一种布拉格光纤光栅加速度传感器

26《激光杂志》2005年第26卷第1期　　　　LASER

JOURNAL(Vol.26.No.1.2005)

一种布拉格光纤光栅加速度传感器

戴　锋,黄国君

(中国科学院力学研究所工程科学部,北京　100080)

提要:本文介绍了一种基于布拉格光纤光栅(FBG)的加速度传感器设计。为了克服等截面悬臂梁的局限性,该设计采用

等强度悬臂梁的形式。结果表明:该种光纤加速度传感器具有良好的稳定性和较高的分辨率(0.005g),适合海洋平台等大型工程结构的加速度测量。

关键词:加速度传感器;布拉格光纤光栅;等强度悬臂梁中图分类号:　　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:0253-2743(2005)01-0026-02

AnaccelerationsensorbasedonFiberBraggGratings

DAIFeng,HUANGGuo-jun

(DivisionofEngineeringScience,InstituteofMechanics,TheChineseAcademyofSciences,Beijing100080,China)

Abstract:AnoveldesignoftheaccelerationsensorbasedonFiberBraggGratings(FBG)ispresented.TheFBGwasgluedonthesurfacesofatrianglecantileverbeamofconstantbendingrigiditytoavoidtheinhomogeneityofthelongitudinalstrainpresentinauniformcantileverbeam.Thetestresultindicatedthatitbehaveswellwithhighstabilityandhighresolutionupto0.005gandthusissuitabletotheapplicationtotheaccelerationmeasurementforlargeengineeringstructures,suchasoffshoreplatforms.

Keywords:accelerationsensor,FiberBraggGrating,trianglecantileverbeam

1　引言

布拉格光纤光栅(FBG)由于其优越的性能,除了广泛应用在通讯领域以外,关注。传统的电测加速度传感器基于电阻、压阻等原理工作,应一个通道,F的光学加速度传感器,,测量精度高。同时,FBG,可大大减少布线的工作。对于工程结构的安全监测,往往需要测量多个物理量(如应变、加速度、温度等),基于FBG可以开发多种物理量的传感器,从而可实现同一传感系统和仪器多物理量的测量,充分发挥FBG传感系统测点多、测量信息大的优点,这在工程应用中具有特殊的实际价值。本文介绍的FBG加速度传感器是针对海洋平台加速度测量的特点设计的,海洋平台加速度频率较低(

(1Pe)

(3)

ε=Kλ(4)ε△B

,环境温度发生变化△T时,由于热膨胀和热光效,也将引起Λ和neff的变化,相应的λB平移为:

λ)△T(5)△B=λB(α+ξ

式中:α为热膨胀系数,ξ=为热光系数。因此类似地

neff9T

可以定义温度敏感系数

(6)KT=

λ)B(α+ξ

从而

λ(7)△T=KT△B

λ由(4)和(7)式可知

:可通过光学装置检测出△B后获得应

变和温度变化的信息。2.2　加速度传感器的工作原理

2　测量原理

2.1　FBG的传感原理

FBG对满足以下Bragg定理的光波波长进行反射:

λ(1)B=2neffΛ

式中:neff为有效折射系数;Λ为光栅间距。当FBG产生轴向应变ε时,Λ以及neff将发生变化,从而引起λB的平移,平

λ移量△B为:

λ(2)△B=λB(1-pe)ε

[4]

式中:Pe=

[p12-v(p11+p12)]为有效弹光常数,其中p11

2

和p12为弹光张量分量(Pockel系数),v为光纤材料的泊松比。因此可定义应变敏感系数收稿日期:2004-06-10

2

等截面悬臂梁在荷载作用下梁的表面应变沿轴向是非均匀分布的,容易导致粘在表面上的光栅的输出光谱展宽、畸变,严重时甚至导致光栅啁啾化或波峰的劈裂,从而使加速度的测量误差增加,在结构上使用等强度悬臂梁的形式能有效避免这种情况发生。

对于图1所示的等强度悬臂梁,当梁的三角形顶端受到力F作用时,梁的上下两个表面处的轴向应变ε是均匀分布的,其大小为[5]:

ε=(8)2

EBt

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式中:E为悬臂梁材料的场氏模量,L为悬臂梁的总长度,B

为悬臂梁的底部宽度,t为梁的厚度。忽略悬臂梁自重的影响,根据等强度悬臂梁端部的挠度公式可以得到梁的等效弹簧刚度为:

　　　　　　　　K=

36L

3

27

(9

)

-SLI系统作为波长解调设备,该设备拥有4通道,每个通道能以108Hz的采样率同时测量64个FBG,设备检测波长的分辨率为1pm,精度为5pm。根据我们的实验结果[2]。光栅直接粘贴在钢结构上时,若胶底层很薄,其应变敏感系数可达

με到相应的理论值:KΠpm。由此,根据解调仪的分辩ε=0.83

率和(17)式,可得到加速度测量灵敏系数的设计值为:Ka=gΠpm。FBG-SLI的加速度测量系统较传统的应变式加1000

速度测量系统在精度和稳定性上有较大的优势。

加速度测量系统如图3所示,采用重力分解法[6]进行标定。

图2表示等强度梁加速度计的结构示意图,图中x为空间固定坐标,y为外壳的随体坐标,当结构随支座处在振动情况下时,质量块与外壳产生y的相对位移,于是在y坐标系下忽略阻尼时,质量块的运动方程为:

(10)M