基于fbg的加速度传感器

基于fbg的加速度传感器

0光纤加速度传感器加速度传感器广泛应用于航空航天、海上工程、地震、石油、桥梁、机械、军事等领域。近年来,基于光纤传感技术的光纤加速度传感器以其抗电磁干扰、体积小、质量轻、动态范围宽、精度高、能在恶劣环境下工作的优势得到了迅猛发展。光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器是一种新型的波长调制型光纤加速度传感器,除具有上述优点外,还具有光路简单、检测方法灵活、对光源强度波动及外界干扰不敏感、便于组成传感网络等特点,因此成为加速度传感器新的研究领域和未来发展的方向。1bragg波长着力变化FBG的传感原理如图1所示,根据光纤耦合模理论,当宽带光在光纤光栅中传输时,产生模式耦合,满足Bragg条件的光被反射:λB=2neffΛ(1)λB=2neffΛ(1)式中,neff为光纤纤芯有效折射率,Λ为Bragg光栅的周期。Λ和neff受到外界环境的影响(温度、应力)而发生变化,导致符合Bragg条件的波长发生漂移ΔλB,由式(1)可得:ΔλB=2ΔneffΛ+2neffΔΛ(2)ΔλB=2ΔneffΛ+2neffΔΛ(2)轴向应力变化引起的Bragg波长漂移为ΔλB/λB=(1-pe)ε(3)ΔλB/λB=(1−pe)ε(3)式中,pe为有效弹光系数,ε为应变量。温度引起的Bragg波长漂移为ΔλB/λB=(α+β)ΔΤ(4)ΔλB/λB=(α+β)ΔT(4)式中,α为材料的热膨胀系数,β为热光系数。从式(3)、(4)中可以看出,通过测量FBG的中心反射波长变化,可以探知外界条件的变化。2交付函数速度传感器的操作原理2.1加速度传感器的频率特性评估加速度传感器的种类很多,但其力学原理主要是基于质量惯性模型,理想情况下,每个传感探头就是一个标准的质量惯性体系,如图2所示。它是一个由惯性质量m、弹性体k和阻尼器c组成的二阶单自由度系统。根据模型可以得到加速度传感器的幅频响应函数为|Η(jω)|=k√(1-(ωω0)2)2+(2ξωω0)2(5)式中,ω0=√k/m为系统的固有本征角频率,ξ=0.5√c/m为系统的阻尼比。通过式(5),经分析可以得出:加速度传感器的频率特性可用两个特征参数ξ和ω0来评估。在ξ一定情况下,ω0越大输出特性平坦区越宽,动态特性也越好,因此传感器的固有频率应远大于输入信号的最高工作频率;在确定固有频率ω0时,当ξ=0.6～0.7时,具有最宽的幅频特性平坦区,因此传感器要工作在临界阻尼或欠阻尼状态下。2.2fbg的加速度特性FBG加速度传感器探头结构类型有很多,但基本的原理性结构是一样的,通过对基本原理性结构(如图3)的分析来说明其工作原理。惯性体m在外界加速度的作用下产生惯性力,使FBG的轴向应变发生了变化,反射波长λB产生漂移ΔλB,通过相应的解调系统解调出ΔλB,从而获得外界加速度的大小。根据材料力学,结合式(3)可以得到该结构的固有频率和加速度灵敏度:f0=12π√EAmL(6)S=Δλ(0)a=0.78λBmEA(7)式中,E、A和L分别为FBG的弹性模量、截面面积和长度。根据不同的应用领域,可以通过改变质量块的质量和探头的结构来改变传感器的固有频率和对应的工作频段。3对薄熙来分光速度结构的分类和研究3.1橡胶内加速度机构美国海军实验室T.A.Berkoff等人于1998年设计了一种嵌入式结构,如图4所示。FBG被嵌在弹性体(橡胶)内,当质量块受振动产生的惯性力作用在弹性体上时,嵌入其中的FBG受到压或拉的作用,中心波长产生漂移,解调出波长的变化即能得到相应加速度的大小。这种结构的加速度灵敏度大约为135pm/g,固有频率约为2kHz,适合高频探测。这种结构的缺点是:横向交叉灵敏度比较大;受温度的影响较大;FBG容易产生啁啾和多峰现象。3.2梁式结构3.2.1挠性梁中心波长的固定M.D.Todd等人于1998年设计了一种双挠型梁式结构,如图5所示。该结构由两个平行矩形金属板和质量块组成,质量块焊接在两个金属板之间,FBG被固定在下面的金属板外侧中央处,质量块受到振动产生惯性力作用在挠性梁,挠性梁弯曲使固定其上的FBG中心波长改变。该结构的特点为:有较好的加速度灵敏度,约为255pm/g(质量块的大小决定);固有频率约1kHz;横向交叉灵敏度小于1%;噪声比较低。缺点是:由于FBG受力不均匀,容易出现啁啾和多峰现象,测量精度比较低。3.2.2转动轴式传感器日本A.Mita等人于2000年设计了一种“L”型悬臂梁结构,如图6所示。该结构由“L”形悬臂、质量块m、弹簧和FBG组成。光纤被固定在框架上,FBG在A和B点之间,在外界加速度作用下,质量块受迫振动,“L”形悬臂会将振动直接转化为光栅的均匀应变。该结构的特点为:固有频率约为49Hz;灵敏度可达600pm/g;采用转动轴使传感器结构更加稳定,消除几何非线性的影响,横向交叉灵敏度大约为4%;可改进为双光栅温度自补偿型。该结构加速度传感器灵敏度和频率特性较好,可以满足低频振动需求,目前已应用到日本海底地震监测网络中。3.2.3差动式悬臂梁结构国内对等强度悬臂梁结构的研究比较多。巩宪锋等人设计了一种普通悬臂梁结构,采用矩形悬臂梁,这种结构固有频率为67Hz,灵敏度不高,约为80pm/g;清华大学的曾楠设计了一种等腰三角形悬臂梁结构,消除了矩形梁结构容易使光栅产生啁啾的缺点;刘惠兰等人设计了一种差动式悬臂梁结构,采用主梁与微梁结合的方式,固有频率提高到250Hz,可以进行温度自补偿。ZhangYan等人设计了一种新型的等强度悬臂梁结构,对结构进行了优化,具有代表性,下面介绍这种结构的特点。如图7所示,该结构主要由支撑杆、主梁、辅助梁、质量块m和FBG组成,其传感原理和普通悬臂梁结构一样,其独有的特点有:(1)主梁使用了碳纤维复合材料,这种材料对FBG的作用力比较均匀,线性度比较好;同时它减轻了梁臂的重量,而且可以在高压高温的环境下使用;(2)使用了辅助梁,减小了横向加速度的影响,从而减小了横向交叉灵敏度;(3)使用动圈式电磁阻尼代替了用胶粘的方法,提高了传感器灵敏度,扩大了频率测量范围。该结构的工作频率范围为10～200Hz,有较好的灵敏度,目前已应用到石油勘探领域。3.2.4质量块、弯张梁、fbg的组成ZhangJinghua等人设计了一种弯张梁结构,如图8所示。主要由支撑杆、质量块、弯张梁和FBG组成,FBG固定在弯张梁上。质量块受到振动作用于弯张梁,弯张梁弯曲或伸张从而使固定其上的FBG中心波长改变。该结构的固有频率为16.7Hz,有很好的低频频率范围1～10Hz,加速度灵敏度约为410pm/g。3.2.5双光栅传感器SunLimin等人设计了一种特殊梁式结构,如图9所示。该结构由质量块、弹性梁和两个光栅组成,两个光栅被两个可以校准的螺母预加应力,整个系统装在一个充满阻尼液体的矩形箱内。这种结构的特点为:阻尼液的使用保证了系统阻尼比,传感器有很好的幅频特性;双光栅可以抑制温度交叉敏感;可以根据需要探测的信号的频率范围和光栅可承受的应力范围进行灵活的设计,加速度灵敏度可以达到2000pm/g。3.3芯轴结构3.3.1传感壳结构ZhangWentao等人设计了一种单柱体结构,如图10所示。该结构主要由传感壳、质量块、两个隔板和FBG组成,这种结构的特点是:使用了两个弹性隔板,增加了变形,同时减小了横向受力的影响;加速度灵敏度大约为70pm/g,频率范围为5～200Hz。3.3.2金属波纹管及光栅固定张敬花等人设计了一种金属波纹管结构,如图11所示。该结构主要由金属波纹管、质量块和外壳等组成。金属波纹管上端固定在外壳上,下端固定在质量块上,光栅固定在金属波纹管的两端,质量块受振动产生的惯性力作用于金属波纹管,使固定其上的FBG产生轴向应变。该结构使的特点是:用金属波纹管作为阻尼元件,可以减小横向交叉灵敏度、FBG受力均匀避免啁啾、同时可提高灵敏度;固有频率约为135Hz,灵敏度约为550pm/g。3.3.3对于弹性体的作用于洋等人设计了一种对称推挽式结构,如图12所示。该结构主要由弹性体、质量块、连接座和FBG组成,上下对称。弹性体通过连接座与质量块连接,FBG嵌入到弹性体内,质量块受到振动的惯性力作用于弹性体,从而作用于FBG。这种结构的特点是:对称结构具有温度自补偿功能;方向性好;能够扩张到三维;频率范围和灵敏度可通过结构设计灵活控制。频率范围约为0～100Hz,灵敏度约为546pm/g。4fbg加速度传感器将进入使用的范畴内各领域,将发展成基于FBG原理的加速度传感器发展非常迅速,不断有新型高性能指标的结构出现,但实现工程中的大规模推广还需要攻克一些关键技术问题:(1)工程应用中,环境比较复杂,且需要获得三维加速度信息,因此,需要发展能在特殊环境下工作的三维结构的FBG加速度传感器;(2)在地震监测、石油勘探和近海岸预警等领域,需要探测的地震波信号频率非常低,甚至低于0.01Hz,所以在传感系统中,对光源的低频噪声,对探头的灵敏度和克服温度漂移等环境因素都需要进一步研究;(3)实际应用中,我们得到的传感振动信号将非常微弱,提高结构灵敏度的同时,如何能实现这种极微弱信号的高精度、高稳定性信号解调也是关键。伴随着关键技术的解决,未来FBG加速度传感器的发展将是一体化的传感网络,包括稳定的低噪声光源、小型化高灵敏度的探头结构、适合特殊环境的封装技术、高精度高稳定性的信号解调系统和合理的传感网络布局等等。相信FBG加速度传感器将在地震监测、石油天然气勘探、建筑物结构健康监测以及地面和近海岸安全警戒等领域得到快速发展。发展FBG加速度传感器技术对于我国国防和现代化建设具有现实意