光纤光栅加速度传感器

1、光纤传感器研究与设计报告 题 目： 光纤光栅加速度传感器 姓 名： 学 号： 年 级： 专 业： 报告设计名称：光纤光栅加速度传感器传感器功能描述： 加速度传感器是利用物体的惯性测量物体运动情况的一类惯性传感器。它的输出是与运载体的运动加速度成比例或者具有一定关系的信号。加速度传感器的基本原理是基于牛顿经典力学，即牛顿第二定律：物体在外力的作用下将产生加速度，其大小与所加外力成正比，与物体质量成反比，方向与作用力的方向一致。光纤光栅加速度传感器是通过质量块在外力的作用下带动弹性体发生形变，从而带动固定在弹性体上的光纤发生形变，从而使光纤光栅的光栅常数发生改变，达到改变输出波长的目的，这样通过测

2、量输出波长的漂移量就可以得到所测的加速度的具体值。传感器的应用领域：光纤光栅加速度传感器与其他电子类加速度传感器相比，具有本质防电、抗电磁干扰、信号传输距离远和灵敏度高等特点，因此光纤加速度传感器与电子类加速度传感器相比具有更广阔的应用空间。光纤光栅加速度传感器可应用于汽车、船舶、桥梁、航空航天和振动监测等多个方面。传感器设计指标：此光纤传感器是由光纤光栅和钢结构以及质量块组成的系统，传感器的谐振频率极大的提高。将两个光纤光栅分别固定在两个弹性钢结构上，通过感知钢结构的应变来实现机械振动到光波长的转换。此传感器的设计谐振频率应该达到3000Hz以上，并且应该具有较高的灵敏度和较大的线性测量范围

3、。传感器的基本原理: FBG加速度传感器是将光纤光栅固定在钢片上，当传感器外部有加速度时，钢片会发生形变从而引起光纤光栅的形变，由下式式中为FBG反射的波长，是光栅周期，是光纤光栅的有效折射率。当光纤光栅发生形变时，光纤光栅的光栅常数发生改变，导致其输出波长发生变化，通过测量光纤光栅输出波长的漂移量，即可得到加速度。根据光纤光栅波长与应变变化关系式和弹性系统中加速度与应变的关系：可得到：其中上式中是光纤的弹光系数，为钢片的弹性模量。上式为光纤光栅波长改变量与加速度的线性变化关系。根据上述公式可得到钢片的弹性系数为由此得到系统的无阻尼谐振频率：下面两图分别是传感器中弹性元件的尺寸示意图和将弹性元

4、件简化为弹簧的示意图。由于弹性元件的材料为钢，钢具有较高的弹性模量，可以弹性元件分割成如图中虚线所示六部分，并且每个部分受力变形时为线性变形，所以可以分别简化为弹簧。同时，光纤本身也具有一定的弹性，所以可以将光纤也简化为一根弹簧，就有如下图所示的七根弹簧一起作用在质量块上。此时系统的无阻尼谐振频率可由各个弹簧总的谐振频率加和求出为：即传感器设计方案：利用飞秒激光在光纤上刻制光栅，方法为光纤沿着z轴匀速移动，利用飞秒激光器射出激光，透过相位掩膜板的光束聚焦在光纤上进行曝光，从而在光纤上形成光栅如图所示。 传感器的外壳以及弹性元件材料都为钢，可以使用机床直接进行加工。各个部分都加工好之后，将光纤光

5、栅用胶水固定在弹性元件之上，然后将弹性元件以及质量块一起安装到传感器的钢制壳体中进行封装。传感器的结构设计：（AUTOCAD设计）传感器的制作工艺:(材料的材质、组装、焊接、退火)光纤光栅加速度传感器中的光纤光栅通过飞秒激光配合相位掩膜板可以在光纤中直接写入需要的光栅。光纤光栅加速度传感器的外壳以及弹性元件均采用45#钢。传感器的弹性元件中各部分的尺寸较小所以应使用精度较高的机床来进行加工。光纤光栅加速度传感器比较敏感，质量块质量的大小对传感器的性能影响很大，所以质量块进行加工时必须满足设计时的质量，并且要求误差很小。其余传感器外壳部分正常加工即可。安装时，为使弹性元件和质量块不发生窜动外壳的

6、两端固定弹性元件部分可选择过盈安装。并且需要在外壳两端用胶水将光纤光栅固定。完成安装后，在光纤光栅两端熔接足够长的传导光纤用于数据的传输。传感器的标定测试：加速度传感器的标定测试系统主要包括软件和硬件两部分。其中硬件部分主要包括振动台、信号源、功率放大器、电荷放大器和在控制箱。控制箱是系统主控设备，其内部设有底层单片机，采集测试过程中的模拟信号，并转换成数字信号上传给计算机；同时接收计算机的数字指令，传送给信号源，驱动信号源，经功率放大后控制试验台进行激励扫频。数字化标定系统组成如图所示：标准振动台如图所示：通过标定测试中光纤光栅加速度传感器与标准传感器的对比，即可了解光纤光栅加速度传感器的动态范围，以及对传感器进行标定。参考文献：1加速度传感器批量标定测试系统的设计，焦佳伟,石云波,邹坤等2加速度传感器的标定系统与实验研究，李宵宵3一种新型的光纤光栅高频加速度传感器，张东生，姚开方，姜德生等4Design and Analysis of a High Sensitivity FBG Acceleromete