Vol.28 No.1 巩宪锋等：低频光纤光栅加速度传感器 ·77· 坏.通常阻尼选在0.707附近，这与其他振动传示.从图中可以看出，在加速度计的测振方向激 感器是相同的「7 振时加速度计测量输出维持在100mV附近，而 在与测振垂直方向激振时输出在1~4mV范围 750L 。ξ0.0 内.其横向抗干扰能力达40dB.可见此种设计方 -●5032 600 0116 案可以有效降低横向干扰的影响. 4 结论 300 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 150 的数学模型，得到了传感器的加速度和光纤光栅 060 80 100 波长变化间的关系.通过振动实验，得到了在不 率z 同阻尼下光纤光栅加速度计的幅频特性，其可用 图3不同阻尼比的频响特性 隔频带宽为1~45Hz.另外，通过其横向特性实 Fig.3 Characteristics to response at different damping ratios 验抗干扰能力达40dB.光纤光栅加速度传感器 and frequencies 结合自身的强抗电磁干扰特性，可有效代替磁电 对单自由度的低频光纤光栅加速度计来说， 式振动传感器实现发电机组的振动测量 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 参考文献 0.5g的加速度，在5一45Hz的频带范围内对两 「1】桂中华，韩风琴，水轮发电机振动的在线监测与动态仿真 个方向的振动值进行了对比，测量结果如图4所 华南理工大学学报，2003.31(10)：58 [2]郑旭锋，压电传感技术在桥梁振动检测中的研究与应用 110 一测振向 压电与声光，2003,25(1)：71 女一测问 [3】俞阿龙，黄惟一，振动速度传感器幅频特性改进方法的研 100 究.自动化仪表，2004,25(5)：4 [4)Botsis J.Humbert L.Embedded fiber Bragg grating sensor for internal strain measurements in polymeric materials.Opt Lasers Eng,2005,42(3):491 [5]Cusano A,Cutolo A.Dynamic strain measurements by fiber 4 Bragg grating sensor.Sens Actuators A.2004.110(1):276 16]Zhao Y.Discrimination methods and demodulation techniques 0 10一的2元25303540 45 for fiber Bragg grating sensors.Opt Lasers Eng,2004,41 频率z (1):1 图4加速度计横向抗干扰特性 [7】张永喜，范云宵，超低频振动传感器的设计与分析.传感器 Fig.4 Characteristics to resist cross axis disturbance 世界，2004,10(7)：26 Low frequency fiber Bragg grating acceleration sensors GONG Xianleng,YI Honggang,ZHOU Xiaomin,WANG Chungsong,YUE Shifeng Mechanical Enginering School,Untversity o!Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT To avoid the interference of electromagnetism to magnetoelectric sensors,a mathematical model between acceleration and wavelength was proposed with the analysis of fiber Bragg grating accelera- tion sensors'mechanical model,and then a low frequency fiber Bragg grating acceleration sensor was de- signed.With the experiment,the frequency range of amplitude is 45 Hz and the cross-axis disturbance is 40 dB.which means that the sensor can be used in practice. KEY WORDS fiber Bragg grating;acceleration sensor;low frequency vibration;acceleration;wavelengthV o l . 2 8 N o . 1 巩宪锋等 : 低频光纤光栅加速度传感器 坏 . 通常阻 尼 选 在 0 . 7 07 附近 , 这 与 其他 振 动 传 感器是相 同的 [ 7 . ō | l | . | 1 | 百 | , 1 1 ! | 吧 | l 7 5。 万{ 一~ 一刁卜- ~ } 6。。 ~ ) 一 含 一 0 大) (〕l 云二住。刃 之 · O { l亡, _ _ _ ` 洲 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 10 0 m V 附近 , 而 在与 测振垂 直方 向激 振 时输 出在 1 一 4 m V 范 围 内 , 其横向抗 干扰能力 达 4 0 d B . 可见 此种设 计方 案 可以有 效降低横 向干扰的 影响 . 延暨汁遥 一 _ _ _ _ 一一一昌 一_ ~ . 一 - 二- - - - J - 二二匕旦之臼 2 才) 4 0 6 0 80 ] 0 0 匕卜||ót l ì 。 频率 1l/ z 图 3 不 同阻尼比的 频响特性 F i g . 3 C h a ar e t e r `s t i c s t o esr 因n s e a t d i fe er n t d a m p j n g ar t i os a n d 阮q u e n e i e s 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 一 向 以 及 与 其 垂 直 的侧 向分 别加 0 . 5 9 的加速度 , 在 5 一 45 H z 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 · , n { 一 1 测振 湘 田 { ’ 厂 表价 ’ ` ! 一刊 卜一 侧 }叫 10 卜一刁 一— . 一一一 劣一 三 0 Q 乃0 目瞥A\日 ` _ - 曰~ 山 一川 一 . ~ 叫. 一 一 一 一 山 _ ~ ~ 电尸 . ~ - — l 三二竺二二二 _ 一 _ . : 。 , } 5 10 15 2 0 2 5 3 0 35 4 0 4 5 频率 舰 z 图 4 加速度计横向抗干扰特性 F i g . 4 C h a ar e t e d s t i e s t。 溉i s t e osr s a x i s d i s t u r b a n 沈 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 一 45 H z . 另外 , 通 过 其横 向特性 实 验抗 干扰能 力达 4 0 d B . 光纤 光 栅 加速 度 传感 器 结 合 自身的 强抗 电磁 一 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 . 参 考 文 献 上1 1 桂中华 , 韩风 琴 . 水轮发电机振 动的在 线监测 与动态仿真 . 华南理工大学学报 , 2()0 3 , 3 x ( 1 0 ) : 5 5 口 ] 郑旭 锋 . 压 电传感技术在 桥 梁振动检测 中的研 究与应 用 . 压电与声光 , 2 0 0 3 , 2 5 ( l ) : 7 1 【3 3 俞阿龙 , 黄惟一 振动速度 传感器 幅频特性改 进 方法 的研 究 自动化仪表 , 2 004 , 2 5 ( 5 ) : 4 〔4 〕 oB t 、 l s J , H u m b e r t L Em b e d d e d f l b e r B r a g g g r a t i n g s e n so r f o r 一n t e r n a l s t r a l n rn e a s u r e m e n t s 一n p o l y m e r i e m a t e r 一a l s . o p t I a s e rs E n g , 2 00 5 , 4 2 ( 3 ) : 4 9 1 〔5 J C u s a n o A , C u t o l o A D y n a m l c St r a i n m e a s u r e m e n t s by f l b e r B r笔9 g r a t l lg s e n so r S e n s A c t u a t o rs A , 2 0 0 4 , 1 10 ( 1 ) : 2 7 6 「6 ] Z h o Y . D i s e r l m l n a t 、 ( ) n rn e t h o d s a n d d e m o d u l a t : o n t e e h n l q u e s f o r f l b e r B r娘 9 g r a t 一n g s e n so r s . O P t L a s e r s E n g , 20 04 , 4 1 ( 1 ) : 1 { 7 〕 张 水喜 , 范云 宵 . 超 低频振动传感器 的设 计与分析 . 传感器 世界 , 2 0 0 4 , x o ( 7 ) : 2 6 L o w f r e q u e n e y f i t 》e r B r a g g g r a t i n g a e e e l (: r a t i o n s e n s o r s G O N G 为。 : 加 n g , Y云阶 n 吕召1习 n g , Z月O U X 故o m 动 , I犷八N G hC a n gst (,n g , Y U E s h ife n g M e e h a n 一e 之 1 E n g z n e r l了19 Sc h加 l , U n 一v e r s t t y o f S e le n e e a n d T e e l 飞 no l o g y B e l J i n g , B e 一] 一n g 1 0 00 8 3 , (二h 一n a A B S T R A C T 1 0 a v o l c 、 t h e i n t e r f e r e n e e o f e l e e t r o rn a g n e t i s rn t o m a g n e t o e l e e t r i e s e n s o r s , a m a t h e m a t i e a l nr o d e l b e t w e o n a e e e l e r a r x o n a n d w a v e l e n g t h w a s P r o P o s e d w i t h t h e a n a l y s i s o f f ib e r B r a g g g r a t i n g a e e e l e r a - t xo n s e lr s o r s ’ m o e h a n i e : 。 1 nr o d e l , a n d t h e n a l o w f r e q u e n e y fi b e r B r a g g g r a t s n g a e e e l e r a t i o n s e n s o r w a s d e - s l g n e d . W l t h t h e e x p e r im e n t , t h o f r e q u e n e y r a ir g e o f a nr p li t u d e 1 5 4 5 H z a n d t h e e or s s 一 a x i s d i s t u r b a n e e i s 4 0 d B , w 于 1 1 e h m e a n 。、 t h a t t h e s e n so r e a n b e 、 l s e d i n P r a e t l e e . K E Y W O R D S f l b e r B r a g g g r a t i r i g ; a e e e l e r a t l o n s e n s ,〕 r ; l o w f r e q u e n e y v ib r a t i o n : a e e e l e r a t i o n : w a v e l e n g t h