光纤光栅加速度传感器的设计与传感性能研究

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光纤光栅是基于光纤材料的光敏性,在光纤纤芯内形成的空间相位光栅。作为一种波长调制型无源器件,光纤光栅具有抗电磁干扰、耐高温高压、耐腐蚀、可实现多参量测量和易组网复用等优点,因而在光传感领域引起广泛的研究和关注。在油气资源勘探开发、结构健康监测、航空航天和交通运输等领域,常需要开展对振动的检测,然而传统测量振动加速度的传感器存在抗电磁干扰能力差、稳定性差和难以实现分布式测量等不足。将光纤光栅传感技术应用于以上领域实现对振动加速度的测量,具有重要的研究意义和实用价值。本文通过对光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)加速度传感器研究现状的分析,基于光纤光栅传感原理,以研制结构紧凑、工作频带宽和灵敏度高的FBG加速度传感器为目标,开展了中高频FBG加速度传感器的研究。论文主要内容如下:(1)综述了FBG加速度传感器的研究发展现状,研究分析了光纤光栅耦合模理论以及FBG应变、温度传感原理。建立了加速度传感器的力学模型,并对其幅频特性和相频特性进行分析,在此基础上研究了FBG加速度传感器的工作原理。分析了FBG加速度传感器的主要性能参数,以及在传感器封装中需注意的问题,为后续FBG加速度传感器的设计与研究提供指导。(2)研究了一种单铰链式FBG加速度传感器。理论分析了该传感器的工作原理,以及传感器的主要结构参数对谐振频率和灵敏度的影响,利用有限元软件对传感器进行了仿真分析,实验研究了传感器的静态弯曲性能、动态传感性能及温度特性。结果表明,传感器对静态弯曲具有良好的线性响应;传感器对加速度响应良好,其幅频响应平坦区较宽为50~950 Hz,灵敏度约为10 pm/g;在30~100oC的温度范围内,传感器对温度具有较好的线性响应,温度灵敏度较小;该传感器小巧紧凑,不足之处是抗横向干扰能力较差。(3)提出并设计研究了一种对称双铰链式FBG加速度传感器,以改善单铰链式FBG加速度传感器的性能。理论分析了该传感器的工作原理,阐述了传感器的封装制作方法,实验研究了传感器的加速度传感性能。结果表明,在50~600 Hz范围传感器幅频响应较平坦,FBG波长漂移对加速度具有较好的线性关系;由于对称式增敏结构的设计,相比于单铰链式FBG加速度传感器,该传感器的灵敏度提高至约41 pm/g,重复性良好;传感器交叉灵敏度小于主振方向灵敏度的5.5%,其抗横向干扰性能得到了有效的提升。(4)基于对称双铰链结构和双FBG差动的思想,提出并设计研究了一种双光栅温度补偿型加速度传感器,以解决铰链式FBG加速度传感器中存在的应变-温度交叉敏感问题。理论分析了该传感器的工作原理,利用有限元仿真软件研究分析了传感器的振动模态,实验研究了传感器的加速度传感性能。研究表明,该传感器在50~800 Hz频率范围具有较好的平坦区,对加速度响应较好,灵敏度较高约为48 pm/g,重复性良好;传感器在27~88oC的温度范围内可实现温度补偿,验证了该设计的有效性。(5)提出并设计研究了一种Y型梁式FBG加速度传感器。理论分析了该传感器的工作原理,以及结构参数对传感器谐振频率和灵敏度的影响,实验研究了传感器加速度传感性能。结果表明,在50~400 Hz频率范围,传感器具有较好的幅频响应平坦区,且对加速度具有良好的线性响应,平均灵敏度约为57.4 pm/g;传感器在25~85oC的温度范围内对温度响应稳定,温度灵敏度较低约为10.4 pm/oC。该传感器结构紧凑,灵敏度较高,并且具有在主体结构不变情况下,通过更换质量块实现灵敏度可调的特点。经过逐步完善和改进研究,所设计和研究的光纤光栅传感器性能得到了提升,为实际应用奠定了基础。
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