光纖光柵加速度傳感器

報(bào)告設(shè)計(jì)名稱：光纖光柵加速度傳感器傳感器功能描述：加速度傳感器是利用物體的慣性測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)情況的一類慣性傳感器。它的輸出是與運(yùn)載體的運(yùn)動(dòng)加速度成比例或者具有一定關(guān)系的信號(hào)。加速度傳感器的基本原理是基于牛頓經(jīng)典力學(xué)，即牛頓第二定律：物體在外力的作用下將產(chǎn)生加速度，其大小與所加外力成正比，與物體質(zhì)量成反比，方向與作用力的方向一致。光纖光柵加速度傳感器是通過(guò)質(zhì)量塊在外力的作用下帶動(dòng)彈性體發(fā)生形變，從而帶動(dòng)固定在彈性體上的光纖發(fā)生形變，從而使光纖光柵的光柵常數(shù)發(fā)生改變，達(dá)到改變輸出波長(zhǎng)的目的，這樣通過(guò)測(cè)量輸出波長(zhǎng)的漂移量就可以得到所測(cè)的加速度的具體值。傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域：光纖光柵加速度傳感器與其他電子類加速度傳感器相比，具有本質(zhì)防電、抗電磁干擾、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)和靈敏度高等特點(diǎn)，因此光纖加速度傳感器與電子類加速度傳感器相比具有更廣闊的應(yīng)用空間。光纖光柵加速度傳感器可應(yīng)用于汽車、船舶、橋梁、航空航天和振動(dòng)監(jiān)測(cè)等多個(gè)方面。傳感器設(shè)計(jì)指標(biāo)：此光纖傳感器是由光纖光柵和鋼結(jié)構(gòu)以及質(zhì)量塊組成的系統(tǒng)，傳感器的諧振頻率極大的提高。將兩個(gè)光纖光柵分別固定在兩個(gè)彈性鋼結(jié)構(gòu)上，通過(guò)感知鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)到光波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換。此傳感器的設(shè)計(jì)諧振頻率應(yīng)該達(dá)到3000Hz以上，并且應(yīng)該具有較高的靈敏度和較大的線性測(cè)量范圍。傳感器的基本原理：FBG加速度傳感器是將光纖光柵固定在鋼片上，當(dāng)傳感器外部有加速度時(shí)，鋼片會(huì)發(fā)生形變從而引起光纖光柵的形變，由下式九二2Aneff式中入為FBG反射的波長(zhǎng)，A是光柵周期，n坊是光纖光柵的有效折射率。當(dāng)光纖光柵發(fā)生形變時(shí)，光纖光柵的光柵常數(shù)八發(fā)生改變，導(dǎo)致其輸出波長(zhǎng)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量光纖光柵輸出波長(zhǎng)的漂移量，即可得到加速度。根據(jù)光纖光柵波長(zhǎng)與應(yīng)變變化關(guān)系式和彈性系統(tǒng)中加速度與應(yīng)變的關(guān)系：F2ESESea=—=e=m4m2m可得到：

AX2maG-Pe)"XES其中上式中Pe二0.22是光纖的彈光系數(shù)，E為鋼片的彈性模量。上式為光纖光柵波長(zhǎng)改變量與加速度的線性變化關(guān)系。根據(jù)上述公式可得到鋼片的彈性系數(shù)為K二竺L由此得到系統(tǒng)的無(wú)阻尼諧振頻率：f_丄：2ES

02k2兀、ML下面兩圖分別是傳感器中彈性元件的尺寸示意圖和將彈性元件簡(jiǎn)化為彈簧的示意圖。由于彈性元件的材料為鋼，鋼具有較高的彈性模量，可以彈性元件分割成如圖中虛線所示六部分，并且每個(gè)部分受力變形時(shí)為線性變形，所以可以分別簡(jiǎn)化為彈簧。同時(shí)，光纖本身也具有一定的彈性，所以可以將光纖也簡(jiǎn)化為一根彈簧，就有如下圖所示的七根彈簧一起作用在質(zhì)量塊上。此時(shí)系統(tǒng)的無(wú)阻尼諧振頻率可由各個(gè)彈簧總的諧振頻率加和求出為：f_f+f+f+f+f+f+f1234567即1.2ES：2ES2ES_2k(2溢+2隔+2丫1.2ES：2ES2ES

傳感器的外殼以及彈性元件材料都為鋼，可以使用機(jī)床直接進(jìn)行加工。各個(gè)部分都加工好之后，將光纖光柵用膠水固定在彈性元件之上，然后將彈性元件以及質(zhì)量塊一起安裝到傳感器的鋼制殼體中進(jìn)行封裝。傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):（AUTOCAD設(shè)計(jì)）

I1l1光纖光柵加速度傳感器中的光纖光柵通過(guò)飛秒激光配合相位掩膜板可以在光纖中直接寫(xiě)入需要的光柵。光纖光柵加速度傳感器的外殼以及彈性元件均采用45#鋼。傳感器的彈性元件中各部分的尺寸較小所以應(yīng)使用精度較高的機(jī)床來(lái)進(jìn)行加工。光纖光柵加速度傳感器比較敏感，質(zhì)量塊質(zhì)量的大小對(duì)傳感器的性能影響很大，所以質(zhì)量塊進(jìn)行加工時(shí)必須滿足設(shè)計(jì)時(shí)的質(zhì)量，并且要求誤差很小。其余傳感器外殼部分正常加工即可。安裝時(shí)，為使彈性元件和質(zhì)量塊不發(fā)生竄動(dòng)外殼的兩端固定彈性元件部分可選擇過(guò)盈安裝。并且需要在外殼兩端用膠水將光纖光柵固定。完成安裝后，在光纖光柵兩端熔接足夠長(zhǎng)的傳導(dǎo)光纖用于數(shù)據(jù)的傳輸。傳感器的標(biāo)定測(cè)試：加速度傳感器的標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)主要包括軟件和硬件兩部分。其中硬件部分主要包括振動(dòng)臺(tái)、信號(hào)源、功率放大器、電荷放大器和在控制箱?？刂葡涫窍到y(tǒng)主控設(shè)備，其內(nèi)部設(shè)有底層單片機(jī)，采集測(cè)試過(guò)程中的模擬信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)上傳給計(jì)算機(jī)；同時(shí)接收計(jì)算機(jī)的數(shù)字指令，傳送給信號(hào)源，驅(qū)動(dòng)信號(hào)源，經(jīng)功率放大后控制試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行激勵(lì)掃頻。數(shù)字化標(biāo)定系統(tǒng)組成如圖所示：輸出打印"電荷