葉片應(yīng)力檢測(cè)用F—P腔分布式FBG解調(diào)技術(shù)
摘要：風(fēng)能作為一種清潔能源越來(lái)越受到_廿界的重視，葉片是吸收機(jī)械能最直接的部分，因此檢測(cè)葉片承受的應(yīng)力是非常重要的。本文采用Bragg光纖光柵作為席力傳感器，分析了Br犍g傳感器測(cè)應(yīng)變的原彈，主要研究了基于F—P腔的分布式FBG解調(diào)技術(shù)。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；Bragg光纖光柵；F—P腔解調(diào)
0引言
目前，人類(lèi)使用的能源主要是以石油、煤、天然氣等為主的化石能源。一方而，由于這些化石燃料的大量消耗已導(dǎo)致全球氣候變暖，以及嚴(yán)重的環(huán)境污染；另一方面，化石能源為不可再生
能源，不僅儲(chǔ)量有限，分布也不均勻。面對(duì)諸多問(wèn)題，人們開(kāi)始大力發(fā)展取之小盡、用之不竭的可再生能源。
風(fēng)力發(fā)電是采用機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝簧把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)，其原理是天然風(fēng)吹轉(zhuǎn)葉片，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而發(fā)出電能，所以是一種取之小盡的清潔能源”0。其中，葉片是吸收
機(jī)械能最直接的部分。風(fēng)吹動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電。因此葉片的偏轉(zhuǎn)角度，以及葉片承受風(fēng)壓的能力都是必須考慮的問(wèn)題。
為了檢測(cè)葉片承受的壓力值，本文采用了光纖光柵傳感器作為檢測(cè)應(yīng)力的傳感器，并研究了其傳感原理和解調(diào)技術(shù)。
1 Bragg光纖光柵傳感器的工作原理
1 1 Bmgg光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)
Bragg光纖光柵的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，入射到光纖布拉格光柵的寬帶光，只有滿足Bragg條件的波長(zhǎng)的光才能被反射到來(lái)，其余的光都被透射出去。光纖光柵傳感的基本原理是利用光纖光柵的有效折射率和光柵周期對(duì)外界參量的敏感特性，將外界參量的變化轉(zhuǎn)化為其布拉格波長(zhǎng)的移動(dòng)，通過(guò)檢測(cè)光柵反射的中心波長(zhǎng)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界參量的測(cè)量“0。
1 2 Bragg光柵測(cè)應(yīng)變算法
Bragg條件為如下的光學(xué)方程：
式中：丑e——B¨agg波長(zhǎng)；以一——纖芯折射率的調(diào)制周期；-光柵區(qū)的纖芯有效折射率。一般和“為微米量級(jí)。一個(gè)Bmgg光柵中含有多個(gè)折射率變化的周期，總長(zhǎng)度為幾毫米。當(dāng)光纖發(fā)生應(yīng)變F時(shí)，即
其中，4如／4s=昆，為Bragg光柵應(yīng)變靈敏度。當(dāng)九=l 5Ⅲ時(shí)，由式(5)可得到品=l 209×10 nⅡl／肛，即光纖Bragg光柵對(duì)每一微變給出1 209×10 nm的波長(zhǎng)漂移。
上述特性表明，Bragg波長(zhǎng)b受光柵周期變化和折射率擾動(dòng)的影響，因此通過(guò)監(jiān)測(cè)4如的變化可測(cè)出外界應(yīng)力擾動(dòng)。
2基于F—P腔的分布式FBG解調(diào)技術(shù)
本文主要研究口J調(diào)諧F—P濾波器解調(diào)法。此方法屬于波域分布式解調(diào)方法的一種。波域分布式解調(diào)方法是在一根傳感光纖上制作許多個(gè)布拉格光柵，每個(gè)光柵的工作波長(zhǎng)相互分開(kāi)，經(jīng)：3dB耦合器取出反射光后，用波長(zhǎng)探測(cè)解調(diào)系統(tǒng)測(cè)出每個(gè)光柵的波長(zhǎng)或波長(zhǎng)偏移，從而檢測(cè)出相應(yīng)被測(cè)量的大小和空間分布。
2 1可調(diào)F—P腔濾波解調(diào)原理
光纖光柵的傳感信息以波長(zhǎng)編碼的形式被解調(diào)系統(tǒng)接收，通過(guò)波長(zhǎng)解調(diào)得到傳感信號(hào)的變化情況。波長(zhǎng)解調(diào)方法有很多，由于F—P濾波器解調(diào)法具有光能利用率高，具有高靈敏度，體積小，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。因此本文主要研究可調(diào)諧F—P濾波器解調(diào)法。可調(diào)諧F—P腔的結(jié)構(gòu)如圖2所示。從光纖入射的光經(jīng)透鏡L1變成平行光入射到F。P腔內(nèi)，出射光經(jīng)透鏡L2匯聚到光電
探測(cè)器上。構(gòu)成F—P腔的兩個(gè)高反射鏡中的一個(gè)固定，另一個(gè)(其背面貼有一一個(gè)PzT壓電陶瓷)可在外力的作用下移動(dòng)。
可調(diào)諧F。P腔濾波解調(diào)示意圖如圖3所示。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)隔離器進(jìn)入到FBG，反射光信號(hào)經(jīng)耦合器到達(dá)可調(diào)諧F—P腔濾波器，F(xiàn)—P腔濾波器工 |
