D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2006.01.018 第28卷第1期 北京科技大学学报 Vol.28 No.1 2006年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2006 低频光纤光栅加速度传感器 巩宪锋衣红钢周晓敏王长松岳士丰 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要为了摆脱电磁干扰对磁电式传感器的影响，通过对光纤光橱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45z,横向抗干扰能力为40B,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 分类号TN253 低频振动广泛存在于生产实际中，其振动频 即可实现加速度的测量 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 2光纤光栅加速度传感器数学模型 振动的固有频率在2~10Hz左右2]；工程地震脉 图1是光纤光橱加速度传感器机械结构简 动频率一般在2~50Hz之间，对这些低频振动的 图，图中悬臂梁一端固定在机座上，另一端放有质 监测常采用磁电式速度传感器来拾取信号[3)，但 量块m,把光纤光橱两端点粘贴在悬臂梁的固定 在强电磁场环境中，磁电式振动传感器难以克服 端附近，有利于光栅在受力时应变均匀.在测量 电磁场的干扰影响，因而其应用也受到了限制. 物体振动时，把机座固定在振动源上，振动源与机 光纤光栅加速度传感器是利用光纤光栅的应变传 座同时振动，从而引起质量块m的振动，在惯性 感机理45]来实现加速度的测量，并用光的波长 力的作用下悬臂梁产生收缩和伸长，带动光纤光 变化测量加速度值，用光纤来传输传感信号，集测 橱产生应变从而引起布拉格波长的变化，通过探 量、传输于一体，因而具有强抗电磁干扰能力 测布拉格波长的变化来实现振动的测量. 1光纤光栅的应变传感机理 阻尼 根据光纤光栅的弹光效应和弹性效应，当光 一布拉格光 纤光栅在纵向受到应变时会引起布拉格波长的变 “悬臂粱 化，其满足以下关系6] △AB=(1-P)E λB (1) 式中，P。为光纤光栅的有效弹光系数，ε为光栅 图1光纤光栅加速度传感器结构图 Fig.I Structure drawing of an FBG acceleratlon sensor 在轴向的应变，入B为光纤光栅的布拉格波长，△入B 为布拉格波长变化量 以上光纤光栅传感器的结构可以简化为由集 公式(1)为光纤光栅传感器的应变传感机理. 中质量m、集中刚度k和集中阻尼c组成的二阶 光纤光栅加速度传感器的设计是利用此机理来间 单自由度受迫振动系统，其振动力学模型如图2 接测量加速度物理量.在传感器的结构设计上利 所示.其中机座振动的位移是x,质量块m振动 用悬臂梁的受力把加速度量转换为应变量，从而 的绝对位移是xm,弹簧力为k(x一xm),阻尼力 转化为布拉格波长的变化，通过检测波长的变化 为c(文-云m).设在外力F的作用下机座作简谐 振动的位移是： 收精日期：2005-06-20修回日期：200509-06 基金项目：国家“863"计划项目(No.2003AA312100) x=dcos(wt) (2) 作者简介：巩宪锋(1971一)，男，博士 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：1 2 第 卷 第 期 8 2 年 月 i 0 0 6 北 京 科 技 大 学 学 报 J o n u a r l O f n i U v s r e i y c O t S f n i e n c e a T e d c n 哪梦 幼 h o l B e n i g V 卜 o 2 o 8 N 。 1 n J a . 2 0 0 6 低频光纤光栅加速度传感 器 巩宪锋 衣红 钢 周晓敏 王 长松 岳 士 丰 北京科技大学机械工程学院 , 北京 10 0 0 83 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 45 ZH , 横 向抗干扰能力为 40 dB , 能够满足工业测量需要 . 关健词 光纤光栅 ; 加速度传感器 ; 低频振动 ; 加速度 ; 波长 分类号 T N 2 5 3 低频振动 广 泛存 在 于 生产 实际 中 , 其 振 动 频 率一 般在 10 0 H : 以下 . 如 大型水 轮发 电机组 的振 动频 率都在 15 H : 以下〔` ;] 一般公路 和铁 路桥梁 振 动的 固有频 率在 2 一 10 H z 左右 2[] ; 工 程地震 脉 动频率 一般在 2 一 50 H z 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 仁4一 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 . 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 . 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〔6〕 : △又。 二= = ( 1 一 P 。 ) ￡ 人 B ( 1 ) ’L \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ ’\ \ 叭 \ ,\ ,\ ’\ 、 嘴 式中 , 尸 。 为 光 纤 光栅 的有 效弹光 系数 , 。 为光 栅 在轴向的应变 , 几B 为光 纤光栅的布拉格波 长 , △又B 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 收稿 B 期 : 2 0 0 5一 6 一 2 0 修回 B 期 : 2 0 0 5习9一 6 签金项 目: 国家 “ 8 6 3 ” 计划项 目 (No . 2 0 03 A A3 1 2 10 0) 作者简介: 巩宪锋 ( 1 9 71 一 ) . 男 , 博士 图 1 光纤光栅加速度传感器结构图 F ig . 1 S t r u c t uer d , 戒叱 o f an F E G . e c e】e , 月on s e . 因 o r 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 。 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 x 。 , 弹簧力 为 k ( x 一 x m ) , 阻 尼 力 为 。 ( 主一 士二 ) . 设 在外力 F 的作用下机 座作简谐 振动的位移是 : x = d e o s ( 。 t ) ( 2 ) 式 中 , 。 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 : DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2006. 01. 018