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光纤光栅加速度传感器技术研究
点击次数:7082 发布时间:2011-03-24
  目前,光纤光栅加速度传感器多采用“块簧式”结构,即将光纤光栅通过某种方式(如某种结构的弹性元件)与一个质量块连接在一起。质量块受外界振动产生的惯性力作用在光纤光栅上,使光纤光栅产生伸长或压缩,从而导致中心反射波长(或其它参数,如反射光强)的变化,通过检测波长(或其它参数)的漂移量实现加速度的测量。典型的FBG加速度传感器结构这里,a为待测加速度。从以上分析可以看出,传感器的固有频率和灵敏度之间是互相制约的,减小光纤长度或质量块质量能够提高固有频率,从而增大传感器的频率响应范围,但同时灵敏度也随之降低。所以,光纤光栅加速度计的结构参数决定了传感器的各项性能指标,如频率响应范围、zui大检测值、传感器的灵敏度等等。根据实际需要合理设计传感结构,选择合适的结构参数及质量块质量,可优化传感器的性能。
  
  光纤光栅加速度传感的方法
  
  由于裸光纤光栅的机械性能差,无法实用,经过适当封装不仅可以保护光栅,还能达到增敏的目的。近年来,研究者们提出了多种基于不同封装的光纤光栅加速度计:
  
  弹性顺变体结构该结构由美国的Berkoff和Kersey提出[2],如图2所示。将光纤光栅埋置在纤闪石弹性材料中,形成厚约8mm的矩形顺变体结构,用两个尺寸相同的铝板充当质量块和基底,固定在顺变体的上下表面。顺变体受质量块惯性力的作用发生弹性形变,作用在光纤光栅上,引起光纤光栅反射波长的漂移。实验结果表明,该方法具有较宽的工作频带,10~2KHz的平坦响应区间,探测精度为1mg/√Hz。但此结构没有解决交叉串扰问题,且振动过程中光栅容易产生横向应变,导致光纤的双折射,使光纤光栅反射谱发生分裂,影响测量精度。
  
  性梁结构1998年,Tod等人[3]提出了基于弹性梁的光纤光栅加速度传感器。弹性元件由两个互相平行的弹性梁组成,梁的两端分别固定在铝框上,如图3所示。将质量块制成六边形,点焊在双梁之间。光纤光栅粘贴在下梁底面的中间位置,以便产生zui大位移,获得zui大的灵敏度。
  
  此结构的共振频率可达1kHz,灵敏度为212.5me/g,且抗横向干扰能力强,交叉去敏度<1%。
  
  但光纤光栅所受应变是非均匀的,容易导致光栅啁啾,影响测量的分辨率。
  
  为了解决光纤光栅轴向应变不均的问题,提出了基于L型悬臂梁的光纤光栅加速度计[4,5],如图4所示。L形刚性悬臂梁一端与质量块相连,另一端通过片簧与外部钢架相连。将光纤光栅一端固定在梁上(图中A点),另一端固定在钢架上(图中B点),片簧用来降低交叉串扰的影响。质量块在外界振动的作用下产生的惯性力,经L形梁利用杠杆原理放大后传递给光纤光栅,使其产生轴向应变,从而引起光纤光栅反射波长的漂移。此方法将光纤光栅两端直接固定在钢架上,避免了栅区胶粘引起的不均匀,且光纤光栅仅受轴向应变,不会出现啁啾现象,有利于提高传感器的分辨率,可用于高灵敏度、低频测量领域。
  
  2003年,ZhuY.N.等人[6]提出了不等强度悬臂梁结构,主要利用不等强度梁对光纤光栅的啁啾效应。如图5所示,将光纤光栅粘在末端带有一个质量块的不等强度悬臂梁上(如矩形悬臂梁),外界振动引起梁弯曲,由于沿梁长度方向的不同位置应变不同,导致光纤光栅的啁啾化,使其反射谱展宽,zui终使反射光强发生变化,通过检测啁啾反射谱光强的大小,实现测量加速度的目的。由于温度变化仅能导致反射波长的漂移,对啁啾反射光强影响不大,因此可实现温度补偿,在-20~40℃范围内,输出信号浮动小于5%。实验测得线性输出范围达8g,动态范围26dB。此方法不用额外的装置实现了温度补偿,由于解调系统简单、便宜,降低了检测成本。但传感器的动态探测范围受反射光强和加速度之间线性关系的影响,也容易受到光源强度波动的影响,测量精度不高。
  
  1999年,YuYoulong等人[7]提出了等强度悬臂梁无啁啾调谐方式,通过梁的弯曲实现了光纤光栅反射波长的线性调谐。2003年,ShiC.Z.等人[8]将此方法应用在加速度测量上,如图6所示。将光纤光栅粘在三角形悬臂梁的中心线上,梁的底边固定在基座上,顶点处固定质量块。由于加速度作用下光纤光栅所受应变始终是均匀的,测量精度较高,为0.28mg/√Hz,且传感探头仅受单方向加速度的影响,交叉串扰低。但结构的固有频率较低,适用于低频测量。
  
  双光纤光栅结构此结构利用两个光纤光栅反射波长差与反射光功率之间在某一区域的线性关系,将加速度导致的波长变化转换为光强变化,通过探测光强大小实现振动的测量。这种结构具备两个优点:1)由于两个光纤光栅处于同一温度环境下,温度引起的波长漂移可以互相抵消,实现了温度补偿;2)两个光纤光栅均参与结构中,当一个光栅被压缩时,另一个被拉伸,使得探测的波长变化量与单光栅相比增加了一倍,灵敏度也提高了一倍。
  
  2000年,KrammerPeter等人[9]提出了如图7所示的结构。它由两个反射光谱部分交叠的光纤光栅组成,两光栅之间由质量块连接。宽带光源发出的光波,依次被FBG1、FBG2反射后进入探测器。质量块的位移使光纤光栅反射波长沿不同方向漂移,引起光纤光栅反射谱交叠区域的增大和减少,从而导致反射光能量的减少和增加。
  
  加速度计模型。三对光纤光栅作为弹性元件,分别从垂直交叉于质量块中心的三个孔中穿出并对称地固定于孔内,如图8所示,每对光纤光栅串联在一根光纤上,每根光纤的两端由外部钢架固定。文中仅对垂直方向振动进行了实验,结果显示了输出信号与加速度之间良好的线性关系,证实了温度补偿的有效性,40~750Hz的平坦响应区间。
  
  2003年,余有龙等人[11]提出了双光纤光栅有源振动检测装置,如图9所示。将双光纤光栅对称粘贴在等强度悬臂梁的上下表面,并将其作为环形腔光纤激光器端镜。当振动信号作用在梁的自由端时,通过观察激光输出脉冲及双光栅波长漂移量差值的变化,实现振动频率及幅值的检测。实验表明,振幅测量范围在0-6.1mm,低于100Hz条件下,实验结果与实际值基本吻合。
  
  2006年,TengLi等人[12]设计了主梁与微梁相结合的差动式结构,如图10所示。主悬臂梁两边对称地放置两个微梁,主梁和微梁连着同一个质量块,双光纤光栅分别粘在两个微梁上。当质量块受加速度作用时,其中一个微梁被拉伸、另一个被压缩。采用高弹性刚度的主梁支撑质量块,低弹性刚度的微梁感受力的作用,实现了不降低灵敏度的同时显着地提高系统的固有频率。理论分析表明,该结构的灵敏度可以达到53.1pm/g,谐振频率为250Hz,是同等灵敏度普通悬臂梁结构的3倍。结构中将传感器灵敏度和谐振频率分开考虑,增加了设计的灵活性。
  
  2008年,WuZhaoxia等人[13]提出了如图11所示的结构。该结构由质量块(M)、四个条形弹簧片(B)和两个内置光纤光栅的波导桥(C)组成。四个弹簧片起到支撑质量块和约束振动方向的作用,波导桥由低折射率、可拉伸和压缩的硅材料制成。质量块受振动产生的惯性力作用在波导桥上,使其内置的两个光纤光栅反射波长产生互为相反的漂移。实验测得响应频率为1kHz,加速度测量范围4.3m/s2~340m/s2,分辨率达到7.5×10-7nm/√Hz。
  
  2009年,张东生等人[14]提出了钢管式封装结构。如图12所示,将光纤光栅1、2串联后封装在细钢管内,质量块穿过钢管固定在两个光纤光栅中间,钢管的两端固定在底座和端盖上。此结构的工作原理同上述结构类似,但采用钢管式封装使传感器的谐振频率大大提高,可达3kHz以上,线性测量范围0.1~4g,灵敏度669mV/g。但文中没有提到交叉串扰对传感器的影响。
  
  除上述结构外,2007年,GregoryH.A.等人[15]提出了基于掺铒光纤激光器的新型结构。
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