外，通过改变激发频率在60-180Hz范围内的实验结果，但固定250mV的激励振幅因此已在图9中报告。

根据图9，我们可以得出结论，由EFPI传感器（在100Hz的激发频率下）获得的最大应变值为1.556mu;ε，而对于参考传感器为1.543mu;ε。 这对应于机械振动器的共振频率。 此外，两个传感器的最小应变通过参考传感器为0.081mu;ε，纤维传感器为0.082mu;ε。 通过重复5次/每次的测量结果，已经研究了诸如最小值，最大值和平均值之类的百分比误差。 这些结果可以总结在图10中。

如图10所示，我们报告连续发现最小，最大和平均测量误差分别为0.183,2.537和1.563％。这些值用于验证光纤传感器的性能，用于应变研究，由于一些重要因素（例如环境影响的温度变化，目标位置不稳定性，来自外部环境的周围强制振动，粗差和电子漂移）而具有小误差。另外，可能从靠近参考传感器的传感头的安装产生小的误差。因此，这些问题的影响也反映在应变计上。这意味着EFPI传感器的输出与应变计的输出成正比。为了验证传感器的性能，已经研究了另一个实验。通过固定60Hz的频率激励并将振幅激励从0.25V变化到5V（机械振动器的上激励极限），由EFPI传感器测量的输出应变信息范围从0.246到2.702mu;ε，而参考传感器分别为0.250-2.654mu;ε，平均误差为1.782％。结果已在图11中详述。

这意味着输出应变值与幅度激励的变化成正比。但是，我们可以使用牛顿定律的经典方程来解释这种现象。假设目标质量（m）的值是固定的，而目标力（F）的变化对应于机械振动器上的振幅激励。因此，目标位移与目标加速度（a）相关。因此，目标位移变化（d）绝对与目标力相关，目标力也参与图11所示的实验结果。此外，当激励幅度增加时，应变信息将增长。此外，由于前几节中已经提到的几个因素，可能会发现错误。为了减少这些误差，我们必须专注于环境影响以及室温和湿度控制等严重错误，避免在发生环境振动时进行演示，正确设置实验并使用。

最后且最重要的是，上面的两个实验结果可以验证高灵敏度的EFPI传感器已经应用于应变测量。 此外，光纤传感器还可以在非接触式测量上操作，其中目标表面永远不会从传感探头中被破坏。因此，我们可以

全文共5909字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[1189]

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章