采用圆环及新型结构的光纤光栅加速度传感器研究

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光纤光栅是近年来最受关注,发展前景最为广阔的光无源器件之一,在光纤传感领域已经得到了广泛的应用。其中在振动测量领域,基于光纤光栅的加速度传感器由于不受电磁干扰、绝缘性好、易于联网复用等优点而受到了大量的关注与研究。本文以光纤光栅传感技术为基础,利用圆环与简支梁等新型结构,提出了三种光纤光栅加速度传感器的设计方案,并进行了实验测试。  首先提出了一种基于弹性圆环的拉弦式光纤光栅单向加速度传感器的结构设计。对受径向力圆环进行了挠度分析与振动特性分析。对传感器进行了静态压力测量,获得了压力灵敏度为343.5pm/N,换算成加速度灵敏度为27.60pm/g。利用振动台进行了动态特性实验,绘制了传感器的幅频特性曲线,得到传感器谐振频率为227.5Hz,工作频率在20Hz~140Hz之间。测量了加速度与响应输出电压的关系,结果证明二者呈现良好的线性关系。  其次在单方向圆环加速度传感器的基础上提出了二维光纤光栅加速度的设计方案。结构是在圆环外壁两侧角度间隔为90°处对称粘贴两根传感光栅。对传感器进行了理论分析,得到传感器的理论灵敏度可达到296.2pm/g,谐振频率为151.8Hz。通过静态压力模拟实验证明了传感器至少能够测量正负15°之内的加速度矢量信号。动态特性实验表明通过增加L形金属支架传感器能够测量300Hz频率下的二维加速度信号,在目前实验条件下测得横向抑制比在30%以下。  设计了一种基于简支梁结构的紧凑型二维光纤光栅加速度传感器。测量了传感器的冲击响应波形,得到两轴传感器的自由振荡频率分别为234Hz和235.2Hz。测量了两轴传感器的幅频特性曲线,得到谐振频率分别为240Hz和250Hz,工作范围在80~160Hz。还对传感器进行了二维加速度测量性能测试,在100Hz和150Hz的测试频率下,测得的横向抑制比在10%-30%之间。
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