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基于光纤光栅原理的加速度传感器 1 光纤光栅加速度传感器的发展 由于其抗电磁干扰、体积小、重量轻、信号长距离传输等优点，光学传感器受到了研究人员的高度重视。广泛应用于铁路、桥梁、水库、航空航天、船舶等重要领域。光纤光栅传感技术是光纤传感的重要组成方面,具备波长编码等显著优势。近年来对光纤光栅传感领域的研究不断升温,伴随着工程振动测试技术的发展及需求,光纤光栅振动加速度传感器的研究发展尤为迅速[3~9]。梁式结构因其简单且性能稳定等特点,成为光纤光栅加速度传感器常用的弹性元件,国内外学者根据悬臂梁的基本结构设计了多种形式的加速度传感器。同时由于悬臂梁自身的结构特点,该结构的振动传感器谐振频率与灵敏度相互制约严重,将该结构类的传感器限制在低频工作范围内。采用沿光纤轴向振动的弹性体结构,传感器可将弹性体的振动位移转化为光栅的应变,提高了传感器灵敏度,使光纤光栅传感器的响应频率达到几千赫兹的高频领域。同时,各国的研究人员还通过悬臂梁结构的增敏以及采用特种光纤光栅等方法来提高传感器的灵敏度和响应频率。而随着实际振动测试需求的增长,可实现多维测量的光纤光栅加速度传感器也不断得到研究开发。 本文从光纤光栅加速度传感器工作频带的高低、不同的结构形式和多维方向测量等方面阐述了该领域的最新研究成果,并介绍了本实验室在振动加速度传感器研究方面所做的工作,展望了光纤光栅加速度传感器的发展前景。 2 检测方法对比 光纤光栅直接测量的物理量是温度和应变,光纤光栅振动加速度传感器是利用光栅的波长调制原理,即利用外界的微扰振动引起的位移或应变变化来改变光栅的栅距,再转化为对应的波长变化,通过检测波长的变化信息来反映外界的振动或者加速度信息。传感器的原理框图如图1所示。 光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器常用的信号检测方法主要分两种,即光强度探测型和波长调制型。强度检测方法主要有边缘滤波、匹配滤波等,强度检测具备灵敏度和检测频率较高的优点,但检测效果容易受光源强度以及温度波动的影响,且不具备串接复用的优点。波长编码调制是光纤光栅的技术优势,采用反射波长信息作为输出信号,不受光强波动影响,且不同波长的光纤光栅可以串连复用,用于波长检测的光纤光栅解调技术也日趋成熟,因此波长解调是目前光纤光栅传感器主要的信号检测方法。 一般光纤光栅加速度传感器是由惯性质量块、弹性元件和阻尼器组成的一个单自由度的二阶系统,如图2所示。系统在外界振动的强迫力f(t)的作用下,运动方程为 式中m为惯性敏感质量,c为阻尼系数,k为弹性元件刚度,x为质量块的位移。 图3(a)和(b)分别给出了该系统在不同阻尼比值情况下的幅频特性和相频特性曲线,其中w为系统的振动频率,w0为系统的固有频率,H(w)为系统的响应幅值,θ为系统的响应相位。 幅频特性和加速度特性是加速度传感器两个最重要、最基本的参数,由幅频特性曲线可以直观地看出该传感器的工作、共振及衰减频带,由加速度特性曲线可得出其加速度线性测量范围、测量重复性等。图4(a)和(b)分别为振动传感器的幅频特性曲线及加速度特性曲线示意图。 3 在拉索及桥身振动的监测方面的应用 低频振动响应的光纤光栅加速度传感器主要应用于大型土木工程、矿山工程和地震监测等结构振动频率较低(一般在几百赫兹以内)的领域,如胡军等通过测量大型斜拉桥的拉索及桥身的振动来实时监测桥梁拉索力等结构健康状态,曾楠等通过检测垂直地震波进行油藏和地震波的探测,并取得良好工程效果。国内外关于低频光纤光栅加速度传感器的研究报道很多,其中以梁式结构最为常见,下面从不同的传感器结构设计做出阐述。 3.1 基于梁结构的低频振动传感器 3.1.1 振动传感器的发展 悬臂梁具有结构简单且性能稳定等特点,成为低频振动类光纤光栅传感器的经典弹性元件。等强度悬臂梁的振动弯曲,可以认为是纯弯曲,梁表面产生的应变是均匀分布的。使用胶黏剂将光纤光栅粘贴于等强度梁表面,振动弯曲过程中光纤光栅各部分受到的拉伸或压缩应力相同,可避免光栅因局部受力不均匀而发生的啁啾现象。图5给出了基于悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器原理图。国内外学者根据悬臂梁的基本原理设计了多种形式的加速度传感器。清华大学Shi等采用了一种等强度悬臂梁结构的传感装置消除矩形悬臂梁结构容易令光栅产生啁啾的缺点,完成了对加速度信号的测量。2006年刘波等同样采用等强度梁完成了一种低频振动传感器的设计及性能测试。2007年张东生等采用双悬臂梁结构,研制了一种基于匹配滤波解调的振动传感器,通过悬臂梁对匹配光栅静态工作点进行精确调整,使传感器集振动传感和动态波长解调于一体,并具有温度补偿功能。2008年,王广龙等提出了一种差动式FBG加速度计,如图6所示,采用主梁与微梁结合的差动结构,用高弹性刚度的主悬臂梁支撑质量块,极低弹性刚度的微梁来感受应力,微梁对