1、光纖傳感器研究與設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目： 光纖光柵加速度傳感器 姓 名： 學(xué) 號： 年 級： 專 業(yè)： 報(bào)告設(shè)計(jì)名稱：光纖光柵加速度傳感器傳感器功能描述： 加速度傳感器是利用物體的慣性測量物體運(yùn)動情況的一類慣性傳感器。它的輸出是與運(yùn)載體的運(yùn)動加速度成比例或者具有一定關(guān)系的信號。加速度傳感器的基本原理是基于牛頓經(jīng)典力學(xué)，即牛頓第二定律：物體在外力的作用下將產(chǎn)生加速度，其大小與所加外力成正比，與物體質(zhì)量成反比，方向與作用力的方向一致。光纖光柵加速度傳感器是通過質(zhì)量塊在外力的作用下帶動彈性體發(fā)生形變，從而帶動固定在彈性體上的光纖發(fā)生形變，從而使光纖光柵的光柵常數(shù)發(fā)生改變，達(dá)到改變輸出波長的目的，這樣通過測

2、量輸出波長的漂移量就可以得到所測的加速度的具體值。傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域：光纖光柵加速度傳感器與其他電子類加速度傳感器相比，具有本質(zhì)防電、抗電磁干擾、信號傳輸距離遠(yuǎn)和靈敏度高等特點(diǎn)，因此光纖加速度傳感器與電子類加速度傳感器相比具有更廣闊的應(yīng)用空間。光纖光柵加速度傳感器可應(yīng)用于汽車、船舶、橋梁、航空航天和振動監(jiān)測等多個(gè)方面。傳感器設(shè)計(jì)指標(biāo)：此光纖傳感器是由光纖光柵和鋼結(jié)構(gòu)以及質(zhì)量塊組成的系統(tǒng)，傳感器的諧振頻率極大的提高。將兩個(gè)光纖光柵分別固定在兩個(gè)彈性鋼結(jié)構(gòu)上，通過感知鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變來實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動到光波長的轉(zhuǎn)換。此傳感器的設(shè)計(jì)諧振頻率應(yīng)該達(dá)到3000Hz以上，并且應(yīng)該具有較高的靈敏度和較大的線性測量范圍

3、。傳感器的基本原理: FBG加速度傳感器是將光纖光柵固定在鋼片上，當(dāng)傳感器外部有加速度時(shí)，鋼片會發(fā)生形變從而引起光纖光柵的形變，由下式式中為FBG反射的波長，是光柵周期，是光纖光柵的有效折射率。當(dāng)光纖光柵發(fā)生形變時(shí)，光纖光柵的光柵常數(shù)發(fā)生改變，導(dǎo)致其輸出波長發(fā)生變化，通過測量光纖光柵輸出波長的漂移量，即可得到加速度。根據(jù)光纖光柵波長與應(yīng)變變化關(guān)系式和彈性系統(tǒng)中加速度與應(yīng)變的關(guān)系：可得到：其中上式中是光纖的彈光系數(shù)，為鋼片的彈性模量。上式為光纖光柵波長改變量與加速度的線性變化關(guān)系。根據(jù)上述公式可得到鋼片的彈性系數(shù)為由此得到系統(tǒng)的無阻尼諧振頻率：下面兩圖分別是傳感器中彈性元件的尺寸示意圖和將彈性元

4、件簡化為彈簧的示意圖。由于彈性元件的材料為鋼，鋼具有較高的彈性模量，可以彈性元件分割成如圖中虛線所示六部分，并且每個(gè)部分受力變形時(shí)為線性變形，所以可以分別簡化為彈簧。同時(shí)，光纖本身也具有一定的彈性，所以可以將光纖也簡化為一根彈簧，就有如下圖所示的七根彈簧一起作用在質(zhì)量塊上。此時(shí)系統(tǒng)的無阻尼諧振頻率可由各個(gè)彈簧總的諧振頻率加和求出為：即傳感器設(shè)計(jì)方案：利用飛秒激光在光纖上刻制光柵，方法為光纖沿著z軸勻速移動，利用飛秒激光器射出激光，透過相位掩膜板的光束聚焦在光纖上進(jìn)行曝光，從而在光纖上形成光柵如圖所示。 傳感器的外殼以及彈性元件材料都為鋼，可以使用機(jī)床直接進(jìn)行加工。各個(gè)部分都加工好之后，將光纖光

5、柵用膠水固定在彈性元件之上，然后將彈性元件以及質(zhì)量塊一起安裝到傳感器的鋼制殼體中進(jìn)行封裝。傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：（AUTOCAD設(shè)計(jì)）傳感器的制作工藝:(材料的材質(zhì)、組裝、焊接、退火)光纖光柵加速度傳感器中的光纖光柵通過飛秒激光配合相位掩膜板可以在光纖中直接寫入需要的光柵。光纖光柵加速度傳感器的外殼以及彈性元件均采用45#鋼。傳感器的彈性元件中各部分的尺寸較小所以應(yīng)使用精度較高的機(jī)床來進(jìn)行加工。光纖光柵加速度傳感器比較敏感，質(zhì)量塊質(zhì)量的大小對傳感器的性能影響很大，所以質(zhì)量塊進(jìn)行加工時(shí)必須滿足設(shè)計(jì)時(shí)的質(zhì)量，并且要求誤差很小。其余傳感器外殼部分正常加工即可。安裝時(shí)，為使彈性元件和質(zhì)量塊不發(fā)生竄動外殼的

6、兩端固定彈性元件部分可選擇過盈安裝。并且需要在外殼兩端用膠水將光纖光柵固定。完成安裝后，在光纖光柵兩端熔接足夠長的傳導(dǎo)光纖用于數(shù)據(jù)的傳輸。傳感器的標(biāo)定測試：加速度傳感器的標(biāo)定測試系統(tǒng)主要包括軟件和硬件兩部分。其中硬件部分主要包括振動臺、信號源、功率放大器、電荷放大器和在控制箱?？刂葡涫窍到y(tǒng)主控設(shè)備，其內(nèi)部設(shè)有底層單片機(jī)，采集測試過程中的模擬信號，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號上傳給計(jì)算機(jī)；同時(shí)接收計(jì)算機(jī)的數(shù)字指令，傳送給信號源，驅(qū)動信號源，經(jīng)功率放大后控制試驗(yàn)臺進(jìn)行激勵(lì)掃頻。數(shù)字化標(biāo)定系統(tǒng)組成如圖所示：標(biāo)準(zhǔn)振動臺如圖所示：通過標(biāo)定測試中光纖光柵加速度傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的對比，即可了解光纖光柵加速度傳感器的動態(tài)范圍，以及對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。參考文獻(xiàn)：1加速度傳感器批量標(biāo)定測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，焦佳偉,石云波,鄒坤等2加速度傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)研究，李宵宵3一種新型的光纖光柵高頻加速度傳感器，張東生，姚開方，姜德生等4Design and Analysis of a High Sensitivity FBG Acceleromete