工程中的光学和激光外文翻译资料

 2022-08-10 04:08

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工程中的光学和激光

摘要

光纤布拉格光栅传感器网络旨在实现端口的实时状态监控。本文介绍了系统设计及其在港口机械监控中的应用。讨论了中国青皇岛港口机械的现场测试结果。 通过长期监控运行状态，尤其是港口机械的结构应变，运行状态港口机械，包括安全性和疲劳寿命，都可以精确获取和估算。 它可能为港口机械的使用和维护以及港口的安全提供基础机械得到改善。 长期测试结果表明，在精度为土4mu;ε，分辨率为1mu;ε条件下， lt;8mu;ε运行两年的稳定性和重复性。

1 引言

光纤布拉格光栅（FBG）传感器，由于其复用能力和执行能力绝对测量[1]，吸引了很多人科学和工程研究人员的关注。容易制造含有多个传感器的大单根光纤并且每个传感点的成本相对较低。 这些属性使这些传感器对于常用传感器具有竞争优势。 光纤传感器在潜在危险环境中变得特别有吸引力-电气传感器可能会增加在石油和煤炭等特殊环境中起火或爆炸工业，发电厂和化工厂[2]。 现在，纤维布拉格光栅（FBG）传感器使3S系统成为一种世界上流行的研究主题。

3S是智能材料，智能结构的缩写，聪明的皮肤[3]。 它是指结合高质量的FBG技术，光纤神经网络和光纤执行器的一个集成单元。 然后它们可以放入复合材料，将用于现代交通方式（例如飞机，轮船，坦克等）的制造，它们也可以固定在不同类型的建筑（如墩，坝，豪宅等）的框架上。 因此，智能化的传感器系统已建立。 该系统类似于神经网络人体，并且可以广泛用于实际的对象的各种时间的测量，诊断和控制参数，例如应变，温度，应力，老化，裂变和。以此类推。 然后将分析对象的状态； 如果有数据超过阈值，警报将起作用。

如今，港口机械的使用越来越多轻微地导致设备损坏率。为了及时控制港口机械的安全状态，有必要对动态进行实时监控港口机械关键位置的。传统的监视港口机械状况的方法是使用附着在关键部位的电阻应变片港口机械。该电子产品的主要限制因素传感器的长期运行可靠性差在潮湿，粉尘，灰尘的条件下；还有电子传感器容易受到电磁干扰（EMI），其中限制了它们的应用定期检测，对于长期实时不可行上线监控。新型传感器系统需要长期煤炭港口机械的安全监控。光纤光栅应变传感器是大型结构应用的西乡选择，特别是在电磁干扰严重的情况下，例如港口有很多电动机。

本文将FBG传感器系统在港口中的应用介绍了机械实时监控。 通过记录和分析输出数据，可以确定结构的条件通过测量端口适当位置的动态应变，可能会发现损坏，然后进行检测机械。

2 理论

总之，布拉格光纤光栅由在光敏纤维纤维芯中的折射率的周期性调制组成，通常是由具有干涉图案的照明光纤创造，该干涉图案由反射的周期等于询问的波长使用辐射。 （Fiber-optic Bragg grating is, in summary, formed by the periodical modulation of the refractive index in the fber core of a photosensitive fiber, usually created by the illumination of the fiber with an interference pattern formed with UV radiation of period, in reflection, equal to the wavelength of interrogating radiation used.）在我们的应用中，光栅是可制造的使用标准相位掩膜技术实现，其中入射的紫外线分为两束，相位遮罩会在这些区域产生干扰图案两束光干涉。 然后将这种干扰模式用于通过引入周期性折射率来写布拉格光栅改变纤芯。 为此制造的FBG应用长度为10毫米，反射率超过95％，并且带宽为0.2 nm。

FBG可用作传感器元件来测量物体的应力，因为其中心波长对应力敏感系数在0.3 nm / 100 Mpa [1]。来自FBG的反射光束的布拉格波长为由

其中hB是FBG的中心波长，A是光栅，Neff是光纤的有效折射率。当外部应力改变时，分数改变布拉格波长由[4]给出

其中△lambda;p是布拉格波长的位移，εz是沿光纤轴，Pe FBG的灵敏度系数紧张

其中P11，P12是光弹性系数，而v是泊松比光芯材料。对于石英光纤Peasymp;0.22，我们得到

可以看出，如果有几个具有不同光栅的FBG周期串联在一起，每个FBG都有其特定的特征谱线。 当一个FBG上的压力为改变，其光谱线也会改变。 通过检测hp，可以得到外部应力的状态[8-10]。 的示意图系统如图1所示。

来自光源的光被发射到单模光纤，然后通过3 dB耦合器。 灯FBG将在中心波长反射波。我们可以通过光学来测量FBG的波长频谱分析仪（OSA）。 实时收集数据GPIB接口并发送到计算机进行处理，通过监控软件，使相关参数可以给定对象状态即可显示。

3.在港口机械监控中的应用

3.1 监控要求

港口机械是大型，高效率的成套设备港口装卸的效率和自动化。 它是散料运输系统中最重要的部分煤炭装卸的关键设备。 港口青皇岛（中国）的机械如图2所示。

港口机械的工作流程如图3所示。

根据以上工作流程和设备配置，我们以机器的主要目标为目标进行调整监控。 长期以来，钢结构收效甚微与维护操作设置相比要注意电气设备，因为没有检测仪器和经验不足。 但钢结构是主要承载零件。 一旦出现隐患，无法在时间，将导致严重事故。 因此，监控该项目的目标可以强调钢结构的应变。

监控港口煤炭装卸设备的状态和评估其结构应力规定钢整个机械的结构应进行检查并每月修理四次（每次6小时）。 但是，发送研究人员到港口手动获取数据遭受效率问题。 另外，经常出现研究人员监视港口机械可能会导致不必要的后果-引起关注并降低实地调查的效率，降低经济效益。 由于这些原因，当务之急是为煤处理设备配备在线自动设备状态监视系统，可以永久安装在港口机械。 因此，被动维护可能是转变为主动维护并提高了效率。系统应收集港口机械的参数自动并定期发送所有信息到实验室监控室。

图2 秦皇岛港口机械图片

3.2.传感器安装

港口机械配备了大量各种类型的传感器收集不同的状态参数。但是在本文中，我们仅展示了数量有限的传感器港口机械上的关键位置带来了有用的代表性的州信息。三种不同的战略定位选择了横梁，U型梁和端环安装FBG传感器，如图4所示。

3.3.系统设计

3.3.1.系统结构

有几种复用布拉格光栅的技术多点传感器应用及后续应用中的传感器解码源自个人的波长偏移传感器元件。这些方法已经详细讨论过包括波长相关滤光片，干涉式解调器定位，可调激光器配置，可调Fabry-Perot滤波器，和时域反射仪[5,11]。经过分析各种方法，空间波分多当前应用中采用了复用（WDM）方法。图5显示了FBG传感器系统，该系统用于机械监控应用。

系统已配置为解决串行集群使用基于半导体光放大器（SOA）的可调激光器作为光，在几个并行阵列中多路复用光栅源来提高系统的SNR（信号噪声比）[12]。图2是一个基于SOA的FDML可调激光器示意图。该激光器是基于光纤环的可调FDML激光器[13-15]带有半导体光放大器（InPhenix，Inc.的SOA）充当增益介质和光纤Fabry-Perot滤波器（FFP-TF，Micron Optics，Inc.）充当可调窄带光学器件带通滤波器。偏振不敏感的隔离器保持激光腔中的单向传输。输出耦合器耦合出腔中50％的光。 1.3mu;mSOA用于实验对极化不敏感，但极化-〜0.5 dB的相关增益。光纤Fabry-Perot可调滤波器在1300 nm处的自由光谱范围约为200 nm，精细度为〜800。光纤Fabry-的波形驱动器包括一个数字函数发生器和一个功率放大器，驱动光纤的低阻抗〜2.2mu;F电容负载Fabry-Perot锆钛酸铅（PZT）作动器。考虑中热稳定性，共振频率的漂移，是由温度变化以及PZT偏置偏移的漂移为最小的。预热约15分钟后进行手动调整时间确保了多个小时的稳定运行。隔离器消除了多余的腔内反射并确保了环形腔的单向激射[16]。

来自可调激光器的窄带光是引导至FBG通过光纤隔离器和波分复用器（WDM）。从FBG反射的光信号耦合到光电探测器。可调谐激光器通过DSP和光波长进行调谐定期变化以扫描传感器FBG的反射光谱。当可调激光器的光谱变化时，光电探测器中接收光的强度变化反映激光输出光谱的匹配状态传感器FBG的反射光谱。理论上当中心可调谐激光器和传感器FBG的波长绝对匹配，接收光的光电探测器获取最大功率。所以当最大光强度是由光电探测器获得的反射波长为传感器FBG可以通过检测输出光来获取可调激光器的波长；的微波长偏移应力或温度引起的传感器FBG可能是检测到。

每个阵列中每个传感器的中心波长为在光谱上相隔几纳米，足够宽以适应最大应变范围（波长偏移）经历过的结构。 此结构是专为一系列波分复用转换器的创建cers。 测量每个光栅的波长偏移元素表示某些物体的应变和/或温度特殊的光栅经验，并允许两个光束干扰。 然后，此干扰模式用于识别沿着应变发生的结构的位置传感器定位的知识。

串行多路复用的17个并行光纤通道（16个传感器通道和参考传感器通道）系统，基于波分的法布里-珀罗扫描仪多路复用（WDM）询问技术旨在解复用来自光纤串行阵列的返回信号光栅，用作应变和温度敏感设备。 该仪器旨在每个通道旋转12个串行传感器。 由于外部这样的扰动作为应变或温度，波长任何两个相邻FBG之间的距离应更大比每个FBG的最大预期波长偏移大。 这个意味着可以跟踪波长偏移的大小不受邻近传感器的干扰。

因此，在此应用中，每个通道中的12个传感器在光源的40 nm光谱宽度上相隔3 nm允许应变测量高达土1500mu;ε。 这个水平的应变是根据实际工作中的结构荷载和染色范围分析。 来自每个串行阵列的返回信号通过一组5个低噪声（-50 dB）PIN检测器检测到。然后将模拟检测器的输出信号发送到自定义具有数据的数字信号处理器（DSP）处理板采集和信号处理能力。 临时DSP解析从每个每次扫描Fabry-Perot时有4个平行的传感器通道滤波器，并确定每个光栅峰的中心位置。

为了提供所需的度数精度，测量相对于内部热稳定而言参考光栅以差分测量模式消除温度响应与应力之间的串扰响应。用于应变测量的传感器光栅为附着在被测结构的表面上用于温度补偿的参考光栅连接到由与结构相同的材料制成的测试件在测量中。试件与温度相同被测结构处于自由状态。因为测量光栅和参考光栅对环境温度运动的响应相同，它们相对波长偏移仅取决于测量应变光栅，与环境温度无关ture。图6表示中心传动的关系曲线测量光栅的波长到温度和参考光栅。从特性曲线可以看出两条直线的斜率相同，这表明两个光栅的温度灵敏度系数为相同;因此，我们可以使用参考光栅来实现对测量光栅进行温度补偿。

图6.中心透射波长与te的关系曲线

参考光栅也有助于消除任何长时间的短期内，由热或振动引起的漂移扫描滤波器操作中的干扰。 精确检测峰值波长对于精确的应变差异至关重要-，其中涉及在峰，光谱图的中心点是计算。 通过互联网，仪器中还提供了远程系统控制和数据记录请求功能链接，与控制系统并行进行远程控制操作能力。

进行系统的动态响应实验在柔性梁上，以及光纤光栅的时程曲线图7显示了柔性梁在自由振动时的状态。

图7.应变系统的动态响应。

在大多数应用中，布拉格光栅传感器要么表面粘结到现有结构或嵌入制造过程中的结构。在该项目中，所有FBG传感器直接连接到钢结构的表面使用简单的方法在小面积上研磨钢表面，然后用脱脂剂清洗提供干净，光滑的表面，用于安装传感器。事前粘接后，用化学方法仔细清洁传感器去除表面上丙烯酸酯保护涂层写入光栅的光纤。安装FBG传感器牢牢地固定在结构上，这种保护漆的一小部分去除，去除油漆时必须注意避免损坏下方的钢材。在连接前包装好的FBG传感器，应清洁该区域首先是水和高浓度的异丙醇。两种类型用胶水固定外壳和FBG传感器在钢上。将即时氰基丙烯酸酯胶涂在外部机箱底座的边缘，以及机箱的内部边缘和FBG传感器，使用两部分耐候环氧树脂。传感器在不同位置结合了两种胶水封装到位，同时还实现了出色的粘合。的粘合过程已经过长期测试和验证稳定性。

FBG可能不完全稳定（在热或时间上）在写入过程中跟随最初的紫外线照射[11]。 光栅的光谱和反射特性为高度稳定，可长时间监控使用情况。 它是在以下范围内对有效监视应用程序至关重要环境。 长期稳定性是通过使用退火程序，其中将光栅加热到〜100°C在氩气气氛下放置几个小时。 氩气防止丙烯酸酯涂层的降解。 对他们同样重要在应变监测中的有效使用是对测量过程中光栅的热响应。 布拉格光栅在中心波长上产生相同类型的变化纵向应变和温度都会变化。 结果，长期结构疲劳分析，温度补偿明确确定应变所必需的[16,17]。

在这项工作中，一个热补偿传感器是通过在传感器中包含一个额外的光栅来实现包装，该包装已粘合到一个小的钢制试样上，并且封闭在与主电源接触但不与主电源分离的位置结构体。 这样，附加参考传感器做出了响应纤维和钢的热应变的方法类似于附带的应变传感器，但不响应结构上经历的机械应变。 机械的通过变化的差异测量提取应变两个光栅传感器元件中的一个。 另外，散热结构中的荷载可以使用参考传感器减去热响应纤维，仅留下钢的热膨胀效应。确定热负荷和机械负荷的历史对于长期的结构完整性监控非常重要以及寿命预测分析。

图8. U型梁上的分布点。

4.现场测试

用于港口机械监控的FBG传感器系统是在中国清皇岛的港口机械上实施2006年初。经过调试和测试，所有传感器

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