光纤Bragg光栅低频加速度传感器的设计与实验研究--《昆明理工大学》2008年硕士论文
光纤Bragg光栅低频加速度传感器的设计与实验研究
【摘要】：
低频振动广泛存在于各种机械设备,大型建筑结构以及加工过程中,对低频振动的拾取目前大部分采用电磁类加速度传感器,由于电磁类加速度传感器天然存在的一些不足,比如易受电磁干扰,易腐蚀等,因此影响了电磁类加速度传感器在这些方面的应用。光纤Bragg光栅传感器是近年来正在兴起的一种新型传感器,它具有不受电磁干扰、耐腐蚀,实现长距离分布式测量等特点。恰好可以填补电磁类传感器在这些方面的不足,因此研究FBG低频加速度传感器具有实际的工程经济意义。
本论文设计并制作了一种低频光纤光栅加速度传感器,对该方案进行了理论分析与实验研究。
通过理论分析,得出该加速度传感器的波长灵敏度为36.2pm/g,由于光纤网络分析仪的分辨率为1 pm,所以该加速度传感器的分辨率为0.028g,固有频率为53.12Hz,频率响应范围为0—18 Hz。
为了验证设计的正确性,本文对所设计的低频光纤光栅加速度传感器进行了实验研究,实验分为光纤光栅加速度计与电阻应变加速度计实验两部分,将光纤光栅与电阻应变片粘贴于等强度悬臂梁的同一位置,分别构成光纤光栅加速度计与电阻应变加速度计,先进行悬臂梁光纤光栅加速度计实验,实验显示该加速度计在未加硅油阻尼频响范围为0—11 Hz,加入硅油阻尼后频响范围为0—22 Hz,在电阻应变加速度计实验中显示该加速度计在未加阻尼情况下频响范围为0—12Hz,在加入硅油阻尼后,实验显示该频响范围扩大到0—20Hz,通过光纤光栅加速度计与电阻应变加速度计的对比测试可以看出,光纤光栅加速度计频响范围与电阻应变加速度计频响范围基本吻合,且都很接近理论频率响应范围,对比测试实验显示了我们设计的正确性,为后续工作奠定了基础。
【关键词】：
【学位授予单位】：昆明理工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2008【分类号】：TH824.4【目录】：
Abstract4-6
第一章 绪论8-12
1.1 低频振动的特点及目前采用的主要测试方法8
1.2 光纤Bragg光栅加速度传感器发展现状及现存问题8-10
1.3 本论文的主要研究内容10-12
第二章 光纤Bragg光栅加速度传感器设计方法研究12-22
2.1 加速度传感器设计的一般方法12-16
2.1.1 力学模型和特性方程12-14
2.1.2 加速度传感器动态特性分析14-16
2.2 光纤Bragg光栅加速度传感器理论设计16-21
2.2.1 光纤Bragg光栅加速度传感器结构18
2.2.2 光纤Bragg光栅加速度传感器传感特性分析18-21
2.3 光纤Bragg光栅传感器传感系统的组成21-22
第三章 光纤Bragg光栅加速度传感器机械制作研究22-32
3.1 加速度传感器设计原则22
3.2 悬臂梁弹性材料的选择22-23
3.3 粘贴剂的选取与粘贴23-26
3.4 传感器尺寸的确定26-28
3.5 传感器性能分析28-32
第四章 加速度传感器实验及其分析32-54
4.1 光纤Bragg光栅加速度传感器实验及其分析33-43
4.1.1 未加硅油阻尼实验33-39
4.1.2 加硅油阻尼实验39-43
4.2 电阻应变式加速度传感器实验及其分析43-50
4.2.1 未加硅油阻尼实验44-48
4.2.2 加硅油阻尼实验48-50
4.3 光纤光栅加速度传感器与应变加速度传感器实验对比分析50-54
第五章 总结54-55
参考文献56-59
附录A 攻读硕士期间发表论文与参加课题59
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摘要 为了摆脱电磁干扰对磁电式传感器的影响，通过对光纤光栅加速度传感器力学模型分析，建立了加速度与波长变化间的数学模型，设计了低频光纤光栅加速度传感器．实验结果表明，光纤光栅加速度传感器幅频带宽为45Hz，横向抗干扰能力为40dB，能够满足工业测量需要．关键词 光纤光栅；加速度传感器；低频振动；加速度；波长 &&& 低频振动广泛存在于生产实际中，其振动频率一般在100Hz以下．如大型水轮发电机组的振动频率都在15Hz以下；一般公路和铁路桥梁振动的固有频率在2～10Hz左右；工程地震脉动频率一般在2～50Hz之间．对这些低频振动的监测常采用磁电式速度传感器来拾取信号．但在强电磁场环境中，磁电式振动传感器难以克服电磁场的干扰影响，因而其应用也受到了限制．光纤光栅加速度传感器是利用光纤光栅的应变传感机理来实现加速度的测量，并用光的波长变化测量加速度值，用光纤来传输传感信号，集测量、传输于一体，因而具有强抗电磁干扰能力．1 光纤光栅的应变传感机理&&& 根据光纤光栅的弹光效应和弹性效应，当光纤光栅在纵向受到应变时会引起布拉格波长的变化，其满足以下关系：&& 式中，Pe为光纤光栅的有效弹光系数，ε为光栅在轴向的应变，λB为光纤光栅的布拉格波长，△λB为布拉格波长变化量．&&& 公式(1)为光纤光栅传感器的应变传感机理光纤光栅加速度传感器的设计是利用此机理来间接测量加速度物理量在传感器的结构设计上利用悬臂梁的受力把加速度量转换为应变量，从而转化为布拉格波长的变化，通过检测波长的变化即可实现加速度的测量．2 光纤光栅加速度传感器数学模型&&& 图1是光纤光栅加速度传感器机械结构简图，图中悬臂梁一端固定在机座上，另一端放有质量块m，把光纤光栅两端点粘贴在悬臂梁的固定端附近，有利于光栅在受力时应变均匀．在测量物体振动时，把机座固定在振动源上，振动源与机座同时振动，从而引起质量块m的振动，在惯性力的作用下悬臂梁产生收缩和伸长，带动光纤光栅产生应变从而引起布拉格波长的变化，通过探测布拉格波长的变化来实现振动的测量．&&& 以上光纤光栅传感器的结构可以简化为由集中质量m、集中刚度k和集中阻尼c组成的二阶单自由度受迫振动系统，其振动力学模型如图2所示．其中机座振动的位移是x，质量块m振动的绝对位移是xm，弹簧力为k(x-xm)，阻尼力为．设在外力F的作用下机座作简谐振动的位移是：&& && 式中，ω为振动的角频率，d为振动的幅值．由牛顿定律，该振动系统的微分方程可写为：&& &&& 可见质量块m相对于机座的位移xr与机座的加速度成正比．此时可以通过测量质量块的位移变化来测量振动的加速度．&&& 在图1中悬臂梁相当于振动力学模型中的弹簧，其长为L，宽为b，厚为h．光纤光栅粘贴在悬臂梁的上表面，并粘贴在固定端附近，这样有利于提高应变灵敏度.质量块受到振动时，在惯性力的作用下悬臂梁自由端产生的挠度为xr，由此引起固定端附近的光纤光栅应变为：&& &&& 可见光栅的应变ε与质量块相对于机座的位移xr之间成线性关系．另外，根据式(1)，光纤光栅的布拉格波长变化与位移xr间的关系为：&& && 可见光纤光栅的布拉格波长变化与激振源的振动加速度成线性关系，通过测量布拉格波长的变化就可实现振动加速度的测量．&&& 对于图1中的悬臂梁其弹簧刚度表示为：&& 此式即光纤光栅加速度传感器数学模型，它体现了传感器的加速度和光纤光栅反射的波长间的关系．在悬臂梁尺寸确定的情况下，通过测量布拉格波长的变化即可实现加速度的测量．3 光纤光栅加速度传感器特性研究&&& 根据式(15)的光纤光栅加速度传感器的数学模型，设计了固定频率fn=67Hz的低频光纤光栅加速度传感器．弹性梁尺寸为L=80mm，h=1mm，b=5mm，材料选用碳纤维，弹性模量E=128GPa，质量块m=8．8 g，布拉格光纤光栅在静止状态下的波长λB=1551．75nm，波长变化灵敏度80 pm?g-1，经过光电探测器转化为电信号后的灵敏度为s=200mV．g-1．对传感器的动态特性在ES-015振动台上进行了实验研究，图3是在三种不同阻尼比ε时的幅频特性实验中给激振器旋加的加速度值为0．5g(g为重力加速度)，整个测量频带是0～100Hz．从图中可以看出：在l～45 Hz以下是加速度计的幅值平坦区，在45～65Hz是共振区，在65Hz以上是衰减区，所以选用1～45Hz作为其工作区；在共振区内加速度计的特性也与阻尼有关，随着阻尼比的增加振动幅值呈下降趋势，同时共振频率也向低频偏移，但阻尼比对幅值的影响比较显著一些，所以通过选用适当的阻尼可以改变加速度计的共振区特性，防止其工作在共振区时由于幅值过大引起传感器损坏．通常阻尼选在O．707附近，这与其他振动传感器是相同的．&&& 对单自由度的低频光纤光栅加速度计来说，横向抗干扰特性也是一项重要指标．实验在加速度计的测振方向以及与其垂直的侧向分别加0．5g的加速度，在5～45 Hz的频带范围内对两个方向的振动值进行了对比，测量结果如图4所示．从图中可以看出，在加速度计的测振方向激振时加速度计测量输出维持在100 mV 附近，而在与测振垂直方向激振时输出在1～4mV范围内，其横向抗干扰能力达40 dB．可见此种设计方案可以有效降低横向干扰的影响．4 结论&&& 设计了低频光纤光栅加速度传感器通过对其力学模型分析，建立了光纤光栅加速度传感器的数学模型，得到了传感器的加速度和光纤光栅波长变化间的关系．通过振动实验，得到了在不同阻尼下光纤光栅加速度计的幅频特性，其可用幅频带宽为1～45 Hz．另外，通过其横向特性实验抗干扰能力达40 dB．光纤光栅加速度传感器结合自身的强抗电磁干扰特性，可有效代替磁电式振动传感器实现发电机组的振动测量．
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