基于悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器

基于悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器

1光纤加速度传感器加快采用是抗冲击、振动测量、地震监测、预响应和制导系统中常用的重要传感器。其基本原理是在惯性空间设置质量为m的质量块,以感知被测物体作加速度运动时产生的惯性力或位移,测量出此惯性力或位移即可测量出相应的加速度。传统加速度计采用机电方法测量质量块的惯性力或位移。光纤加速度传感器以其抗电磁干扰、体积小、质量轻、动态范围大、能在恶劣环境下工作等优良特性,因而倍受发达国家军事与商业领域的青睐,各种可实用的光纤加速度传感器不断出现。光纤光栅(fiberBragggrating,FBG)传感器,由于采用波长编码,并可以采用各种复用技术实现多点及网络化传感系统,因而近年来,光纤光栅传感器备受关注,各种光纤光栅传感器不断涌现。作者采用悬臂梁光纤光栅调谐技术,设计了一种新型的光纤光栅加速度传感器。它具有很高的测量精度,并且与光纤加速度传感器相比,更具有稳定性高,抗干扰能力强等优点。而且,由于光纤光栅本身采用波长编码,因此,光纤光栅加速度传感器可以很方便地利用波分复用的原理,构成传感阵列和网络,因而有更为广泛的应用前景。2结构原理分析光纤光栅加速度传感器原理结构如图1所示。该传感器是由1个梁长为L的悬臂梁、1个质量为m的质量块以及相关的结构构成。采用回复性与弹性均较好的65#锰钢材料制作悬臂梁。根据弹性力学的原理及参考文献,当悬臂梁自由端受垂直作用力,而使梁发生弯曲时,悬臂梁将产生一个与施力方向相反的弹性回复力。因此,对于文献所分析的无阻尼质量-弹簧系统的分析也同样适用于如图1所示的加速度传感器,其弹性系数k由悬臂梁的特性决定。将传感用光纤光栅粘贴于悬臂梁靠近固定端的表面上。整个加速度传感器与被测物体紧密相连。当被测物体的加速度沿y方向的分量为a时,质量块m上所受惯性力的大小为F=ma。由于惯性力的作用,悬臂梁将发生弯曲,带动传感光纤光栅伸长或压缩,中心波长也随之产生漂移。通过检测光纤光栅中心波长的漂移量大小,即可推知加速度a的大小。为了保证在测量范围内传感光纤光栅波长漂移的线性度,采用了等强度悬臂梁结构,并将传感光纤光栅粘贴于接近梁固定端的位置,如图2所示。质量块m被滑杆限制只能沿y方向移动。悬臂梁与质量块m之间通过滚珠柔性连接,以保证在悬臂梁仅沿y方向受惯性力作用,使传感光纤光栅的形变不受剪切、扭转等力的影响。图3为设计制作的光纤光栅加速度传感器实物图。3梁、、b、b由文献的分析可知,对于如图4所示的等强度悬臂梁,受荷载P的作用而弯曲,当挠度Y不大时,等强度梁的曲率半径ρ可为一常量。根据材料力学知识,由荷载P、梁的性质(杨氏模量E)及几何尺寸,可求得等强度悬臂梁上各点的应变为:ε=6LEbh2|P|(1)ε=6LEbh2|Ρ|(1)其中:L、b、h分别为梁长、梁固定端宽度和厚度。则对于粘贴在梁上的光纤光栅,其波长漂移为:ΔλλB=η(1−Pe)ε(2)ΔλλB=η(1-Ρe)ε(2)其中:Pe为光纤光栅的弹光系数,一般为0.22。η为粘接系数,与选取的粘接剂及粘接效果有关。则有:ΔλλB=η(1−Pe)6LEbh2|P|(3)ΔλλB=η(1-Ρe)6LEbh2|Ρ|(3)进行加速度测量时,将该传感器以某种连接方式刚性连接到被测物体的测试点上,因此,若被测物体沿传感器y方向的加速度分量为a,则施加在质量块m的惯性力大小为:F=ma(4)且力F的方向与加速度方向一致。此时,相当于在等强度悬臂梁自由端施加了大小为F的荷载而引起梁弯曲。由于各矢量均沿y方向,因此,只取其模进行计算,而用正负号表示其方向。将(4)代入(3)可得:ΔλλB=η(1−Pe)6LEbh2ma(5)ΔλλB=η(1-Ρe)6LEbh2ma(5)式(5)为该光纤光栅加速度传感器的基本公式。由式(5)可知,在梁参数及粘接系数一定的情况下,传感光纤光栅的波长漂移Δλ与被测物体的加速度a成正比。4测量结果分析图5为光纤光栅加速度传感器的波长解调系统,系统采用边沿滤波解调方案,当光纤光栅加速度传感器的反射波长发生变化时,将使入射到光电检测器的光强I1和I2的比例I2/I1发生变化,由此,可以通过检测I2/I1达到波长检测的目的。实验时采用长周期光纤光栅作为滤波器件。其线性波长范围为1549～1554nm,透射率变化为75%(6dB)。实验时,将光纤光栅加速度传感器固定于标准振动源的振动平台上。改变振动频率及振动幅度,即得到不同加速度下的光纤光栅加速度传感器的测量特性。同时采用YD-84压电加速度计进行对比监测。表1为不同加速度下的重复测量结果。通过对表1的数据进行分析可以得出:(1)光纤光栅加速度计的测量精度约为0.01g。(2)其结果具有较好的重复性;(3)其线性拟合度可达0.999。由光纤光栅加速度计的测量原理可知,系统误差主要有:光源功率的随机误差、线性滤波器的随机误差以及光电接收及转换电路引入的随机噪声。其中光源功率引入的误差约为0.001g,滤波器的随机误差约为0.005g,光电电路引入的误差约为0.002g。因此,系统总误差约为0.008g。图6为光纤光栅加速度传感器的冲击响应曲线。测试方法为对光纤光栅加速度传感器施加1个大小为a的加速度,然后测量撤除该加速度后的响应曲线。由图6可以看出,该加速度传感器的冲击响应曲线是一个高频阻尼振荡的曲线。由图中振荡曲线的周期,即可确定该光纤光栅传感器的自由振动圆频率约为250Hz。在实验时,应避免使振动平台的振动频率接近此自由振动圆频率,以防止悬臂梁系统产生共振,对光纤光栅加速度传感器造成损害。这种基于悬臂梁的光纤光栅加速度传感器的优点是测量精度较高,但缺点是响应频率不高。这是由于这种光纤光栅传感器中由悬臂梁、质量块组成的机械结构自身的谐振频率较低造成的。若要提高加速度传感器的响应频率,应提高机械结构的谐振频率,可以选取弹性模量较大的材料制作悬臂梁,也可以适当减小质量块的质量m。但是,在提高机械结构的谐振频率的同时,传感器的最大波长漂移范围也将相应减小,因而测量灵敏度也将下降。在具体应用时,应根据实际情况,确定出合适的测量灵敏度,进而选取相应材质的悬臂梁以及合适的质量块质量m。5测量实