增敏型光纤光栅加速度传感器设计.pdf

2015年
仪来故术与传罨
第1期
Instrument Technique and Sensor
增敏型光纤光栅加速度传感器设计
王侃
(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆40009;2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆400037)
摘要:基于等强度梁与垫高块相结合结构,将双光栅串联并将光栅栅区两端分别固定在等强度梁上下的垫高块之间,
避免出现啁啾或多峰现象,推爭了传感器力学模型,该结构提高了传感器的灵敏度,同时很好的别除了温度的影响;数值
优化得出传感器几何参数,建立了三维模型;通过數值仿真得出了传感器应变及模态特性;对样机进行了幅频及灵敏度实
验,结果数据与前面设计仿真比較吻合。
关键词:光纤光栅;加速度传感器;灵敏度;固有频率
中图分类号:TP212.1
文献标识码:A
文章编号:1002-1841(2015)01-0010-03
Enhanced-sensitivity Fiber Grating Acceleration Sensor Design
WANG Kar
(1.Chongqing Research Institute of China Coal Technology&Engineering Group Corporation, Chongqing 400039, China
2.Gas disaster monitor and emergency State Key Laboratory, Chongqing 400037, China
Abstract Based on the structure of the combination of equal intensity beam and high block, both ends of the gate region of
double rating series were fixed respectively between the top and bottom of the high blocks of equal intensity beam, thus avoiding
the phenomena of chirp and multimodal. The mechanical model of the sensor was deduced, thus improving the sensitivity of the sen-
sor and removing the temperature affects. Gcometry parameters of the sensor were derived from numerical optimization, and three-di
mensional model was created Through numerical simulation, strain and modal characteristics of the sensor were obtained. The exper-
iments on amplitude-frequency and sensitivity of the rototype were completed, and the results are comparatively consistent with the
simulation
Key words: fiber grating; acceleration sensor; sensitivity; natural frequency
0引言
动情况。这里采用等强度梁和质量块的力学模型作为加速度
光纤光栅加速度传感器与传统加速度传感器相比,不但能传感器传感单元。
抗电磁干扰,而且体积小、质量轻、动态范围宽、精度高、能在恶
当梁的三角形顶端受到力F=m。a作用时,等强度梁的上
劣环境下工作等优势而得到研究人员的重视,广泛应用在鉄下两个表面轴向应变。是均匀分布“3的,其大小为
路、桥梁、大坝、航空航天和船舶等重要领域。国内很多高校
和科研单位,从不同的角度对光纤光栅加速度传感器的设计提
Eot?
出具体的探讨和研究,原理多是由等强度梁提供弹性力,将光根据等强度梁端部的挠度公式可以得到梁的等效弹資刚度为
栅直接粘接在等强度梁上。这样的设计易产生啁啾或多峰现
象致使测试不准,且灵敏度低。同济大学的沈洋和孙利民设
计了一种新型的高灵敏度温度自补偿型光纤光栅加速度传感式中:E为等强度梁弹性模量:L为等强度梁长度;め为等强度梁
器,通过参数优化在保证量程和量测频率范围的前提下使灵敏底部宽度:为等强度梁厚度
度达到了240Pm/ms2,随着振动测试技术的发展和高精度测
将光纤光栅固定在垫高块中心上,采用同样长度栅区的双
试的需要,研制高灵度的加速度振动传感器势在必行。文中光栅分别置于两垫高块中间。其简化的传感单元结构示意如
针对目前光光栅加速度传感器存在的问题,提出一种高灵敏图1所示。由弯曲变形定理可知等强度梁表面应变e和高度ん
度、测试准确、寿命长且适合土木工程运用的一种新结构。
处应变e1有这样关系
1加速度传感器设计
1.1传感力学理论模型建立
1/2+h
加速度传感器设计时两个重要的指标即:动态范围(工作
对于上述模型可简化为由惯性质量m。、弹性元件ん组成的
频率)及灵敏度。在结构在线监测领域,通常要求传感器在
単自由度的二阶谐振系统,忽略了阻尼的影响。由于光纤刚度
定的动态范围内有很好的灵敏度,才能测量出结构体的微小振
远小于弹性等强度梁的刚度,忽略了光纤刚度的影响,同时等
基金项目:国家科技重大专项(2011zx05041002-002)资助项目
强度梁固定状态也忽略了本色质量的影响。其运动方程
收稿日期:2014-01-03收修改稿日期:2014-11-05
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