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基于EMD-CF的级联光栅微振动传感器光谱优化算法.docx
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基于EMD-CF的级联光栅微振动传感器光谱优化算法.docx
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0. 引 言
微振动信号普遍存在于各种精密机械设备当中,并对设备的运行产生不利影响。以航
天器为例,飞轮系统、天线和帆板驱动等部件的不平衡运动产生的微振动信号,直接影响
航天器姿态控制的稳定度
[1]
。而对于精度高达数微米的数控机床而言,工作过程中产生的
微振动信号对进给、主轴、切削等部件带来干扰,导致加工精度降低
[2]
。因此,对精密机
电设备的微振动信号进行主动控制和减弱至关重要,而这依赖于对微振动信号的准确测
量。
凭借着抗电磁干扰、无源、高精度等优点,光纤传感器在复杂环境下的高精度参数测
量中得到了广泛应用
[3-4]
。目前已经报道了多种基于光纤干涉仪的振动传感器,包括
Michelson 干涉仪振动传感器
[5]
、Mach–Zehnder 干涉仪振动传感器
[6]
、Fabry–Pérot 干涉仪振
动传感器
[7]
。该类型传感器精度较高,然而结构较为复杂,导致测量稳定性较差。另外一
类常见的光纤振动传感器以光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)为敏感元件,通
过波长调制实现振动传感
[8]
。然而,波长解调设备速率较低,造价昂贵,一定程度上限制
了这类传感器的应用。此外,还有强度调制型光纤振动传感器
[9]
、偏振型光纤振动传感器
[10]
、模式调制型光纤振动传感器
[11-12]
等,这些传感器同样结构较为复杂、稳定性差、体积
较大,无法满足精密机电设备中的微振动测试需求。
除了以上方案,将长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating, LPFG)与 FBG 进行级
联,利用两种光栅的透射和反射特性,将波长调制转换为强度调制,也是一种典型的振动
和应变测量方法
[13-14]
。这种方法具有传感器体积小、系统结构简单、动态性能好等优点。
然而,由于经过多次 LPFG 透射和 FBG 反射,导致级联光栅的反射光谱信号成分复杂、信
噪比较差,对于幅值变化很小的微振动信号,严重限制了其测量精度。因此,有必要对级
联光栅传感器信号进行优化,提高反射光谱信噪比,进而提高微振动测量精度。目前常用
的光谱优化算法主要基于各种滤波器,包括 Chebyshev 滤波器、Wiener 滤波器、
Butterworth 滤波器和 S-G 滤波器等
[15]
。其中,Chebyshev 滤波器由于阻带较陡,因此可以
高效地分离光谱中不同频率成分的噪声分量。此外,小波变换
[16]
、噪声中值
[17]
和人工神经
网络
[18]
等算法也被用于复杂信号的优化和处理。然而,这些算法自适应性较差,难以满足
复杂环境下的高可靠运行需求。经验模态分解(Empirical Mode Decomposition, EMD)是
Huang 等人在 1998 年提出的一种自适应信号时频处理方法。相比于上述算法,EMD 具有
更好的自适应性、直观性和直接性,因此近年来被广泛应用于信号优化、参数识别、故障
诊断等领域
[19-20]
。
在文中,基于 EMD 自适应性强和 Chebyshev 滤波器阻带陡峭的特点,提出一种结合
EMD 和 Chebyshev 滤波器(Empirical Mode Decomposition-Chebyshev Filter, EMD-CF)的
信号优化算法。通过对级联光栅传感器光谱进行 EMD 分解、自适应滤波、重构等处理,
得到了不受高频噪声等成分干扰的级联光栅反射峰。实验结果验证了文中所提算法在微振
动测试中的有效性,并体现出较高的测量精度。
1. 级联光栅微振动传感系统
通过采用 LPFG 与 FBG 的双光栅级联方案,振动信号对 LPFG 和 FBG 的波长调制被
转换为强度调制,因此系统无需使用价格昂贵的波长解调设备,显著降低了系统成本。从
外,由于光信号被 FBG 反射,因此传感器实现了单端结构,便于复杂应用环境下的传感器
安装。基于级联光栅的微振动测量系统如图 1(a)所示。光源发出的光经过环形器端口 1
和端口 2 进入级联光栅微振动传感器,之后经 LPFG 透射和 FBG 反射,反射光通过环形器
端口 3 进入光电转换器,转换后的电信号通过数据采集卡输入电脑,并进行相应算法处理
和优化。级联光栅微振动传感器结构如图 1(b)所示。传感器外形为 6061 铝合金材质的
立方体外壳,其杨氏模量约为 72 GPa。立方体边长为 120 mm,在立方体顶面中心处有一
直径为 10 mm 的圆孔,光纤由该圆孔穿入立方体内,并分别在立方体的顶面和底面处进行
预拉伸和固定,固定点分别处于顶面和底面中心。光纤从上到下分别刻写有 LPFG 和
FBG,并穿过实心立方体振子,振子材质同样为 6061 铝合金,边长为 6.5 mm。在振子竖
直方向正中心有一内径为 1.5 mm 的圆孔,光纤穿过该孔,并使用环氧胶进行固化,从而
将振子固定至光纤上。LPFG 和 FBG 长度都为 10 mm,二者之间距离为 8 mm。在传感器
制作过程中,首先将振子固定在 FBG 以下 20 mm 的光纤上,之后将光纤沿传感器立方体
顶面的圆孔伸入。在传感器立方体底面中心,有一直径为 1.5 mm 的圆孔,光纤通过该圆
孔穿出,并在该圆孔处使用环氧胶进行固化。之后,再在立方体顶面圆孔处同样使用环氧
胶进行预拉伸和固定,从而完成传感器制作。
图 1 基于级联光栅的微振动传感系统
Fig. 1 Micro-vibration sensing system based on cascaded-grating
下载: 全尺寸图片 幻灯片
基于级联光栅的微振动测量原理如图 2 所示。LPFG 透射光谱表现为“陷波滤波器”光
谱,谐振波长为 λ2λ2。在透射光谱的上升段,波长范围从 λ1λ1~λ1′λ1′,幅值线性增加。
FBG 反射光谱的谐振波长为 λ0λ0,其中 λ0 = (λ1+λ1′)/2λ0 = (λ1+λ1′)/2。当微振动信号作
用于传感器时,在振子牵引作用下,光纤轴向应变发生改变,导致 LPFG 透射光谱和 FBG
反射光谱的谐振波长同时发生偏移。由于 LPFG 和 FBG 的应变灵敏度不同,因此 LPFG 透
射光谱和 FBG 反射光谱之间的相对位置发生偏移,进而导致级联光栅反射光谱幅值变化。
通过监测反射光谱幅值,即可实现微振动信号的测量。
图 2 基于级联光栅的微振动传感原理图
Fig. 2 Schematic diagram of micro-vibration sensing based on cascaded-grating
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