基于膜片与菱形结构的光纤布拉格光栅加速度传感器

魏莉; 余玲玲; 姜达州; 刘壮; 李恒春

doi:doi:10.3788/CJL201946.0910003

中国激光, 2019, 46 (9): 0910003, 网络出版: 2019-09-10

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Fiber Bragg Grating Accelerometer Based on Diaphragm and Diamond Structure

魏莉余玲玲 ^*姜达州刘壮李恒春

作者单位

武汉理工大学机电工程学院, 湖北武汉 430070

图 & 表

图 1. FBG传感器结构图

Fig. 1. Structural diagram of FBG sensor

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图 2. 传感系统受力分析图

Fig. 2. Analysis of force of sensing system

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图 3. 振动模型

Fig. 3. Vibration model

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图 4. S与f随R变化的关系曲线

Fig. 4. Variations in S and f with R

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图 5. S与f随h变化的关系曲线

Fig. 5. Variations in S and f with h

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图 6. S与f随r变化的关系曲线

Fig. 6. Variations in S and f with r

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图 7. S与f随m变化的关系曲线

Fig. 7. Variations in S and f with m

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图 8. 有限元模态分析变形图。(a)不考虑菱形构件及光纤作用力时的1阶模态;(b)~(d)考虑菱形结构及光纤作用力时的前3阶模态

Fig. 8. Deformation diagrams obtained by finite element modal analysis. (a) First-order mode without considering fiber force and diamond structure and fiber; (b)-(d) first-order,second-order,and third-order modes considering fiber force and diamond structure, respectively

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图 9. FBG传感器实验系统。(a)标定实验系统示意图;(b)光信号解调原理图

Fig. 9. Sensor experimental system. (a) Diagram of calibration experimental system; (b) demodulation principle of optical signal

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图 10. 传感器的幅频响应曲线

Fig. 10. Amplitude-frequency response curves of sensor

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图 11. 当激振加速度信号幅值为5 m·s-2及输出信号频率为100 Hz时,各FBG波长变化量的时/频域信号。(a) FBG1,时域信号;(b) FBG1,频域信号;(c) FBG2,时域信号;(d) FBG2,频域信号

Fig. 11. Time domain and frequency domain signals of two FBGs of sensor when f=100 Hz and a=5 m·s-2. (a) FBG1, time domain signal; (b) FBG1, frequency domain signal; (c) FBG2, time domain signal; (d) FBG2, frequency domain signal

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图 12. 不同激振频率下,|Δλ1-Δλ2|随激振加速度变化的关系曲线

Fig. 12. |Δλ1-Δλ2| versus excitation acceleration under different excitation frequencies

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图 13. 传感器灵敏度随激振信号频率的变化关系

Fig. 13. Sensor sensitivity versus frequency of excitation signal

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图 14. 加速度传感器的主向和横向加速度曲线

Fig. 14. Principal and transverse accelerations of accelerometer

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图 15. FBG加速度传感器的温度响应曲线

Fig. 15. Temperature response curves of FBG accelerometer

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表 1FBG加速度传感器结构及材料特性参数

Table1. Parameters of FBG accelerometer structure and material properties

Parameter	Parameter description	Value
b /mm	Diamond side length	12
l /mm	Optical fiber span	17
R /mm	Working radius of diaphragm	15
r /mm	Hard core radius of diaphragm	2
h /mm	Thickness of diaphragm	0.2
m /kg	Quality of copper block	8×10^-3
λ /nm	Grating wavelength	1500
A_f /m²	Cross section area of optical fiber	1.227×10^-8
E_d /GPa	Young's modulus of diaphragm	200
μ	Poisson's ratio of diaphragm	0.28

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表 2传感器主要零件的物理参数

Table2. Physical parameters of main parts of sensor

Part	Material	Young's modulus /GPa	Poisson ratio	Density /(kg·m^-3)
Diaphragm	Stainless steel	200	0.247	7930
Mass block	Brass	96	0.380	8500
Force transmission parts	Aluminum alloy	71	0.330	2770
Bolt	30 carbon steel	235	0.300	7890

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表 3传感器在不同激振频率激振下的灵敏度参数

Table3. Sensitivity parameters of sensor under different excitation frequencies

Excitationfrequency /Hz	Fitting equation /(pm·g^-1)	Sensitivity /(pm·g^-1)
10	\|Δλ₁-Δλ₂\|=65.86a-0.53	65.33
50	\|Δλ₁-Δλ₂\|=68.20a+0.02	68.22
100	\|Δλ₁-Δλ₂\|=70.93a+0.07	71.00
150	\|Δλ₁-Δλ₂\|=72.53a-0.53	72.00
200	\|Δλ₁-Δλ₂\|=75.53a-1.20	74.33
250	\|Δλ₁-Δλ₂\|=80.06a-2.65	77.35
300	\|Δλ₁-Δλ₂\|=85.47a-2.47	83.00
350	\|Δλ₁-Δλ₂\|=87.80a-1.68	86.12
400	\|Δλ₁-Δλ₂\|=89.60a-0.27	89.33
450	\|Δλ₁-Δλ₂\|=93.67a+0.44	94.11
500	\|Δλ₁-Δλ₂\|=97.00a+1.33	98.33

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魏莉, 余玲玲, 姜达州, 刘壮, 李恒春. 基于膜片与菱形结构的光纤布拉格光栅加速度传感器[J]. 中国激光, 2019, 46(9): 0910003. Wei Li, Yu Lingling, Jiang Dazhou, Liu Zhuang, Li Hengchun. Fiber Bragg Grating Accelerometer Based on Diaphragm and Diamond Structure[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(9): 0910003.

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图 1. FBG传感器结构图

Fig. 1. Structural diagram of FBG sensor

图 2. 传感系统受力分析图

Fig. 2. Analysis of force of sensing system

图 3. 振动模型

Fig. 3. Vibration model

图 4. S与f随R变化的关系曲线

Fig. 4. Variations in S and f with R

图 5. S与f随h变化的关系曲线

Fig. 5. Variations in S and f with h

图 6. S与f随r变化的关系曲线

Fig. 6. Variations in S and f with r

图 7. S与f随m变化的关系曲线

Fig. 7. Variations in S and f with m

图 8. 有限元模态分析变形图。(a)不考虑菱形构件及光纤作用力时的1阶模态;(b)~(d)考虑菱形结构及光纤作用力时的前3阶模态

Fig. 8. Deformation diagrams obtained by finite element modal analysis. (a) First-order mode without considering fiber force and diamond structure and fiber; (b)-(d) first-order,second-order,and third-order modes considering fiber force and diamond structure, respectively

图 9. FBG传感器实验系统。(a)标定实验系统示意图;(b)光信号解调原理图

Fig. 9. Sensor experimental system. (a) Diagram of calibration experimental system; (b) demodulation principle of optical signal

图 10. 传感器的幅频响应曲线

Fig. 10. Amplitude-frequency response curves of sensor

图 11. 当激振加速度信号幅值为5 m·s-2及输出信号频率为100 Hz时,各FBG波长变化量的时/频域信号。(a) FBG1,时域信号;(b) FBG1,频域信号;(c) FBG2,时域信号;(d) FBG2,频域信号

Fig. 11. Time domain and frequency domain signals of two FBGs of sensor when f=100 Hz and a=5 m·s-2. (a) FBG1, time domain signal; (b) FBG1, frequency domain signal; (c) FBG2, time domain signal; (d) FBG2, frequency domain signal

图 12. 不同激振频率下,|Δλ1-Δλ2|随激振加速度变化的关系曲线

Fig. 12. |Δλ1-Δλ2| versus excitation acceleration under different excitation frequencies

图 13. 传感器灵敏度随激振信号频率的变化关系

Fig. 13. Sensor sensitivity versus frequency of excitation signal

图 14. 加速度传感器的主向和横向加速度曲线

Fig. 14. Principal and transverse accelerations of accelerometer

图 15. FBG加速度传感器的温度响应曲线

Fig. 15. Temperature response curves of FBG accelerometer

表 1FBG加速度传感器结构及材料特性参数

Table1. Parameters of FBG accelerometer structure and material properties

表 2传感器主要零件的物理参数

Table2. Physical parameters of main parts of sensor

表 3传感器在不同激振频率激振下的灵敏度参数

Table3. Sensitivity parameters of sensor under different excitation frequencies

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图 1. FBG传感器结构图

Fig. 1. Structural diagram of FBG sensor

图 2. 传感系统受力分析图

Fig. 2. Analysis of force of sensing system

图 3. 振动模型

Fig. 3. Vibration model

图 4. S与f随R变化的关系曲线

Fig. 4. Variations in S and f with R

图 5. S与f随h变化的关系曲线

Fig. 5. Variations in S and f with h

图 6. S与f随r变化的关系曲线

Fig. 6. Variations in S and f with r

图 7. S与f随m变化的关系曲线

Fig. 7. Variations in S and f with m

图 8. 有限元模态分析变形图。(a)不考虑菱形构件及光纤作用力时的1阶模态;(b)~(d)考虑菱形结构及光纤作用力时的前3阶模态

Fig. 8. Deformation diagrams obtained by finite element modal analysis. (a) First-order mode without considering fiber force and diamond structure and fiber; (b)-(d) first-order,second-order,and third-order modes considering fiber force and diamond structure, respectively

图 9. FBG传感器实验系统。(a)标定实验系统示意图;(b)光信号解调原理图

Fig. 9. Sensor experimental system. (a) Diagram of calibration experimental system; (b) demodulation principle of optical signal

图 10. 传感器的幅频响应曲线

Fig. 10. Amplitude-frequency response curves of sensor

图 11. 当激振加速度信号幅值为5 m·s-2及输出信号频率为100 Hz时,各FBG波长变化量的时/频域信号。(a) FBG1,时域信号;(b) FBG1,频域信号;(c) FBG2,时域信号;(d) FBG2,频域信号

Fig. 11. Time domain and frequency domain signals of two FBGs of sensor when f=100 Hz and a=5 m·s-2. (a) FBG1, time domain signal; (b) FBG1, frequency domain signal; (c) FBG2, time domain signal; (d) FBG2, frequency domain signal

图 12. 不同激振频率下,|Δλ1-Δλ2|随激振加速度变化的关系曲线

Fig. 12. |Δλ1-Δλ2| versus excitation acceleration under different excitation frequencies

图 13. 传感器灵敏度随激振信号频率的变化关系

Fig. 13. Sensor sensitivity versus frequency of excitation signal

图 14. 加速度传感器的主向和横向加速度曲线

Fig. 14. Principal and transverse accelerations of accelerometer

图 15. FBG加速度传感器的温度响应曲线

Fig. 15. Temperature response curves of FBG accelerometer

表 1FBG加速度传感器结构及材料特性参数

Table1. Parameters of FBG accelerometer structure and material properties

表 2传感器主要零件的物理参数

Table2. Physical parameters of main parts of sensor

表 3传感器在不同激振频率激振下的灵敏度参数

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