扭轉(zhuǎn)式光纖光柵加速度計(jì)的研究

張毅翔，王宇，薛景鋒

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種光纖光柵傳感器，其中光纖光柵加速度計(jì)得到廣泛的研究［1］。傳統(tǒng)的電測(cè)加速度傳感器基于電阻、壓電、壓阻、電容等原理工作，容易受到電磁場(chǎng)的干擾。另外，一個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)通道，使得測(cè)點(diǎn)多時(shí)布線眾多。光纖加速度計(jì)與傳統(tǒng)加速度計(jì)相比，不但能抗電磁干擾，而且體小、質(zhì)輕、動(dòng)態(tài)范圍寬、準(zhǔn)確度高，能在惡劣環(huán)境下工作［2］。同時(shí)，F(xiàn)BG 系統(tǒng)具有獨(dú)特的波分復(fù)用能力，可大大減少布線工作。對(duì)于工程結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)，往往需要測(cè)量多個(gè)物理量(如應(yīng)變、加速度、溫度等)，基于FBG 可以開(kāi)發(fā)多種物理量的傳感器，從而可實(shí)現(xiàn)同一傳感系統(tǒng)和儀器多物理量的測(cè)量，充分發(fā)揮FBG傳感系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)多、測(cè)量信息大的優(yōu)點(diǎn)，這在工程應(yīng)用中具有特殊的實(shí)際價(jià)值。

1 測(cè)量原理

1.1 FBG 應(yīng)變測(cè)量原理

加速測(cè)量原理利用FBG 對(duì)于應(yīng)變的敏感特性，首先測(cè)量梁的應(yīng)變，再將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換為加速度量。

FBG 需滿足布拉格條件，所謂布拉格條件是指光的反射波長(zhǎng)要滿足下列公式:

式中:λB為布拉格光柵反射波長(zhǎng);neff為光纖纖芯有效折射率;Λ 為布拉格光柵的周期。其余不滿足布拉格條件的波長(zhǎng)會(huì)因?yàn)橄辔徊疃窒?。?dāng)FBG 產(chǎn)生軸向應(yīng)變?chǔ)?時(shí)，Λ 以及neff將發(fā)生變化，從而引起λB的平移，平移量為ΔλB。

式中:pε=［p12－v(p11+p12)］為有效彈光常數(shù);其中p11和p11為彈光張量分量(Pockel 系數(shù))，為光纖材料的泊松比。因此可定義應(yīng)變敏感系數(shù)

從而

1.2 溫度補(bǔ)償原理

由于溫度對(duì)于FBG 應(yīng)變測(cè)量存在很大的影響，因此需要對(duì)溫度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的原理是，通過(guò)對(duì)兩根FBG 粘貼在形變結(jié)構(gòu)的上下表面，分別進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)中心波長(zhǎng)變化量做差能有效的減小甚至消除溫度對(duì)于FBG 應(yīng)變測(cè)量的影響。具體形式為，選擇兩根初始中心波長(zhǎng)相近的FBG，在形變結(jié)構(gòu)的上下表面粘貼兩根FBG (在粘貼前對(duì)其施加一定的預(yù)應(yīng)力)。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生形變時(shí)，F(xiàn)BG 中的一根獲得拉伸效果，另一根獲得壓縮的效果。通過(guò)將兩根FBG 分別與其各自的中心波長(zhǎng)做差，可得應(yīng)變與溫度共同作用下的中心波長(zhǎng)變化量。將兩個(gè)中心波長(zhǎng)的變化量做差，既可以使溫度對(duì)兩根FBG 的影響降低，又可以使測(cè)量應(yīng)變的變化量放大一倍，即靈敏度提高一倍。

2 FBG 傳感探頭原理分析

由于一般懸臂梁發(fā)生形變會(huì)產(chǎn)生豎直方向的位移，且撓度較大，導(dǎo)致FBG 測(cè)量結(jié)果不夠準(zhǔn)確，直接影響了傳感器的性能;而對(duì)于微梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，非線性因素增多，可能導(dǎo)致傳感器線性不好，甚至測(cè)量不準(zhǔn)確。為了克服以上的缺點(diǎn)，同時(shí)吸取了微梁結(jié)構(gòu)的將固有頻率與靈敏度分離的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了這種扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)FBG 加速度傳感器。其優(yōu)勢(shì)在于:選擇扭轉(zhuǎn)軸作為彈性元件，圓截面軸的扭轉(zhuǎn)變形與扭矩之間可以在較大的變形范圍內(nèi)保持良好線性;同時(shí)采取纏繞方式將光纖與旋轉(zhuǎn)盤(pán)固定，可以保證光纖始終沿著旋轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣的切線方向，因此只要旋轉(zhuǎn)盤(pán)不發(fā)生偏心，就能夠保證懸空的FBG 在測(cè)量過(guò)程中始終只有均勻的軸向變形，這樣大大減少了變形傳遞中間環(huán)節(jié)帶來(lái)的不確定性，可以保證質(zhì)量塊慣性力與光柵應(yīng)變之間良好的正比例關(guān)系，同時(shí)增強(qiáng)了傳感器抵抗橫向振動(dòng)干擾的能力，提高光纖加速度傳感器的線性度與穩(wěn)定性。

這種FBG 加速度傳感器的結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 扭轉(zhuǎn)式加速度傳感頭模型

2.1 理論分析

根據(jù)實(shí)際，將傳感器設(shè)計(jì)為扇形結(jié)構(gòu)，針對(duì)如圖2所示的簡(jiǎn)易彈性模型進(jìn)行理論分析。設(shè)扇形結(jié)構(gòu)的半徑為R，厚度為d，小圓盤(pán)半徑為R1，扭轉(zhuǎn)軸半徑為r，軸長(zhǎng)為l，敏感部位FBG 的長(zhǎng)度為l光。

圖2 扇形結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)式加速度傳感頭

截面的扭矩滿足式(5)靜力關(guān)系:

式中:l' 為慣性力臂，截面扭矩與慣性力矩相等。

式(6)代入式(5)得:

則(7)式可寫(xiě)為

當(dāng)扭轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)為l 時(shí)，可得扭轉(zhuǎn)角為

光纖纏繞在圓柱上，圓柱的半徑為r，可得應(yīng)變?chǔ)?

當(dāng)加速度值為1g 時(shí)，其靈敏度s = 1.2e6ε。

扭轉(zhuǎn)情況下的固有頻率計(jì)算公式為

式中:l 為軸長(zhǎng);J 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;G 為剪切模量。

扇形、小圓柱以及軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為

總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J，有

將以上參數(shù)帶入固有頻率以及加速度靈敏度相應(yīng)的公式，可得故有頻率和靈敏度的理論計(jì)算結(jié)果。固有頻率f = 1491.5 Hz，靈敏度s = 2.452 pm/g。

2.2 有限元分析

傳感器采用不銹鋼制作。利用有限元分析軟件MSC. NASTRAN，根據(jù)相應(yīng)參數(shù)，其靜態(tài)仿真結(jié)果如圖3 所示。從仿真結(jié)果可以看出，梁扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的應(yīng)變均勻分布。一階模態(tài)的頻率為f有限元= 1501.9 Hz，理論計(jì)算的固有頻率為f理論= 1491.5 Hz，一階模態(tài)的頻率與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。

圖3 扇形結(jié)構(gòu)一階模態(tài)分析

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集采用MOI 公司提供的SM －130 高速解調(diào)系統(tǒng)，最高解調(diào)頻率達(dá)到2 kHz，滿足試驗(yàn)要求。將傳感器在振動(dòng)臺(tái)上與B＆K 公司傳統(tǒng)的4371 型壓電加速度傳感器比對(duì)，經(jīng)計(jì)算每一支FBG 對(duì)加速度的靈敏度系數(shù)均為16.5 pm/g，故加速度傳感器的靈敏度系數(shù)為33 pm/g。

圖4 為傳感器在80 Hz 下的試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 傳感器在80 Hz 下的試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了一種新型FBG 加速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式，其特點(diǎn)是采用軸的扭轉(zhuǎn)進(jìn)行加速度的測(cè)量，并提出了一種可行的結(jié)構(gòu)。對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果相印證，證明扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的可行性。本文設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為新型FBG 加速度計(jì)的設(shè)計(jì)提出了一種新穎的思路，具有較大的使用價(jià)值。

［1］劉惠蘭，馮麗爽，滕莉，等. 差動(dòng)式光纖Bragg 光柵加速度計(jì)傳感頭設(shè)計(jì)與仿真［J］. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32 (11):1369 －1372.

［2］王惠文，婁英明，江先進(jìn). 光纖加速度傳感器研究進(jìn)展［J］. 光學(xué)技術(shù)，1997，(5):15 －20.

［3］王廣龍，馮麗爽，劉惠蘭，等. 基于FBG 的新型加速度計(jì)研究［J］. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，21 (3):450 －453.