低频光纤布拉格光栅振动加速度传感器研究.pdf

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1、2013拄仪表技术与传感器2013第12期InstrumentTechniqueandSensorNo．12低频光纤布拉格光栅振动加速度传感器研究罗小东，乔学光，贾振安，高宏，邵敏，陈国祥(1．西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西西安710065；2．西北大学物理学系，陕西西安710069)摘要：考虑到光纤布拉格光栅(FBG)在振动检测中的优势，针对等强度悬臂梁式光纤布拉格光栅低频振动加速度传感器，对其传感原理、固有频率进行了理论分析，考虑了悬臂梁本身质量对振动系统的影响，得出固有频率理论值为21．1Hz．实验结果表明：在5～16Hz的频

2、率范围内，该振动加速度传感器具有较平坦的频率响应曲线，加速度灵敏度为21．5pm／m／s，传感器固有频率20Hz，实验值与理论值相对误差为5．5％，表明该振动加速度传感器能实现低频加速度的测量。关键词：振动加速度；光纤布拉格光栅；固有频率；频率响应中图分类号：TN253文献标识码：A文章编号：1002—1841(2013)12—0007—02StudyonFiberBraggGratingVibrationAccelerationSensorofLowFrequencyLUOXiao—dong，QIAOXue—guang一，JIAZhen—an，GAOH

3、ong，SHAOMin，CHENGuo—xiang(1．KeylaboratoryonPhotoelectricOil-gasLoggingandDetecting，SchoolofScience，XianShiyouUniversity，Xian，710065China；2．PhysicsDepartment，NorthwestUniversity，Xian710069，China)Abstract：ConsideringtheadvantageoffiberBragggrating(FBG)appliedinvibrationdetection，th

4、esensingtheoryandnatu—ral~equencyoftheFBGvibrationaccelerationsensoroflow~equencybasedonuni~rmstrengthcantileverbeamweretheoreticallyanalyzed．Inconsiderationofthecantileverbeam’Squalitywhichaffectsvibrationsystem，thenaturalfrequencytheoryvalueof21．1Hzwasdeduced．Theexperimentalres

5、ultsshowthatthefrequencyresponseisfiat，andtheaccelerationsensitivityofthesen—sotkeeps21．5pm／m／sat5Hzto16Hz，andthenaturalfrequencyis20Hz，whichagreewellwiththetheoreticalanalysis，rela—tiveerroris5．5％．Theresultindicatesthatthesensorcanrealizeaccelerationmeasurementoflow~equency．Keyw

6、ords：vibrationacceleration；fiberBragggrating；natural~equency；frequencyresponse0引言材料，弹性模量将传感器的底边固定在振动台上，当振动台近年来随着光纤传感技术的不断发展，将光纤光栅用于振振动时，质量块在惯性力作用下引起悬臂梁的自由端产生挠度动加速度的测量已成为一个研究热点。。J，光纤光栅振动加速为，引起FBG的应变为度传感器与传统振动加速度传感器相比具有体积小、质量轻、3hs=，(1)动态范围宽、精度高、抗电磁干扰等优点，而且由于其传感信息包含在波长上，在传输过程中不受光强影响

7、J。基于悬臂梁由式(1)可见，FBG的应变与悬臂梁自由端的挠度成正比。又结构的光纤光栅振动加速度传感器结构简单，容易制作，同时知若光纤受轴向应变￡时FBG反射波长改变量具有良好的弯曲特性，适用于加速度测量”J。文中针对等A；tB=(1一P)sAB(2)强度悬臂梁式低频光纤布拉格光栅(FBG)振动加速度传感器，式中P为光纤的有效弹光系数。建立了力学模型，并对其工作原理、固有频率进行理论分析并当振动台的振动频率小于传感器固有频率时，对质量块应进行实验研究，尤其在计算固有频率时考虑了悬臂梁的质量分用牛顿第二定律，并联立式(1)、式(2)，可得布对振动系统的影响

8、，所得固有频率比未考虑悬臂梁质量分布3hA△AB=一(1一P)B。(3)zr所得