基于fbg的加速度傳感器

基于fbg的加速度傳感器

0光纖加速度傳感器加速度傳感器廣泛應(yīng)用于航空航天、海上工程、地震、石油、橋梁、機(jī)械、軍事等領(lǐng)域。近年來(lái),基于光纖傳感技術(shù)的光纖加速度傳感器以其抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕、動(dòng)態(tài)范圍寬、精度高、能在惡劣環(huán)境下工作的優(yōu)勢(shì)得到了迅猛發(fā)展。光纖布拉格光柵(FBG)加速度傳感器是一種新型的波長(zhǎng)調(diào)制型光纖加速度傳感器,除具有上述優(yōu)點(diǎn)外,還具有光路簡(jiǎn)單、檢測(cè)方法靈活、對(duì)光源強(qiáng)度波動(dòng)及外界干擾不敏感、便于組成傳感網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn),因此成為加速度傳感器新的研究領(lǐng)域和未來(lái)發(fā)展的方向。1bragg波長(zhǎng)著力變化FBG的傳感原理如圖1所示,根據(jù)光纖耦合模理論,當(dāng)寬帶光在光纖光柵中傳輸時(shí),產(chǎn)生模式耦合,滿(mǎn)足Bragg條件的光被反射:λB=2neffΛ(1)λB=2neffΛ(1)式中,neff為光纖纖芯有效折射率,Λ為Bragg光柵的周期。Λ和neff受到外界環(huán)境的影響(溫度、應(yīng)力)而發(fā)生變化,導(dǎo)致符合Bragg條件的波長(zhǎng)發(fā)生漂移ΔλB,由式(1)可得:ΔλB=2ΔneffΛ+2neffΔΛ(2)ΔλB=2ΔneffΛ+2neffΔΛ(2)軸向應(yīng)力變化引起的Bragg波長(zhǎng)漂移為ΔλB/λB=(1-pe)ε(3)ΔλB/λB=(1?pe)ε(3)式中,pe為有效彈光系數(shù),ε為應(yīng)變量。溫度引起的Bragg波長(zhǎng)漂移為ΔλB/λB=(α+β)ΔΤ(4)ΔλB/λB=(α+β)ΔT(4)式中,α為材料的熱膨脹系數(shù),β為熱光系數(shù)。從式(3)、(4)中可以看出,通過(guò)測(cè)量FBG的中心反射波長(zhǎng)變化,可以探知外界條件的變化。2交付函數(shù)速度傳感器的操作原理2.1加速度傳感器的頻率特性評(píng)估加速度傳感器的種類(lèi)很多,但其力學(xué)原理主要是基于質(zhì)量慣性模型,理想情況下,每個(gè)傳感探頭就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量慣性體系,如圖2所示。它是一個(gè)由慣性質(zhì)量m、彈性體k和阻尼器c組成的二階單自由度系統(tǒng)。根據(jù)模型可以得到加速度傳感器的幅頻響應(yīng)函數(shù)為|Η(jω)|=k√(1-(ωω0)2)2+(2ξωω0)2(5)式中,ω0=√k/m為系統(tǒng)的固有本征角頻率,ξ=0.5√c/m為系統(tǒng)的阻尼比。通過(guò)式(5),經(jīng)分析可以得出:加速度傳感器的頻率特性可用兩個(gè)特征參數(shù)ξ和ω0來(lái)評(píng)估。在ξ一定情況下,ω0越大輸出特性平坦區(qū)越寬,動(dòng)態(tài)特性也越好,因此傳感器的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)的最高工作頻率;在確定固有頻率ω0時(shí),當(dāng)ξ=0.6～0.7時(shí),具有最寬的幅頻特性平坦區(qū),因此傳感器要工作在臨界阻尼或欠阻尼狀態(tài)下。2.2fbg的加速度特性FBG加速度傳感器探頭結(jié)構(gòu)類(lèi)型有很多,但基本的原理性結(jié)構(gòu)是一樣的,通過(guò)對(duì)基本原理性結(jié)構(gòu)(如圖3)的分析來(lái)說(shuō)明其工作原理。慣性體m在外界加速度的作用下產(chǎn)生慣性力,使FBG的軸向應(yīng)變發(fā)生了變化,反射波長(zhǎng)λB產(chǎn)生漂移ΔλB,通過(guò)相應(yīng)的解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)出ΔλB,從而獲得外界加速度的大小。根據(jù)材料力學(xué),結(jié)合式(3)可以得到該結(jié)構(gòu)的固有頻率和加速度靈敏度:f0=12π√EAmL(6)S=Δλ(0)a=0.78λBmEA(7)式中,E、A和L分別為FBG的彈性模量、截面面積和長(zhǎng)度。根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域,可以通過(guò)改變質(zhì)量塊的質(zhì)量和探頭的結(jié)構(gòu)來(lái)改變傳感器的固有頻率和對(duì)應(yīng)的工作頻段。3對(duì)薄熙來(lái)分光速度結(jié)構(gòu)的分類(lèi)和研究3.1橡膠內(nèi)加速度機(jī)構(gòu)美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室T.A.Berkoff等人于1998年設(shè)計(jì)了一種嵌入式結(jié)構(gòu),如圖4所示。FBG被嵌在彈性體(橡膠)內(nèi),當(dāng)質(zhì)量塊受振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力作用在彈性體上時(shí),嵌入其中的FBG受到壓或拉的作用,中心波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移,解調(diào)出波長(zhǎng)的變化即能得到相應(yīng)加速度的大小。這種結(jié)構(gòu)的加速度靈敏度大約為135pm/g,固有頻率約為2kHz,適合高頻探測(cè)。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是:橫向交叉靈敏度比較大;受溫度的影響較大;FBG容易產(chǎn)生啁啾和多峰現(xiàn)象。3.2梁式結(jié)構(gòu)3.2.1撓性梁中心波長(zhǎng)的固定M.D.Todd等人于1998年設(shè)計(jì)了一種雙撓型梁式結(jié)構(gòu),如圖5所示。該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)平行矩形金屬板和質(zhì)量塊組成,質(zhì)量塊焊接在兩個(gè)金屬板之間,FBG被固定在下面的金屬板外側(cè)中央處,質(zhì)量塊受到振動(dòng)產(chǎn)生慣性力作用在撓性梁,撓性梁彎曲使固定其上的FBG中心波長(zhǎng)改變。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為:有較好的加速度靈敏度,約為255pm/g(質(zhì)量塊的大小決定);固有頻率約1kHz;橫向交叉靈敏度小于1%;噪聲比較低。缺點(diǎn)是:由于FBG受力不均勻,容易出現(xiàn)啁啾和多峰現(xiàn)象,測(cè)量精度比較低。3.2.2轉(zhuǎn)動(dòng)軸式傳感器日本A.Mita等人于2000年設(shè)計(jì)了一種“L”型懸臂梁結(jié)構(gòu),如圖6所示。該結(jié)構(gòu)由“L”形懸臂、質(zhì)量塊m、彈簧和FBG組成。光纖被固定在框架上,FBG在A(yíng)和B點(diǎn)之間,在外界加速度作用下,質(zhì)量塊受迫振動(dòng),“L”形懸臂會(huì)將振動(dòng)直接轉(zhuǎn)化為光柵的均勻應(yīng)變。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為:固有頻率約為49Hz;靈敏度可達(dá)600pm/g;采用轉(zhuǎn)動(dòng)軸使傳感器結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,消除幾何非線(xiàn)性的影響,橫向交叉靈敏度大約為4%;可改進(jìn)為雙光柵溫度自補(bǔ)償型。該結(jié)構(gòu)加速度傳感器靈敏度和頻率特性較好,可以滿(mǎn)足低頻振動(dòng)需求,目前已應(yīng)用到日本海底地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中。3.2.3差動(dòng)式懸臂梁結(jié)構(gòu)國(guó)內(nèi)對(duì)等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)的研究比較多。鞏憲鋒等人設(shè)計(jì)了一種普通懸臂梁結(jié)構(gòu),采用矩形懸臂梁,這種結(jié)構(gòu)固有頻率為67Hz,靈敏度不高,約為80pm/g;清華大學(xué)的曾楠設(shè)計(jì)了一種等腰三角形懸臂梁結(jié)構(gòu),消除了矩形梁結(jié)構(gòu)容易使光柵產(chǎn)生啁啾的缺點(diǎn);劉惠蘭等人設(shè)計(jì)了一種差動(dòng)式懸臂梁結(jié)構(gòu),采用主梁與微梁結(jié)合的方式,固有頻率提高到250Hz,可以進(jìn)行溫度自補(bǔ)償。ZhangYan等人設(shè)計(jì)了一種新型的等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,具有代表性,下面介紹這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。如圖7所示,該結(jié)構(gòu)主要由支撐桿、主梁、輔助梁、質(zhì)量塊m和FBG組成,其傳感原理和普通懸臂梁結(jié)構(gòu)一樣,其獨(dú)有的特點(diǎn)有:(1)主梁使用了碳纖維復(fù)合材料,這種材料對(duì)FBG的作用力比較均勻,線(xiàn)性度比較好;同時(shí)它減輕了梁臂的重量,而且可以在高壓高溫的環(huán)境下使用;(2)使用了輔助梁,減小了橫向加速度的影響,從而減小了橫向交叉靈敏度;(3)使用動(dòng)圈式電磁阻尼代替了用膠粘的方法,提高了傳感器靈敏度,擴(kuò)大了頻率測(cè)量范圍。該結(jié)構(gòu)的工作頻率范圍為10～200Hz,有較好的靈敏度,目前已應(yīng)用到石油勘探領(lǐng)域。3.2.4質(zhì)量塊、彎張梁、fbg的組成ZhangJinghua等人設(shè)計(jì)了一種彎張梁結(jié)構(gòu),如圖8所示。主要由支撐桿、質(zhì)量塊、彎張梁和FBG組成,FBG固定在彎張梁上。質(zhì)量塊受到振動(dòng)作用于彎張梁,彎張梁彎曲或伸張從而使固定其上的FBG中心波長(zhǎng)改變。該結(jié)構(gòu)的固有頻率為16.7Hz,有很好的低頻頻率范圍1～10Hz,加速度靈敏度約為410pm/g。3.2.5雙光柵傳感器SunLimin等人設(shè)計(jì)了一種特殊梁式結(jié)構(gòu),如圖9所示。該結(jié)構(gòu)由質(zhì)量塊、彈性梁和兩個(gè)光柵組成,兩個(gè)光柵被兩個(gè)可以校準(zhǔn)的螺母預(yù)加應(yīng)力,整個(gè)系統(tǒng)裝在一個(gè)充滿(mǎn)阻尼液體的矩形箱內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為:阻尼液的使用保證了系統(tǒng)阻尼比,傳感器有很好的幅頻特性;雙光柵可以抑制溫度交叉敏感;可以根據(jù)需要探測(cè)的信號(hào)的頻率范圍和光柵可承受的應(yīng)力范圍進(jìn)行靈活的設(shè)計(jì),加速度靈敏度可以達(dá)到2000pm/g。3.3芯軸結(jié)構(gòu)3.3.1傳感殼結(jié)構(gòu)ZhangWentao等人設(shè)計(jì)了一種單柱體結(jié)構(gòu),如圖10所示。該結(jié)構(gòu)主要由傳感殼、質(zhì)量塊、兩個(gè)隔板和FBG組成,這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:使用了兩個(gè)彈性隔板,增加了變形,同時(shí)減小了橫向受力的影響;加速度靈敏度大約為70pm/g,頻率范圍為5～200Hz。3.3.2金屬波紋管及光柵固定張敬花等人設(shè)計(jì)了一種金屬波紋管結(jié)構(gòu),如圖11所示。該結(jié)構(gòu)主要由金屬波紋管、質(zhì)量塊和外殼等組成。金屬波紋管上端固定在外殼上,下端固定在質(zhì)量塊上,光柵固定在金屬波紋管的兩端,質(zhì)量塊受振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力作用于金屬波紋管,使固定其上的FBG產(chǎn)生軸向應(yīng)變。該結(jié)構(gòu)使的特點(diǎn)是:用金屬波紋管作為阻尼元件,可以減小橫向交叉靈敏度、FBG受力均勻避免啁啾、同時(shí)可提高靈敏度;固有頻率約為135Hz,靈敏度約為550pm/g。3.3.3對(duì)于彈性體的作用于洋等人設(shè)計(jì)了一種對(duì)稱(chēng)推挽式結(jié)構(gòu),如圖12所示。該結(jié)構(gòu)主要由彈性體、質(zhì)量塊、連接座和FBG組成,上下對(duì)稱(chēng)。彈性體通過(guò)連接座與質(zhì)量塊連接,FBG嵌入到彈性體內(nèi),質(zhì)量塊受到振動(dòng)的慣性力作用于彈性體,從而作用于FBG。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)具有溫度自補(bǔ)償功能;方向性好;能夠擴(kuò)張到三維;頻率范圍和靈敏度可通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活控制。頻率范圍約為0～100Hz,靈敏度約為546pm/g。4fbg加速度傳感器將進(jìn)入使用的范疇內(nèi)各領(lǐng)域,將發(fā)展成基于FBG原理的加速度傳感器發(fā)展非常迅速,不斷有新型高性能指標(biāo)的結(jié)構(gòu)出現(xiàn),但實(shí)現(xiàn)工程中的大規(guī)模推廣還需要攻克一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題:(1)工程應(yīng)用中,環(huán)境比較復(fù)雜,且需要獲得三維加速度信息,因此,需要發(fā)展能在特殊環(huán)境下工作的三維結(jié)構(gòu)的FBG加速度傳感器;(2)在地震監(jiān)測(cè)、石油勘探和近海岸預(yù)警等領(lǐng)域,需要探測(cè)的地震波信號(hào)頻率非常低,甚至低于0.01Hz,所以在傳感系統(tǒng)中,對(duì)光源的低頻噪聲,對(duì)探頭的靈敏度和克服溫度漂移等環(huán)境因素都需要進(jìn)一步研究;(3)實(shí)際應(yīng)用中,我們得到的傳感振動(dòng)信號(hào)將非常微弱,提高結(jié)構(gòu)靈敏度的同時(shí),如何能實(shí)現(xiàn)這種極微弱信號(hào)的高精度、高穩(wěn)定性信號(hào)解調(diào)也是關(guān)鍵。伴隨著關(guān)鍵技術(shù)的解決,未來(lái)FBG加速度傳感器的發(fā)展將是一體化的傳感網(wǎng)絡(luò),包括穩(wěn)定的低噪聲光源、小型化高靈敏度的探頭結(jié)構(gòu)、適合特殊環(huán)境的封裝技術(shù)、高精度高穩(wěn)定性的信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)和合理的傳感網(wǎng)絡(luò)布局等等。相信FBG加速度傳感器將在地震監(jiān)測(cè)、石油天然氣勘探、建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)以及地面和近海岸安全警戒等領(lǐng)域得到快速發(fā)展。發(fā)展FBG加速度傳感器技術(shù)對(duì)于我國(guó)國(guó)防和現(xiàn)代化建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)意