1 引言

光纤光栅作为一种新型的光学测量传感元件,凭借体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰、易组网及可实现双参量测量^[1-2]等优势,在振动监测领域备受青睐^[3-7],并广泛应用于铁路、桥梁、大坝、航空航天及船舶等重要领域。在工程中,当直接以裸光栅作为测量元件进行振动信号检测时,光栅极易受到损坏^[8-10],且灵敏度和频率范围通常难以满足工程要求,因此需要通过研究相应的机械结构来提高灵敏度,并拓宽其频率测量范围。

近年来,国内外许多学者提出了各式各样的光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器结构^[11-13]。郭永兴等^[13]提出了一种以钢管为弹性元件、4个光栅均匀分布在钢管外围的FBG加速度传感器结构,实现了对二维加速度的测量及温度补偿,其谐振频率为515 Hz,但该结构灵敏度偏低(约为8.8 pm·g^-1)。贾淑红等^[14]将FBG两端固定在悬臂梁与垫高块之间,提高了传感器的灵敏度,同时避免了反射波峰的啁啾现象。王侃^[15]对其结构进行了改进,改进后的传感器灵敏度为1045.6 pm·g^-1,但工作频带窄,其谐振频率仅为70 Hz。Weng等^[16]提出了一种用于石油与燃气振动检测的传感器,该传感器主要由一个弹性膜片与2个L形刚性梁组成。当质量块振动时,根据杠杆原理,从两端同时挤压或拉伸FBG,实现振动的检测。但由于两梁拐点处是通过销钉或铰链与基体固定,在振动过程中难以保证两梁始终处于同一平面内。曾宇杰等^[17]提出了一种基于L形刚性梁与弹性膜片结构的FBG加速度传感器。L形刚性梁结构消除了传统悬臂梁引起的FBG反射谱的多峰现象,弹性膜片使得该传感结构具有较强的稳定性和抗横向干扰能力。实验结果表明,其加速度灵敏度可达220 pm·g^-1,但该传感器仅适用于频率为20~70 Hz的低频信号的检测。张发祥等^[18]提出了一种具有限振结构的杠杆式 FBG振动传感器,该结构限制了梁的最大振幅,抗冲击能力强,其谐振频率约为 66 Hz。Liu等^[19-20]将单膜片改为双层膜片,从而大大提高了传感器频率范围,但其灵敏度提高不明显。董柯等^[21]设计了一种基于对称铰链的中低频FBG单维加速度传感器。实验结果表明,传感器的谐振频率约为400 Hz,灵敏度约为230 pm·g^-1,横向干扰小于8%。

在上述文献中,一部分传感器具有较高的检测灵敏度和较低的谐振频率,适用于低频微弱信号的测量;另一部分传感器具有较高的谐振频率,在一定程度上可以拓宽其工程应用范围,但其灵敏度偏低,在许多工程领域应用中仍存在局限性。例如,在油气勘探和天然气管道振动监测等工程中,低频微弱振动信号和中高频振动信号同等重要^[22],这就要求传感器具备良好灵敏度指标的同时还要有较宽的频率测量范围。针对上述情况,本文提出了一种弹性膜片与菱形构件组合的FBG振动传感器。圆膜片作为弹性元件,使得传感器的抗横向干扰能力得到提高;将两根FBG布置在菱形构件的两条对角线上,采用差分方式实现了温度自补偿,并将灵敏度提高了1倍;光纤及菱形构件对膜片的约束力提高了传感系统纵向刚度,并拓宽了其频率测量范围。本文主要理论分析传感器的结构及工作原理,推导了传感器灵敏度和谐振频率表达式,并在此基础上进行结构优化与仿真分析,确定了传感器尺寸;最后对传感器进行相关实验研究。

2 传感器设计

2.1 传感原理

一种膜片与菱形组合结构的FBG加速度传感器如图1所示,它由质量块、弹性膜片、螺栓、传力件、菱形结构、FBG以及外壳体组成。长螺栓依次穿过质量块的中心螺纹孔、垫圈、膜片中心孔后与螺母固结,垫圈用于隔离质量块和弹性膜片;长螺栓末端接有传力件,传力件的另一端通过销钉与菱形构件的一个顶点相连,菱形构件上与之对应的对角顶点通过销钉与压块相连,压块固定于外壳内底面。外壳由上壳体和下壳体组成,弹性膜片的边缘固定于上下壳体之间的卡槽内,2根光纤互不干涉地以一定预紧力分别固定于菱形构件的两组对角线顶点上,2根光纤悬空部分分别设有一个FBG。

图 1. FBG传感器结构图

Fig. 1. Structural diagram of FBG sensor

下载图片 查看所有图片

当外界产生沿膜片垂直方向的加速度激励时,在惯性作用下,质量块使得膜片中心发生形变。传力件将该形变量传递到菱形结构,使菱形结构的对角线长度发生变化,从而带动FBG拉伸或压缩,实现了将振动的加速度量转化为FBG的应变量,进而实现FBG波长调制。通过跟踪FBG波长变化即可获得振动信号的振幅和频率信息。在本设计中,以圆膜片为弹性元件可减小横向振动对纵向加速度测量的干扰。将2个FBG悬空布置在菱形构件的对角线上,不仅避免了反射波峰的啁啾和多峰现象,还使传感器在实现温度自补偿的同时灵敏度提高了1倍。

2.2 传感灵敏度与谐振频率分析

在该传感结构中,由于质量块的质量m₁较小,不能忽略螺栓、螺母和传力件的附加质量m₂对系统的影响。在对系统的谐振频率和灵敏度进行分析时,将螺栓、传力件、外壳体和菱形结构各连杆看作刚体,只考虑光纤和弹性膜片的弹性系数。为保证2根光栅的一致性,粘贴时使得光纤跨距相等,此时菱形结构各邻边相互垂直,对角线长度l₁=l₂=2b=l,其中b表示菱形边长,l₁表示FBG1的粘贴跨距,l₂表示FBG2的粘贴跨距,l表示菱形构件为正方向时的对角线长度。如图2所示,当弹性膜片在沿y轴正方向加速度为a的振动激励下产生挠度Δy时,FBG1的拉伸量也为Δy。

图 2. 传感系统受力分析图

Fig. 2. Analysis of force of sensing system

下载图片 查看所有图片

FBG1和FBG2受力前的跨距l₁和l₂以及FBG1和FBG2受力后的跨距l'₁和l'₂满足

l'1=l1+Δy=2b+Δy,(1)l'1/2=2b/2+Δy/2=bcos(α-Δα),(2)l'2=2bsin(α-Δα)=2b[cos(Δα)-sin(Δα)],(3)

式中:α=π/4表示菱形结构各棱边与光纤的夹角;Δα表示夹角的变化量;由于Δy很小,菱形结构各角度变化量2Δα趋近于零,此时有cos(Δα)≈1,sin(Δα)≈Δα。代入(2)式可得

2bΔα=Δy,(4)

从而可得

l2-l'2=2b-2b[cos(Δα)-sin(Δα)]=Δy。(5)

由(5)式可知,FBG2的收缩量近似等于Δy。2个光纤与弹性膜片共位移,即2根光纤与弹性膜片并联,图2可简化为图3所示的振动模型。因此,该传感系统的等效刚度可表示为

ke=2kf+kd。(6)

图 3. 振动模型

Fig. 3. Vibration model

下载图片 查看所有图片

该系统的谐振频率可表示为

f=(kd+2kf)m2π,(7)

式中:k_f表示光纤抗拉刚度;k_d表示带硬心弹性膜片的刚度;m表示质量块m₁与附加质量m₂之和。由以上分析可知,当弹性膜片在外界激励下产生大小为Δy的位移时,惯性力F对整个传感系统的作用力可分为F_d和F_f两部分,其中F_d使弹性膜片中心产生大小为Δy的偏移,而F_f为通过传力件和菱形结构传递到光纤上的力,并使光纤跨距产生大小为Δy的变化量,此时有

F=ma=Fd+Ff=(kd+2kf)·Δy。(8)

设光纤的杨氏模量为E_f,横截面积为A_f,可得光纤抗拉刚度为

kf=EfAfl。(9)

设弹性膜片的杨氏模量为E_d,μ为泊松比,膜片厚度为h。根据材料力学知识,弹性膜片的弯曲刚度可表示为

D=Edh312(1-μ)2。(10)

定义无量纲系数为

A=1-rR2-4ln2(R/r)(R/r)2-1,(11)

式中:R和r分别表示弹性膜片的工作半径和与连接螺栓中心接触的半径。由于圆膜片周向被传感器外壳固定,中心与质量块相连形成半径为r的硬心。根据小挠度理论,作用于膜片中心处垂直方向的惯性力F_d引起的弹性膜片中心的偏移可表示为

yF=AR216πDFd=3(1-μ2)4π·FdR2Edh31-rR2-4ln2(R/r)(R/r)2-1。(12)

因此,带硬心弹性膜片的刚度系数k_d可表示为

kd=FdyF=16πDAR2。(13)

由以上推导过程可得到该加速度传感工作时,FBG的应变量ε与弹性膜片中心加速度之间的关系为

ε=Δyl=Flke=mal(kd+2kf)=maR2A16πDl+EfAfR2A。(14)

当外界应力和温度变化作用在FBG上时,光纤材料的弹性应变和热膨胀导致FBG周期Λ发生变化。此外,由于光纤本身所具有的弹光效应、波导效应和热光效应等因素,有效折射率n_eff也会发生变化。FBG的波长漂移量与应变、温度变化的关系为

Δλ/λ=(1-Pe)ε+(αf+ξf)Δt,(15)

式中:λ表示FBG的中心波;Δλ表示FBG的波长漂移量;P_e表示光纤的弹光系数,对于刻写光栅所使用的掺锗石英光纤,通常取P_e=0.22;α_f表示光纤的热膨胀系数,ξ_f表示光纤的热光系数;Δt表示温度变化。

对于被拉伸的FBG1和FBG2,有

Δl1>0,Δλ1λ1=(1-Pe)ε1+(αf+ξf)Δt,(16)Δl2<0,Δλ2λ2=-(1-Pe)ε2+(αf+ξf)Δt,(17)

式中:λ₁和λ₂分别表示FBG1和FBG2预拉伸后的中心波长;Δλ₁和Δλ₂分别表示FBG1和FBG2预拉伸后的中心波长漂移量;ε₁表示FBG1预拉伸后的应变量;ε₂表示FBG2预拉伸后的应变量。由于所选用的光栅温度灵敏度系数相同,中心波长、应变大小近似相等,即λ₁≈λ₂=λ,ε₁≈ε₂=ε。联立(16)式和(17)式,消去温度对光栅波长漂移量的影响,得到如下关系:

Δλλ=Δλ1λ1-Δλ2λ2=(1-Pe)ε1+(1-Pe)ε2=2(1-Pe)ε。(18)

根据FBG加速度传感器灵敏度定义公式,可得传感器灵敏度计算式为

S=Δλa=2λ(1-Pe)εa=6λ(1-Pe)mR2(1-μ2)A4πlEdh3+3EfAfR2(1-μ2)A。(19)

由(19)式可知,采用菱形结构与膜片相结合的形式,不仅消除了温度的影响,还将传感器的灵敏度扩大了1倍。此外,传感系统谐振频率可表示为

f=12πkem=12π16πDl+2EfAfR2A(m1+m2)lR2A。(20)

3 仿真分析

3.1 数值仿真

传感器的振动特性和测量范围与传感器的最小谐振频率密切相关,为了获得更高的灵敏度和更大的频率测量范围,需要对传感器的结构参数进行优化设计。由理论分析结果可以看出,弹性膜片厚度h、工作半径R、膜片硬心半径r以及惯性质量m是影响加速度传感器灵敏度S和谐振频率f的4个关键参数。在传感器制作中选用普通不锈钢材料作为弹性膜片,其杨氏模量E_d=200 GPa,泊松比μ=0.28。根据(19)、(20)式,在已知光纤光栅弹性系数k_f、光纤横截面积A_f和光纤跨距l等参数的情况下,分别考虑传感器结构中几个关键参量对传感器灵敏度和谐振频率的影响,以确定最佳尺寸参数。

首先,由于期望传感器的整体尺寸应尽可能小(便于实际安装使用),可取菱形边长b为12 mm,从而得到光栅跨距l为17 mm。通过改变膜片工作半径R,来考察S和f的变化。图4是当E_d=200 GPa, k_f=72 GPa, l=17 mm, λ=1500 nm, r=2 mm, h=0.1 mm以及m=15 g时,S与f随膜片R变化的关系曲线。由图4可以看出,在所取变化范围内,当R增大时,S随之增大,而f迅速降低,并且当R>15 mm时,S与f的变化基本趋于平稳。为了拓宽传感器频率范围并兼顾灵敏度指标,可取5 mm≤R≤15 mm。

图 4. S与f随R变化的关系曲线

Fig. 4. Variations in S and f with R

下载图片 查看所有图片

当E_d=200 GPa, k_f=72 GPa, l=17 mm, λ=1500 nm, r=2 mm, R=30 mm以及m=10 g时,分析了膜片厚度h对S和f的影响。由图5可知,当h<0.05 mm时,S和f均缓慢变化,具有较高的灵敏度;当h处于0.05~0.40 mm时,随着h的增大,S迅速降低,而f增大;当h>0.4 mm时,随着h的增加,f曲线的上升趋势更加明显,而S逐渐趋于平稳。故要获得较高灵敏度,膜片需尽量薄一些。考虑到实际的选材及加工条件,膜片厚度可选取为0.1~0.4 mm。

图 5. S与f随h变化的关系曲线

Fig. 5. Variations in S and f with h

下载图片 查看所有图片

考虑膜片硬心半径r对S与f的影响,如图6所示。当E_d=200 GPa,k_f=72 GPa,l=17 mm,λ=1500 nm,h=0.1 mm,R=30 mm以及m=15 g时,随着r的增大,S呈下降趋势,而f呈上升趋势;当r>7 mm时,这种趋势更加明显。与膜片工作半径R相比,硬心半径r对f的影响较小,因此可通过减小r来提高灵敏度。但考虑到单维传感器横向干扰等因素,质量块与膜片应具有一定的连接刚度,故r不能过小,在此可取r=2 mm。

图 6. S与f随r变化的关系曲线

Fig. 6. Variations in S and f with r

下载图片 查看所有图片

当E_d=200 GPa, k_f=72 GPa, l=17 mm, λ=1500 nm, h=0.2 mm, R=30 mm以及r=2 mm时,分析了m对S与f的影响。由图7可知,m与S呈线性正相关,而m与f呈负相关;当m<5 g时,随m的增大,f迅速减小;当m>15 g时,f逐渐趋于平稳。但考虑尺寸因素,m无法做得太大,因此需选用密度较大的金属作为质量块的材料,并取5 g<m<12 g。以上分析给出了4个关键参量对传感器灵敏度与谐振频率的影响,并设定FBG加速度传感器结构及材料特性参数,如表1所示。仿真结果显示,当h=0.2 mm,R=15 mm,m=8×10^-3 kg,r=2 mm时,该传感器灵敏度为67 pm·g^-1(g为地球表面重力加速度),谐振频率为696.7 Hz。

图 7. S与f随m变化的关系曲线

Fig. 7. Variations in S and f with m

下载图片 查看所有图片

3.2 有限元模态分析

为进一步研究传感器的动态特性,在此采用ANSYS软件对传感器模型进行模态分析。在该传感模型中,圆膜片和光纤光栅组成的弹性系统直接承受质量块的惯性力,因此该系统对传感器的动态特性有着决定性作用。

按照表1所给尺寸参数并利用MATLAB软件对传感器进行3维建模,并将各螺纹配合部分简化为直径等于螺纹中径的圆柱配合;将建好的模型导入ANSYS软件,按照如表2所列的参数设置各零部件材料属性,完成网格划分;在距膜片外圆2 mm宽的圆环上施加固定约束,在不考虑菱形构件及光纤作用力的情况下,得到1阶模态云图,如图8(a)所示,其谐振频率为467.87 Hz;将菱形构件和2根带有预应力光纤等效为具有相同作用效果的弹簧约束,并进行模态分析,得到了前3阶模态振型及变形云图。该传感系统1阶模态的振型为沿z轴方向的纵向振动,如图8(b)所示。对比图8(a)、(b)可知,在考虑菱形构件的作用力后,其1阶谐振频率明显得到提高,其值约为686.04 Hz,仅比理论计算值(696.7 Hz)略小,理论与仿真相互得到了验证。传感系统2阶、3阶模态的振型分别是沿x轴和y轴方向的横向摆动,分别如图8(c)、(d)所示,其谐振频率分别为1016.3 Hz和1086.8 Hz。计算可知,传感器横向振动谐振频率高出主向谐振频率48%~58%,说明了该传感系统具有较强的抗横向干扰能力。

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

下载图片 查看所有图片

4 实验研究

图9(a)为FBG传感器标定实验系统示意图。将FBG传感器固定在激振器振动台上,激振信号由信号发生器发出,经功率放大器放大后传递至激振器,进而驱动激振器产生相同幅值和频率的振动信号。353B18压电式振动传感器(灵敏度为9.93 mV·g^-1,量程为500 g,频率范围为0.5~10.0 kHz)被粘贴在激振器振动台上,通过学习管理系统(LMS)可以实时获知压电加速度传感器的振动信号,从而得到激振器激励加速度幅值和频率,并以此为参考对FBG传感器进行参数标定。将FBG振动传感器的输出信号接入光纤光栅解调仪(其内部集成了宽带光源,输入光功率为10 mW,可解调波长范围为1525~1565 nm,最大采样率为4 kHz,分辨率为0.1 pm),并通过计算机实时显示FBG波长漂移信号。

FBG传感器光信号解调原理如图9(b)所示。具体解调过程为:宽带光源输出的光波经隔离器后,从耦合器#1端口进入耦合器,再通过#2端口输出到#1FBG、#2FBG传感器;被FBG传感器反射的光波经耦合器#3端口输出到可调谐法布里-珀罗腔(F-P腔)滤波器;当F-P腔的透射波峰与FBG的反射波峰重合时,光电探测器检测到最大光强,对其进行光电转换,形成电压,用于驱动安装在F-P腔的高反射镜上的压电陶瓷,压电陶瓷的伸缩变化会改变F-P腔的腔长,使透过F-P腔的光波波长发生改变;通过光电探测器将光信号转化为电信号,并经电信号传输给数字信号处理模块(DSP)进行处理;最后通过通用串行总线(USB)在计算机(PC)端实时显示FBG波长信息。

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

下载图片 查看所有图片

4.1 幅频特性实验

利用图9所示的实验装置进行激振实验时,调节信号发生器,使激振器激振加速度幅值为2.5 m·s^-2且保持不变,激振频率在0~900 Hz内变化,记录传感器各FBG波长变化情况,重复进行3次实验。提取各频率采样点下传感器的FBG中心波长漂移的半峰值,得到传感器的幅频响应曲线如图10所示。从图10中的曲线可知:1)传感器的1阶谐振频率约为681.4 Hz,这与理论计算值(696.7 Hz)和有限元仿真结果(686.04 Hz)基本一致,图中2个FBG测量所得的谐振频率略有偏差,原因可能是在传感器装配和安装固定过程中引入了误差;2)谐振频率在0~500 Hz范围内时,随着谐振频率的增大,FBG漂移量也随之增大,且波长漂移量与谐振频率呈现良好的线性关系。

图 10. 传感器的幅频响应曲线

Fig. 10. Amplitude-frequency response curves of sensor

下载图片 查看所有图片

4.2 线性响应实验

为了获得传感器对不同频率振动信号的灵敏度,在此调节信号发生器,使其输出信号频率保持不变,并控制激振器激振加速度幅值从2.5 m·s^-2上升至20 m·s^-2,每隔2.5 m·s^-2记录一次实验数据,实验重复3次。当激振加速度信号幅值为5 m·s^-2、输出信号频率为100 Hz时,得到传感器2个FBG的时域响应图和频域图,如图11所示。由图可知,2个FBG的响应均为等频率的正弦信号,并且FBG1与FBG2的相位相差π。根据(18)式和(19)式,将2个FBG波长漂移量相减,不仅可以消去温度对测量结果的影响,还可使传感器的灵敏度提高1倍。

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

下载图片 查看所有图片

图12为10~500 Hz频段内 Δλ1-Δλ2与激振加速度的关系曲线。通过最小二乘法拟合得到了不同频率的振动激励下传感器波长漂移量与激振加速度的线性关系和拟合方程,如表3所示(这里a为激振加速度,取g=10 m·s^-2)。从图12和表3可以看到,随着激振信号频率的升高,激振加速度的灵敏度也随之升高。在一些中高频信号衰减严重的工程振动测试中,该特性可对信号起到较好的补偿作用^[20]。FBG加速度传感器是利用光栅实时波长与其初始中心波长(激振加速度为0时的波长)之差的幅值,与激振加速度幅值成正比的关系来检测振动;但由于影响FBG中心波长的环境因素(温度、声波、风波等振动信号)时刻变化,以及采集系统F-P腔驱动电压等存在波动,即使在激振器的激振加速度为0时,各FBG中心波长也是时刻波动的(小于±2 pm)。在此忽略环境噪声以及采集系统对FBG波长的影响。将非激振条件下的FBG反射波长平均值作为FBG初始波长(传感器零点波长),当激振加速度为0时,FBG波长变化量也为0,实验所得各频率下的灵敏度曲线相交于坐标原点(零点)。通过拟合方程可计算得到相应激振频率下的灵敏度,为了进一步研究传感器灵敏度与激振信号频率的关系,绘制了灵敏度与激振频率的关系曲线,并利用最小二乘法拟合得到了传感器S-f的拟合直线,如图13所示,其拟合方程可表示为S=(0.07f+63.31) pm·g^-1,其中f表示激振频率。在粘贴光栅时,各光栅的预拉伸量约为1000 pm。计算可知当振动信号频率为500 Hz时,该传感器可检测到的最大激振加速度值约为20 g。

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

下载图片 查看所有图片

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

下载图片 查看所有图片

4.3 抗干扰特性实验

对于单维加速度传感器,除灵敏度和谐振频率等重要参数外,其横向抗干扰能力也是一个重要的参数指标。在实验中,将传感器翻转90°并将其固定在激振器振动台上,给传感器施加一个幅值为5 m·s^-2、频率为100 Hz的激励信号。图14显示了加速度传感器在该激励信号下的主向和横向加速度响应曲线。可以看出,传感器的横向干扰度小于5%,这表明所设计的传感器具有良好的抗横向干扰能力。

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

下载图片 查看所有图片

4.4 温度补偿特性实验

FBG除了对应变比较敏感外,还对温度也十分敏感。从(16)~(19)式可知,所提出的传感器采用差分方式消除了温度对振动测量的影响,其前提条件是:1)菱形构件上2个FBG的温度灵敏度系数基本相等;2)2个FBG距离较近,可视为同一温度场。为了验证FBG传感器的温度自补偿特性,在此组建了温度补偿特性实验系统,该系统由温控箱(可调温度范围为-10~200 ℃,分辨率为0.1 ℃)、解调仪(该解调仪宽带光源输出功率为3 mW,可解调波长范围为1525~1565 nm,采样率为1 Hz,波长分辨率为1 pm)和PC端组成。首先,将FBG传感器放置在温控箱内,传感器信号输出端接入FBG解调仪,通过PC端可实时观察FBG波长变化。调节温控箱控制传感器的环境温度从20 ℃上升至90 ℃,每次调节的温度间隔为10 ℃,待箱内温度波动不超过±0.2 ℃后记录波长信息;然后,将温控箱温度从90 ℃降至20 ℃,每隔10 ℃记录波长信息;重复实验3次,计算不同温度下各FBG多次实验的波长漂移平均值,从而得到FBG加速度传感器的温度响应曲线,如图15所示。由图可知,单个FBG的中心波长漂移量随温度近似成线性变化,其灵敏度约为11 pm·℃^-1;而补偿后的波长漂移量Δλ₁-Δλ₂对温度变化不敏感,在所测温度范围内,其幅值在-8~11 pm内波动,这表明该FBG传感器具有良好的温度自补偿效果。

图 15. FBG加速度传感器的温度响应曲线

Fig. 15. Temperature response curves of FBG accelerometer

下载图片 查看所有图片

5 结论

设计了一种弹性膜片与菱形结构组合应用的FBG加速度传感器,理论分析了传感器的加速度检波机理。仿真分析结合实验,对所设计的传感器进行了优化设计和动静态特性测试。结果表明:在20~90 ℃温度条件下,传感器具有较好的温度自补偿效果;采用菱形构件提高了传感系统的纵向刚度,其1阶固有频率约为681.4 Hz;在频率为0~500 Hz范围内,传感器灵敏度随振动信号频率的升高而增大,其灵敏度为(0.07f+63.31) pm·g^-1,并具备较强的抗横向干扰能力。所设计的传感器既具有较高的固有频率,又兼顾了高灵敏度和较强的抗横向干扰能力,为FBG加速度传感器的工程应用提供了一种新颖可靠的方法。但本设计尚存在不足之处,如在结构设计过程中未考虑到传感器过载情况,后续的工作将会考虑过载保护等方面,从而对传感结构进行改进和完善。