摘" 要:為提升光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,F(xiàn)BG)振動(dòng)傳感器的靈敏度和響應(yīng)頻率,該文提出一種小體積FBG振動(dòng)傳感器并進(jìn)行仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先,采用模塊化結(jié)構(gòu),將質(zhì)量塊使用螺絲固定在兩片橫梁中間;其次,推導(dǎo)傳感器諧振頻率和靈敏度表達(dá)式;接著,使用仿真軟件COMSOL和搭建實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證傳感器性能。結(jié)果表明,傳感器平均靈敏度為100.68 pm/g,諧振頻率為270 Hz,適用于0~180 Hz的振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量。該結(jié)構(gòu)的FBG振動(dòng)傳感器體積小、性能高、成本低、適用性強(qiáng),在工程實(shí)踐中可以被廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:光纖布拉格光柵;振動(dòng)傳感器;模塊化設(shè)計(jì);頻率;靈敏度
中圖分類(lèi)號(hào):TN247" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A" " " " " 文章編號(hào):2095-2945(2025)07-0123-04
振動(dòng)傳感器作為重要的振動(dòng)測(cè)量設(shè)備,在機(jī)械振動(dòng)[1]、建筑安全[2]、地質(zhì)活動(dòng)[3]等監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)檢測(cè)機(jī)械振動(dòng)情況,能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患,避免損失。建筑振動(dòng)監(jiān)測(cè)可以評(píng)估建筑物的健康狀態(tài),發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題。地質(zhì)活動(dòng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)在自然災(zāi)害頻發(fā)的情況下尤為重要,能夠通過(guò)監(jiān)測(cè)地面或地下的異常振動(dòng)進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警。
傳統(tǒng)電子振動(dòng)傳感器抗電磁干擾性能差,限制了其應(yīng)用。光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)振動(dòng)傳感器[4]具有靈敏度高、頻響范圍廣、抗電磁干擾、耐高溫和抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[5],因此,成為研究和工程實(shí)踐的焦點(diǎn)。
為了在保持傳感器體積較小的同時(shí)提高靈敏度和測(cè)量頻域,本文提出了一種新的FBG振動(dòng)傳感器。該設(shè)計(jì)采用可更換應(yīng)變梁,并將質(zhì)量塊安裝在上下2個(gè)應(yīng)變梁之間,減小了傳感器體積,增大了頻響范圍。通過(guò)COMSOL仿真軟件分析傳感器的靈敏度和諧振頻率影響因素,確定了傳感器尺寸參數(shù),最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器的測(cè)量性能。
1" 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示,其中圖1為整體結(jié)構(gòu)圖,圖2為其加工構(gòu)件圖。該傳感器由質(zhì)量塊,應(yīng)變梁,外部框架及光纖光柵組成。質(zhì)量塊材料為金屬鎢,應(yīng)變梁為316不銹鋼,外部框架為鋁合金。應(yīng)變梁通過(guò)1.5 mm螺絲固定在框架上,質(zhì)量塊用螺絲固定在2片應(yīng)變梁的中央。FBG安裝在質(zhì)量塊和外框的表面。光纖豎直方向安裝,采用兩點(diǎn)粘貼法固定,采用該結(jié)構(gòu)能使質(zhì)量塊帶動(dòng)光纖最大化發(fā)生應(yīng)變,從而達(dá)到更高的靈敏度。
2" 理論分析
光纖光柵振動(dòng)傳感器可簡(jiǎn)化為經(jīng)典的“彈簧-質(zhì)量塊-阻尼”組成的單階自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng),如圖3所示,系統(tǒng)分為3個(gè)主要部分,分別是慣性敏感元件m,彈性敏感元件k及系統(tǒng)阻尼c。
在圖4框架圖所示坐標(biāo)系中,質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)方程為
式中:m為質(zhì)量塊的質(zhì)量,z為質(zhì)量塊在豎直方向上的絕對(duì)位移,γ為振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼常數(shù),k為振動(dòng)系統(tǒng)的等效彈性系數(shù),ag為振動(dòng)傳感器所受的振動(dòng)信號(hào)的加速度。
該傳感器的懸臂梁在測(cè)量z軸方向振動(dòng)時(shí)可以看作4根兩端固定載荷在中央的梁結(jié)構(gòu)。根據(jù)彈性元件的剛度公式以及4根懸臂梁的安裝方式,4根懸臂梁的總等效剛度為
式中:E為懸臂梁的彈性模量,d為懸臂梁寬度,t為懸臂梁的厚度,l為懸臂梁的長(zhǎng)度。
光纖的彈性系數(shù)為
式中:Ef為光纖的楊氏模量,Af為光纖的橫截面積,L為光纖應(yīng)變區(qū)域的長(zhǎng)度。
光纖的等效剛度為
在該結(jié)構(gòu)中由于兩光纖采用并聯(lián)的方式固定在傳感器上,相當(dāng)于橫截面積增加了一倍,所以光纖的總等效剛度為
傳感器總等效剛度為
傳感器的諧振頻率表達(dá)為
式中:M為質(zhì)量塊的質(zhì)量。
對(duì)傳感器施加振動(dòng)信號(hào)時(shí),光纖會(huì)處于拉伸或者壓縮狀態(tài)。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析可知
式中:z表示質(zhì)量塊的位移;Mg為質(zhì)量塊的重力,M為質(zhì)量,g為重力加速度。
則FBG的應(yīng)變可以表示為
根據(jù)FBG振動(dòng)傳感器理論可知,光柵的中心波長(zhǎng)變化可以表示為
式中:Pe為光纖的有效彈光系數(shù),λ為FBG的中心波長(zhǎng)。結(jié)合公式(5)(6)(9)(10),推導(dǎo)出傳感器的靈敏度可表達(dá)為
分析上述公式可知,F(xiàn)BG振動(dòng)傳感器的諧振頻率和靈敏度2個(gè)重要性能參數(shù)之間存在著相互制約的關(guān)系,在對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行選擇時(shí),需要綜合考慮傳感器性能和尺寸,并對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析。
3" 仿真分析
為了提升FBG振動(dòng)傳感器的性能,需要對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。從理論分析的結(jié)果可知,質(zhì)量塊的長(zhǎng)度、寬度、厚度、應(yīng)變梁寬度和應(yīng)變梁厚度對(duì)傳感器的靈敏度和諧振頻率影響較大。采用以上參數(shù)使用COMSOL軟件對(duì)傳感器進(jìn)行參數(shù)化建模。設(shè)置物理場(chǎng)為固體力學(xué)模塊增加全局重力場(chǎng)方向沿z軸向下。對(duì)各部件定義材料。對(duì)傳感器進(jìn)行諧振頻率掃描。圖5為傳感器在一階諧振頻率振動(dòng)時(shí)的位移峰值圖像,可以看出質(zhì)量塊中心部位沿縱軸方向位移最大,說(shuō)明傳感器能夠有效地測(cè)量豎直方向的振動(dòng)信號(hào)。
選擇質(zhì)量塊的長(zhǎng)寬高為主要參數(shù)對(duì)傳感器進(jìn)行仿真分析,繪制出如圖6(a)、6(b)、6(c)所示的諧振頻率及振幅分別隨質(zhì)量塊長(zhǎng)度,寬度,高度變化的曲線。根據(jù)公式分析可知,質(zhì)量塊中心部分豎直方向振幅越大,光纖的應(yīng)變?cè)酱?,傳感器的靈敏度也就越大。由圖6可知,發(fā)現(xiàn)質(zhì)量塊的尺寸越大,傳感器的靈敏度越高,同時(shí)諧振頻率會(huì)變低。為了使傳感器具有較小的尺寸及保持較好的測(cè)量性能,分析可知,傳感器寬度減小可以有效減小傳感器的體積,同時(shí)靈敏度和諧振頻率變化不大。最后選擇質(zhì)量塊長(zhǎng)度為20 mm,寬度為10 mm,高度為20 mm。
4" 傳感器封裝與測(cè)試
為測(cè)試傳感器的幅頻響應(yīng)特性,將振動(dòng)傳感器垂直固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上,振動(dòng)臺(tái)輸出的激勵(lì)加速度設(shè)置為0.1 g,再以30 Hz步長(zhǎng)在0~200 Hz和280~400 Hz內(nèi)采集數(shù)據(jù),以20 Hz步長(zhǎng)在200~280 Hz間采集數(shù)據(jù),并繪制FBG中心波長(zhǎng)偏移量變化曲線。如圖8所示。分析可知,傳感器的諧振頻率為270 Hz,在0~180 Hz范圍內(nèi)傳感器曲線響應(yīng)平坦,可作為傳感器的工作范圍。
對(duì)傳感器時(shí)間頻率為100 Hz的激勵(lì)振動(dòng),加速度為0.1 g,可以得到如圖9所示的圖像,其中方形點(diǎn)為解調(diào)系統(tǒng)采集的信號(hào),對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)使用正弦函數(shù)做非線性擬合,能夠得到圖中曲線所示的圖像,該圖像表示光纖光柵波長(zhǎng)的變化情況,對(duì)其中數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析即可得出傳感器在100 Hz時(shí)的靈敏度為120.4 pm/g。
分別在20、40、60 Hz 3個(gè)激振頻率下,對(duì)傳感器施加0.1~0.7 g的激勵(lì)加速度,步長(zhǎng)為0.2 g。分析中心波長(zhǎng)漂移量可知傳感器的靈敏度特性。由圖10可以看出,在同一頻率下,F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)漂移量隨加速度增加而增加。且在測(cè)試的3個(gè)頻率下,F(xiàn)BG中心波長(zhǎng)漂移量與激勵(lì)加速度的線性度較好。
5" 結(jié)論
針對(duì)現(xiàn)有FBG振動(dòng)傳感器體積較大,高靈敏度傳感器測(cè)量頻率范圍過(guò)窄,單一結(jié)構(gòu)測(cè)量振動(dòng)信號(hào)局限性較強(qiáng)的問(wèn)題,提出了一種基于對(duì)稱(chēng)應(yīng)變梁的模塊化FBG振動(dòng)傳感器。傳感器平均靈敏度為100.68 pm/g,諧振頻率為270 Hz,體積為6.24 cm3,可用于0~180 Hz的振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量。傳感器體積小,在該諧振頻率下靈敏度較高,適用于多種振動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制場(chǎng)景,具有廣泛的工程應(yīng)用潛力。同時(shí),傳感器采用模塊化設(shè)計(jì),可以根據(jù)不同工作環(huán)境的要求更換應(yīng)變梁,進(jìn)一步提升了其靈活性和適用性。該應(yīng)變梁式光纖光柵振動(dòng)傳感器在傳感器設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用方面具有重要意義。
參考文獻(xiàn):
[1] 李婧.加速度傳感器在熱連軋機(jī)振動(dòng)測(cè)試中的應(yīng)用研究[J].山西冶金,2024,47(2):199-200,203.
[2] 李華志,李韶崗.基于光纖光柵的剪力墻建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[J].激光雜志,2019,40(8):120-124.
[3] 王梓琳.光纖光柵井中低頻地震檢波器研究[D].西安:西安石油大學(xué),2022.
[4] 王善鯉.FBG振動(dòng)傳感器的研究[D].西安:西北大學(xué),2010.
[5] 李清娜.光纖Bragg光柵振動(dòng)傳感技術(shù)研究[D].西安:西安理工大學(xué),2007.
Abstract: In order to improve the sensitivity and response frequency of Fiber Bragg Grating (FBG) vibration sensors, a small-volume FBG vibration sensor is proposed and simulated and verified by experiments. First, a modular structure is adopted and the mass is fixed between the two beams with screws; secondly, the resonance frequency and sensitivity expressions of the sensor are derived; then, the performance of the sensor is verified using simulation software COMSOL and building experiments. The results show that the average sensitivity of the sensor is 100.68 pm/g, and the resonance frequency is 270 Hz, which is suitable for measuring signals of 0~180 Hz vibration. The FBG vibration sensor with this structure has small size, high performance, low cost and strong applicability, and can be widely used in engineering practice.
第一作者簡(jiǎn)介:胡崇陽(yáng)(1995-),男,碩士。研究方向?yàn)楣饫w光柵振動(dòng)傳感器。
*通信作者:楊延寧(1969-),男,博士,教授。研究方向?yàn)楣怆娮蛹夹g(shù)。