传感器(同名2738)

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1、基于布拉格光栅的直接拉伸压缩法设计一：该设计将质量块的振动传递到光纤光栅的轴向应变变化，质量块与检波器外壳通过横向限振片相连接，光纤穿过质量块，Bragg光栅刻在光纤中，外加涂覆层，在质量块上张拉一个Bragg光栅 ,此结构可以使质量块带动Bragg光栅仅产生相对外壳的轴向运动。图1.传感器结构设计图。 图2.（a）传感器结构设计图 (b)传感器结构封装图 （c）限振片结构 光纤光栅检波器所使用的光纤光栅的杨氏模量和普通光纤相同，在用于振动检测时，必须剥去包层，仅留下的纤芯。该检波系统中采用的各项常数如下： 光纤的杨氏模量，纤芯直径为。质量块半径 高 光纤横截面积 光纤有效长度铍青铜的杨氏模量

2、 限振片厚 宽 长灵敏度分析：由以上光纤光栅地震检波器的工作原理分析可知该传感器系统的灵敏度系数 其中 K为限振片的等效刚度系数 根据成大先主编的机械设计手册第17-12页弹性构建的刚度可得代入数据可得灵敏度系数 或固有频率分析：检波器的固有频率 其中由以上分析可得检波器的固有频率 动态范围为： 结构中光纤的有效长度为,按对应计算，光栅最大漂移对应，则结构中光纤的长度变化量为 而解调仪的分辨率可达到，所以此设计结构的动态范围为：加速度范围分析： Bragg光栅的中心波长变化量为，当质量块取，灵敏度 时，最大可测得频谱特性分析：光纤光栅振动传感探头模型由惯性质量没m，弹性元件k和阻尼器c组成，质

3、量块m受到与运动方向相反的惯性力以及横向限振片和光纤对它的拉力作用。 假设检波器工作时，弹簧片和光栅的形变量相等。当振子与大地同时振动的瞬间：假设外壳的振动量为光纤光栅的长度变化为，根据牛顿第二定律： 得探测系统的微分方程为： (1)其中，K为弹簧片的刚度系数；E为光纤的杨氏模量；A为光纤的横截面积；L为光纤有效长度。 将(1)式的两边对t进行傅立叶变换，并整理得： (2)对上式进行变形可写为（3）系统的固有频率 阻尼比 均由由系统本身确定，因此系统的传递函数可写成： （4）频率响应特性： （5）幅频特性： （6）相频特性： （7） 图4. 传感器的幅频特性、相频特性曲线由式（5）可知，当=0

4、时，H (i)=1，光纤光栅检波器理想地再现外界振动随时间的变化规律；当时，H (i)在该范围内的变化不超过11%，因此这个范围是检波器的理想工作范围；当时，H (i)1.1，检波器误差较大不能实现线性工作；当时，H (i)的误差小于10%，在数据处理过程中将被测信号反相，则该范围亦可当成检波器的理想工作范围。其它情况下，频率响应的误差都比较大，检波器不能正常地工作。因此，检波器有两个线性工作范围和，当光纤光栅地震检波器将产生机械共振，即系统的固有频率影响检波器的频率使用范围。有以上分析可得：当固有频率时，系统的工作频率是: 温度自补偿分析：假设外界温度变化为T，两光纤光栅的波长漂移量分别为式

5、中为FBG1受压力后输出的中心波长; 为FBG2受拉力后输出的中心波长;为FBG横向泊松比;为轴向应变(当光栅受拉力时取“+”,反之取“-”)。则FBG1和FBG2的中心波长差为因此 其中为光纤光栅相对波长应变.灵敏度系数，波长变化只与应变有关与温度无关。所以该传感器利用双光纤光栅的结构能很好地进行温度补偿。但同时该结构还存在一些需要进一步考虑和改进的技术问题，若要进入实用化则其封装和光纤引出线的保护都是急需解决的问题。通过改进最终实现光纤Bragg光栅地震检波器的实用化。原有三梁设计结构的改进方案： 为了消除横向应变对测量结果的影响,结构中的质量-弹簧系统应不与传感器外壳接触,并采用等截面悬

6、臂梁,且其宽度远大于厚度,这样可以通过提高抗弯刚度而减少横向干扰的影响。在振动质量块处设计了机械停止（限振结构），具有一定程度的过载保护作用,避免了传感器在工作过程中因过大激励超出光纤应变而损坏器件。 光纤Bragg光栅加速度传感器传感头结构矩形悬臂梁结构示意图对于上图所示的悬臂梁模型（长，宽，高）假设其自由端受集中应力作用，我们可以利用挠曲线近似微分方程求得梁的挠度方程。以梁的左端点为坐标原点，建立如图所示坐标系， 根据材料力学知识【铁摩辛柯S,盖.尔J著,胡人礼译.材料力学M.北京:科技出版社,1978年3月第1版:215218】，悬臂梁的挠度曲线的基本微分方程为 式中： 为悬臂梁受力形变

7、后的挠度，为材料的杨氏模量，为悬臂梁绕中性轴的惯性矩，为悬臂梁绕中性轴的弯矩，距原点处截面的弯矩为【王跃，张伟刚，杨翔鹏等.光纤布拉格光栅的半金属管封装及挠度实验研究.传感技术学报.2002，3：203207】 根具和的正负号规定【赵勇 编著，光纤传感原理及应用技术M.北京：清华大学出版社，2007年8月第一版：154155】上式可改写为 因此悬臂梁的挠度曲线的基本微分方程可写为两次积分后可得 由边界条件解得积分常数 ， 因此悬臂梁的挠度曲线方程可写为 悬臂梁自由端的挠度为 灵敏度分析：设光纤的有效长度为,变化量为，在实际设计中，悬臂梁仅发生很小的挠度，所以挠度曲线比较平坦。因此悬臂梁自由端光

8、纤的变化量就等于其挠度值，即由光纤光栅应变测量的一般公式【赵勇 编著，光纤传感原理及应用技术M.北京：清华大学出版社，2007年8月第一版：154】 可得则灵敏度系数光纤的杨氏模量，纤芯直径为，光纤的有效长度为代入以上各值，则光纤光栅的弹性系数等截面悬臂梁的厚，宽 ，长，材料为铍青铜，其杨氏模量代入以上各值，得等截面悬臂梁的弹性系数。质量块的质量将上述各个参量代人灵敏度系数表达式得固有频率分析：根据【成大先主编的机械设计手册第17-12页】弹性构建的刚度可得系统总的弹性系数 则系统的固有频率代人上述各值得限位：结构中光纤的有效长度为,Bragg光栅最大漂移量为，对应，由 可求得光纤的长度变化量

9、为： 因此，机械停止结构应固定于距离矩形梁上下表面处的地方。动态范围为：结构中设计的光纤Bragg光栅所能承受的最大应变为，而解调仪的分辨率为达到（即），所以此设计结构的动态范围为：验证：当光纤应变时，由可解得矩形梁自由端受力 则加速度矩形梁的最大许用应力为根据【成大先 主编，机械设计手册M.北京：化学工业出版社，2004年1月第一版：18-3718-40】安全系数 则小于基本许用应力。因此光栅承受最大应变为是可行的光纤光栅应用于振动传感,要求严格的温度补偿,文中采用两个光纤FBG1和FBG2的方案可以实现温度自补偿基于以上分析提出三维光纤Bragg光栅加速度传感器下图是三维空间光纤Bragg

10、光栅加速度传感器的传感头结构, 该一体化设计克服了原有组合拼装三维加速度传感器的稳定性差、装配难等缺点，从而可以实现对系统的空间加速度的检测。 由一维矩形梁光纤Bragg光栅加速度传感头的分析可知：当三个矩形梁的厚，宽 ，长完全相同时，Z轴方向有加速度a时，根据矩形梁自由端的挠度公式 ，代入数值可算得Z轴自由端的挠度是X轴和Y轴挠度的2500倍。因此相对于Z轴方向光纤的长度变化量而言，X轴和Y轴光纤长度变化量非常微小，所以可以认为当Z轴有加速度时X轴和Y轴不敏感，及三梁互不影响。原理二:基于布拉格光栅弹性梁法三维光纤Bragg光栅加速度传感头由三部分组成：中心是一个体积非常小的正方体质量块（材

11、料：黄铜），六个弹性杆（底面积非常小的长方体）两端分别固接在质量块和外壳上,每个弹性杆的下底面粘有Bragg光栅并且在固定时给每个光纤Bragg光栅施加一定预应力，并使6个光纤Bragg光栅具有一定间隔的反射中心波长。图3. 三维光纤Bragg光栅加速度传感头结构图如图所示当有加速度产生时,惯性质量块感知加速度,并产生一个惯性力,作用在6个带有光纤Bragg光栅的弹性杆上,从而使光纤Bragg光栅产生应变,6个光纤Bragg光栅反射的中心波长也随之产生变化,只要解调出每个Bragg光栅反射中心波长的变化,就可以求出每个方向上的加速度分量,从而测得其空间加速度。现在以Y轴方向为例，分析当有任意方

12、向加速度时其灵敏度系数的大小：结构中设计的质量 块体积较小,可将其看作是一个质点, 因此当有加速度时，空间三轴方向中的任一轴方向上的两个光纤Bragg光栅具有相同大小的位移量。假设每个光纤光栅的有效长度为l,在惯性质量块在空间产生的位移量在3个坐标轴上的分位移分别为x、y、z。此时Y轴方向的两个光纤Bragg光栅d和c分别受压力、一个受拉力,产生的应变差为: （1） （赵彦涛, 李志全. 基于Bragg光纤光栅的三维加速度传感器的研究J. 仪器仪表学报, 2006,(S1)）由光纤光栅应变测量的一般公式 （2）（赵勇 编著 光纤传感原理及应用技术清华大学出版社 P154）得通过对质量块的受力分析可知 ，Y轴方向产生位移y后的惯性力 （4）其中K为弹性杆的弹性系数 弹性梁材料为铍青铜，其杨氏模量，梁长，宽，厚，则 光纤的杨氏模量，纤芯直径为，光纤光栅的长度为代入以上各值，则光纤光栅的弹性系数由（3）、（4）式可得 则灵敏度系数 固有频率代入上述各值可得灵敏度系数 固有频率如果去掉弹性梁直接拉裸光纤，则 (3) 在高温或低温情况下进行的高处作业。高温是指作业地点具有生产性热源，其气温高于本地区夏季室外通风设计计算温度的气温2及以上时的温度。低温是指作业地点的气温低于5。