基于光纖光柵原理的加速度傳感器

基于光纖光柵原理的加速度傳感器

1光纖光柵加速度傳感器的發(fā)展由于其抗電磁干擾、體積小、重量輕、信號長距離傳輸?shù)葍?yōu)點，光學(xué)傳感器受到了研究人員的高度重視。廣泛應(yīng)用于鐵路、橋梁、水庫、航空航天、船舶等重要領(lǐng)域。光纖光柵傳感技術(shù)是光纖傳感的重要組成方面,具備波長編碼等顯著優(yōu)勢。近年來對光纖光柵傳感領(lǐng)域的研究不斷升溫,伴隨著工程振動測試技術(shù)的發(fā)展及需求,光纖光柵振動加速度傳感器的研究發(fā)展尤為迅速[3~9]。梁式結(jié)構(gòu)因其簡單且性能穩(wěn)定等特點,成為光纖光柵加速度傳感器常用的彈性元件,國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)懸臂梁的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計了多種形式的加速度傳感器。同時由于懸臂梁自身的結(jié)構(gòu)特點,該結(jié)構(gòu)的振動傳感器諧振頻率與靈敏度相互制約嚴(yán)重,將該結(jié)構(gòu)類的傳感器限制在低頻工作范圍內(nèi)。采用沿光纖軸向振動的彈性體結(jié)構(gòu),傳感器可將彈性體的振動位移轉(zhuǎn)化為光柵的應(yīng)變,提高了傳感器靈敏度,使光纖光柵傳感器的響應(yīng)頻率達到幾千赫茲的高頻領(lǐng)域。同時,各國的研究人員還通過懸臂梁結(jié)構(gòu)的增敏以及采用特種光纖光柵等方法來提高傳感器的靈敏度和響應(yīng)頻率。而隨著實際振動測試需求的增長,可實現(xiàn)多維測量的光纖光柵加速度傳感器也不斷得到研究開發(fā)。本文從光纖光柵加速度傳感器工作頻帶的高低、不同的結(jié)構(gòu)形式和多維方向測量等方面闡述了該領(lǐng)域的最新研究成果,并介紹了本實驗室在振動加速度傳感器研究方面所做的工作,展望了光纖光柵加速度傳感器的發(fā)展前景。2檢測方法對比光纖光柵直接測量的物理量是溫度和應(yīng)變,光纖光柵振動加速度傳感器是利用光柵的波長調(diào)制原理,即利用外界的微擾振動引起的位移或應(yīng)變變化來改變光柵的柵距,再轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的波長變化,通過檢測波長的變化信息來反映外界的振動或者加速度信息。傳感器的原理框圖如圖1所示。光纖布拉格光柵(FBG)加速度傳感器常用的信號檢測方法主要分兩種,即光強度探測型和波長調(diào)制型。強度檢測方法主要有邊緣濾波、匹配濾波等,強度檢測具備靈敏度和檢測頻率較高的優(yōu)點,但檢測效果容易受光源強度以及溫度波動的影響,且不具備串接復(fù)用的優(yōu)點。波長編碼調(diào)制是光纖光柵的技術(shù)優(yōu)勢,采用反射波長信息作為輸出信號,不受光強波動影響,且不同波長的光纖光柵可以串連復(fù)用,用于波長檢測的光纖光柵解調(diào)技術(shù)也日趨成熟,因此波長解調(diào)是目前光纖光柵傳感器主要的信號檢測方法。一般光纖光柵加速度傳感器是由慣性質(zhì)量塊、彈性元件和阻尼器組成的一個單自由度的二階系統(tǒng),如圖2所示。系統(tǒng)在外界振動的強迫力f(t)的作用下,運動方程為式中m為慣性敏感質(zhì)量,c為阻尼系數(shù),k為彈性元件剛度,x為質(zhì)量塊的位移。圖3(a)和(b)分別給出了該系統(tǒng)在不同阻尼比值情況下的幅頻特性和相頻特性曲線,其中w為系統(tǒng)的振動頻率,w0為系統(tǒng)的固有頻率,H(w)為系統(tǒng)的響應(yīng)幅值,θ為系統(tǒng)的響應(yīng)相位。幅頻特性和加速度特性是加速度傳感器兩個最重要、最基本的參數(shù),由幅頻特性曲線可以直觀地看出該傳感器的工作、共振及衰減頻帶,由加速度特性曲線可得出其加速度線性測量范圍、測量重復(fù)性等。圖4(a)和(b)分別為振動傳感器的幅頻特性曲線及加速度特性曲線示意圖。3在拉索及橋身振動的監(jiān)測方面的應(yīng)用低頻振動響應(yīng)的光纖光柵加速度傳感器主要應(yīng)用于大型土木工程、礦山工程和地震監(jiān)測等結(jié)構(gòu)振動頻率較低(一般在幾百赫茲以內(nèi))的領(lǐng)域,如胡軍等通過測量大型斜拉橋的拉索及橋身的振動來實時監(jiān)測橋梁拉索力等結(jié)構(gòu)健康狀態(tài),曾楠等通過檢測垂直地震波進行油藏和地震波的探測,并取得良好工程效果。國內(nèi)外關(guān)于低頻光纖光柵加速度傳感器的研究報道很多,其中以梁式結(jié)構(gòu)最為常見,下面從不同的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計做出闡述。3.1基于梁結(jié)構(gòu)的低頻振動傳感器3.1.1振動傳感器的發(fā)展懸臂梁具有結(jié)構(gòu)簡單且性能穩(wěn)定等特點,成為低頻振動類光纖光柵傳感器的經(jīng)典彈性元件。等強度懸臂梁的振動彎曲,可以認為是純彎曲,梁表面產(chǎn)生的應(yīng)變是均勻分布的。使用膠黏劑將光纖光柵粘貼于等強度梁表面,振動彎曲過程中光纖光柵各部分受到的拉伸或壓縮應(yīng)力相同,可避免光柵因局部受力不均勻而發(fā)生的啁啾現(xiàn)象。圖5給出了基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵加速度傳感器原理圖。國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)懸臂梁的基本原理設(shè)計了多種形式的加速度傳感器。清華大學(xué)Shi等采用了一種等強度懸臂梁結(jié)構(gòu)的傳感裝置消除矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)容易令光柵產(chǎn)生啁啾的缺點,完成了對加速度信號的測量。2006年劉波等同樣采用等強度梁完成了一種低頻振動傳感器的設(shè)計及性能測試。2007年張東生等采用雙懸臂梁結(jié)構(gòu),研制了一種基于匹配濾波解調(diào)的振動傳感器,通過懸臂梁對匹配光柵靜態(tài)工作點進行精確調(diào)整,使傳感器集振動傳感和動態(tài)波長解調(diào)于一體,并具有溫度補償功能。2008年,王廣龍等提出了一種差動式FBG加速度計,如圖6所示,采用主梁與微梁結(jié)合的差動結(jié)構(gòu),用高彈性剛度的主懸臂梁支撐質(zhì)量塊,極低彈性剛度的微梁來感受應(yīng)力,微梁對稱地位于主懸臂梁的兩邊,位置經(jīng)過優(yōu)化,可取得最大靈敏度。2009年姜明順等通過對懸臂梁結(jié)構(gòu)施加電磁阻尼并采用匹配濾波技術(shù),提高了傳感器的靈敏度以及信號檢測的穩(wěn)定性。由于懸臂梁自身的結(jié)構(gòu)特性,該結(jié)構(gòu)的振動加速度傳感器諧振頻率與靈敏度相互制約嚴(yán)重,為此,許多學(xué)者在懸臂梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器增敏方面做了相關(guān)研究。2011年,西北大學(xué)的王善鯉等設(shè)計研制了一種特殊三角支架結(jié)構(gòu)的懸臂梁振動傳感器,如圖7(a)所示,該三角架式支撐結(jié)構(gòu)顯著提高了傳感器的靈敏度,但同時也使傳感器的固有頻率有所降低。2012年,葉婷等根據(jù)航空結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測控制的需求,設(shè)計了一種基于弓形梁的增敏結(jié)構(gòu)的振動傳感器,如圖7(b)所示,該傳感器的測量精度達到0.002g。同年印度學(xué)者Basumallick等通過在普通懸臂梁表面上增加一聚酰亞胺層,再將光纖光柵粘貼于聚酰亞胺層上,如圖7(c)所示,在不降低傳感器諧振頻率的情況下,使傳感器的靈敏度提高了一倍,取得了較好的增敏效果。3.1.2用低場約束結(jié)構(gòu)的振動監(jiān)測2000年,Willsch等闡述了一種豎向FBG振動傳感器的原理和一種水平方向振動的振動傳感器,分別如圖8(a)和(b)所示。2個光纖光柵自身作為彈性元件,質(zhì)量塊通過L型梁和光纖光柵固定在框架內(nèi)。質(zhì)量塊在外界豎直方向振動激勵下上下擺動,帶動彈性梁左右擺動,從而使光纖光柵產(chǎn)生波長交替變化。由于光纖光柵直接作為彈性元件,該結(jié)構(gòu)的振動傳感器具備很高的靈敏度,但由于傳感器工作時光柵處于頻繁的拉伸壓縮狀態(tài),光柵易斷。2007年,同濟大學(xué)的孫汝蛟等提出了一種用于土木工程振動監(jiān)測的低頻加速度計的類似該結(jié)構(gòu);2012年,Dai等設(shè)計了一種加彈簧阻尼的加速度傳感器,并將其應(yīng)用于空氣壓縮機曲柄、連桿和汽缸的振動結(jié)構(gòu)狀態(tài)實時監(jiān)測,如圖8(c)所示。3.2預(yù)壓縮波紋管內(nèi)傳感器圖9給出的是兩種基于波紋彈簧管結(jié)構(gòu)的光纖光柵振動傳感器結(jié)構(gòu)[28~30]。該結(jié)構(gòu)的傳感器將光纖光柵固定于預(yù)壓縮的波紋管內(nèi),傳感器的性能主要由波紋管及質(zhì)量塊的特性來決定,質(zhì)量塊可以固定于圓形內(nèi)殼中,使傳感器具備良好的抗橫向干擾能力。張敬花等[31~32]提出一種彎曲伸張的彈性敏感結(jié)構(gòu),如圖10(a)所示,并基于該結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種用于低頻測量的加速度傳感器。Liu等基于平膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種加速度傳感器,如圖10(b)所示。4高頻振動傳感器高頻光纖光柵加速度傳感器的測量頻率應(yīng)達千赫茲以上?；诹菏浇Y(jié)構(gòu)的低頻振動傳感器的頻率響應(yīng)和靈敏度等指標(biāo)無法滿足機電、航空航天等領(lǐng)域高頻振動測試的要求,國內(nèi)外有關(guān)高頻響應(yīng)的光纖光柵加速度傳感器的研究報道也相對較少。低頻響應(yīng)的光纖光柵加速度傳感器的響應(yīng)頻率的調(diào)節(jié)一般都可通過改變彈性結(jié)構(gòu)中質(zhì)量塊質(zhì)量的大小來實現(xiàn),獲得不同的低頻工作頻帶較為容易,而需測量頻率達到上千赫茲的高頻范圍時,傳統(tǒng)的低頻梁式結(jié)構(gòu)會因響應(yīng)頻率和輸出靈敏度的嚴(yán)重制約而無法實現(xiàn)。目前高頻響應(yīng)的振動傳感器一般是通過增加光纖光柵的彈性結(jié)構(gòu)系數(shù)且沿光柵的軸向振動,或者通過采用更高應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)的特種光纖光柵來實現(xiàn)的。Meyer采用四根彈簧作為彈性元件,將光纖光柵傳感器的測量頻率范圍拓展至高頻區(qū)域,但是,這種結(jié)構(gòu)仍然將力直接作用于光纖光柵上,容易折斷,且4個彈簧不易調(diào)整至受力均衡狀態(tài)。2009年,本實驗室張東生等將串接有兩個光柵的光纖封裝至不銹鋼管內(nèi),沿豎直方向振動的質(zhì)量塊帶動上下兩段鋼管分別產(chǎn)生互為反向的應(yīng)變,兩個光柵的波長隨著振動做互為反向漂移的周期改變。由于鋼管具有較大的彈性系數(shù),使傳感器的諧振頻率達到了3232Hz。采用比普通石英光纖光柵具備更高應(yīng)變靈敏度的微結(jié)構(gòu)聚合物光纖光柵,著名的振動測試儀器制造商B&K公司的研究人員設(shè)計了一種諧振頻率可達3.1kHz,靈敏度達20pm/g的高頻加速度傳感器如圖11所示,為高頻振動加速度傳感器的研究帶來最新的高水平成果。本實驗室設(shè)計了一種全金屬化封裝的高頻加速度傳感器。結(jié)合磁控濺射和電鍍技術(shù)先對普通光纖光柵進行金屬鍍膜,將金屬鍍膜后的光纖光柵作為傳感器彈性元件,提高了彈性系數(shù)又避免了對裸光柵的直接拉伸。采用錫焊的方法完成鍍銅光纖光柵與質(zhì)量塊和傳感器基體的固定。在封裝工藝過程中完全用金屬實現(xiàn)光纖光柵的封裝,避免了使用環(huán)氧膠黏劑封裝帶來的膠水老化、蠕變等問題。圖12為該金屬封裝傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖和照片。該傳感器諧振頻率可達2800Hz。5光纖光柵檢測傳感器在一些特殊的應(yīng)用場合,如航空航天、機器人和汽車碰撞等領(lǐng)域需要測量多維的振動或加速度信息,國內(nèi)外關(guān)于光纖光柵加速度傳感器的研究報道多集中在用于單一方向測量的傳感結(jié)構(gòu)體上,而光纖光柵多維加速度/振動傳感器的研究報道較少。Morikawa等通過在質(zhì)量塊三維方向上打孔(如圖13所示),將三對光纖光柵穿過圓孔并用膠黏劑固定,實現(xiàn)三維加速度測量。Fender等利用一根多模光纖上的4個周向90°分布的光柵感測兩個方向的加速度,具備二維測量能力及溫度補償功能,該傳感器制作精密,諧振頻率可達3kHz,但多模光柵以及傳感器自身的制備過程較為復(fù)雜。美國MOI公司推出了一種三分量加速度傳感器,將3個os7100型一維加速度傳感器在三維方向上組合而成,圖14給出了該傳感器的照片。國內(nèi)關(guān)于多維光纖光柵型加速度傳感器的研究也大多采用組合式結(jié)構(gòu),即將多個單維傳感器組合后,整體具備多維測量功能。如曾楠等通過使用3個單方向傳感單元分別測量各個方向的加速度,提出了一種用于油藏監(jiān)測的三分量加速度傳感器,由3個單方向測量傳感器疊加而成。劉波等提出的“光纖光柵三維加速度/振動傳感器”,同樣是將3個分別粘貼有光纖光柵的懸臂梁固定在3個互相垂直的平面上,進行三維加速度測量。蔣奇等提出的“三分量光纖光柵振動傳感器”,將3個光纖光柵固定于3個相互垂直的橡膠塊上,外界加速度通過一椎體作用于橡膠塊上,使光纖光柵波長發(fā)生變化。本實驗室提出了一種基于“鋼管-質(zhì)量塊”彈性結(jié)構(gòu)體的光纖光柵加速度傳感器,如圖15所示,4個光纖光柵按相應(yīng)規(guī)則粘貼于鋼管表面,通過兩兩組合的光柵對的波長變化量的差值感測彈性結(jié)構(gòu)體不同方向的振動加速度,實現(xiàn)二維測量及溫度補償,該傳感器具備一體化結(jié)構(gòu)和良好的抗干擾能力。6振動加速度傳感器的應(yīng)用趨勢伴隨著光纖光柵技術(shù)的蓬勃發(fā)展,國內(nèi)外對于光纖光柵加速度傳感器的研究不斷升溫,相繼研究開發(fā)了不同結(jié)構(gòu)、不同應(yīng)用場合和新型傳感材料等類型的加速度傳感器。闡述了光纖光柵加速度傳感器的基本原理、分類及目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。光纖光柵加速度傳感器技術(shù)正處在由實驗研究逐步走向?qū)嶋H產(chǎn)品應(yīng)用的階段,目前光纖光柵加速度傳感器的兩個主要技術(shù)指標(biāo)即靈敏度和諧振頻率仍無法滿足很多領(lǐng)域的應(yīng)用,如目前報道的最高諧振頻率也不過幾千赫茲,與傳統(tǒng)的壓電原理的加速度傳感器諧振頻率達幾十萬赫茲相比仍有很大差距