光纤Bragg光栅振动传感器抗横向干扰设计*

张继军， 吴祖堂， 彭映成， 赵 艳， 邹 虹

(西北核技术研究所，陕西 西安 710024)

0 引 言

基于光纤Bragg光栅(fiber Bragg grating,FBG)的振动传感器具有高稳定性、高精度、低功耗、低频性能好等优点，具有广阔的应用前景[1]。目前，国内外关于FBG振动传感器的研究，主要通过利用不同结构、材料进行封装来提高传感器性能。Berkoff T A等人采用嵌入式结构设计，固有频率可达2 000 Hz以上，但未实现温度补偿[2]；Todd M D等人采用盘片式结构，该结构灵敏度不高，且易产生啁啾效应[3]；Mita A等人采用悬臂梁式传感器的频响较低,适用范围窄[4]；刘钦朋等人提出FBG振动传感器的横向干扰问题，采用双悬臂梁的设计将横向干扰控制在较低水平[5]。

针对上述传感器存在的不足，本文依据低频微振信号的监测需求，设计了一种弹簧振子式双FBG振动传感器，通过对传感器探头结构和配合尺寸进行优化设计，可有效降低传感器的横向灵敏度。ANSYS模态分析表明，设计的传感器2阶、3阶、4阶模态谐振频率远大于1阶模态谐振频率，能够有效避免传感器在使用过程中的交叉敏感问题[6]。在理论分析和数值模拟结果的基础上，加工了传感器并对其抗横向干扰能力进行了实验分析，取得较好效果。

1 结构设计与分析

1.1 传感器结构设计

FBG振动传感器是利用FBG的波长调制原理，通过传感探头将振动信号转换为FBG所受应力的变化，进而引起FBG反射波长的变化，通过解析波长信号就可以获得振动信号的振幅和频率等力学参数。图1为传感器的基本结构，主要由质量块，双FBG和保护外壳组成。振动质量块位于2个FBG的中间位置，光纤上下两端固定在壳体上。质量块两端的光纤处于拉紧状态，相当于2个弹簧，与质量块组成双弹簧—振子系统。当传感器受到平行于传感器轴向的加速度a作用时，质量块由于惯性力的作用对上下2根光栅分别施加拉伸和压缩力，这2个力大小相等，方向相反，从而引起FBG反射光中心波长发生变化，通过测量波长的变化量，就可获得加速度大小[7～9]。

图1 传感器基本结构

设m为质量块质量，E为光纤的弹性模量，A为光纤的横截面积，L为光纤的长度。当传感器受到加速度a作用时，光纤受到的拉伸力大小f=ma，则光纤的长度变化量ΔL和加速度a之间的关系为

(1)

式中 ΔL/L为光纤的应变量ε(光栅的应变量与此相同)。根据光纤光栅的轴向应力特性可知

ΔλB/λB=(1-Pε)ε.

(2)

其中，Pε为有效弹光系数，对于石英光纤，可取

ΔλB/λB=0.78ε.

(3)

将式(3)代入式(1)中，可得到传感器的加速度灵敏度

(4)

另外，传感器的谐振频率为

(5)

在本设计中，光纤在传感器量程范围内始终处于拉紧状态，质量块两侧的光纤相当于2个弹簧，因此,式(5)中的弹性系数k=2EA/L。振动质量块材料为紫铜，尺寸为Ф16×10(mm×mm)，m=17.90 g，E=73 GPa，A=1.23×10-8m2，L=20 mm，2个光栅的初始中心波长均取1 550.55 nm。理论分析可得传感器的灵敏度S=236.64 pm/gn，固有频率fn=356.12 Hz。

1.2 质量块的抗横向干扰设计

振动传感器的抗横向干扰特性是一个十分重要的性能指标，在不影响质量块竖直运动的条件下限制其横向运动，是一个可行的方法。为了达到上述目的，对质量块进行了特殊设计，如图2所示。在质量块的上下两端设计2个直径为1 mm的圆弧体，确保质量块与石英管壁处于线接触状态，减少二者之间的摩擦对传感器输出的影响；通过控制质量块外径与石英管内径的配合公差，限制质量块在横向上的运动，提高传感器的抗横向干扰能力。

图2 质量块抗横向干扰设计

2 有限元分析

为了研究和分析传感器在敏感方向加速度作用下结构的可靠性，使用数值模拟软件ANSYS对所设计的传感器进行模态分析和静力分析，获得传感器的固有频率和灵敏度参数。材料的参数如表1所示，光纤光栅采用Link 8单元，质量块和基体结构采用Solid 45单元，光纤的预拉力为1.5 N，使用映射划分单元对模型进行网格划分，网格划分效果如图3所示[10～13]。

表1 主要材料参数

图3 ANSYS网格划分

2.1 模态分析

图4给出了传感器的前四阶模态振型，各阶模态振型对应的固有频率如表2所示。由图4可知，1阶模态是传感器的检测模态，质量块沿Z轴向做往复运动，2阶和3阶模态分别代表传感器在Y轴，X轴方向的振动。

图4 传感器前四阶模态振型

由表2可知，传感器的2阶、3阶和4阶模态的谐振频率远远大于1阶检测模态谐振频率，可以避免检测时发生交叉耦合，有利于减小横向灵敏度，提高传感器在Z轴方向上输出的精度，满足微振信号的监测需求[6]。

表2 前四阶模态谐振频率表

2.2 灵敏度分析

当传感器受到敏感方向外部加速度时，传感器质量块将沿敏感方向运动，质量块的惯性力作用于光纤光栅，2个光栅分别拉伸和压缩，从而产生波长漂移，这就是传感器的灵敏度。为了分析传感器的灵敏度，对传感器加速度逐步加载的过程进行模拟，起点为0gn,步进为0.5gn,最大加速度加载值3gn,通过计算，获得传感器的加速度灵敏度为237.19 pm/gn,线性度为99.98 %。图5是传感器在模拟加载1gn加速度时的光纤云应变图。

数值模拟结果表明:传感器的一阶谐振频率为355.74 Hz，灵敏度为237.19 pm/gn，与理论值356.12 Hz，236.64 pm/gn的相对误差分别为0.11 %，0.23 %。理论分析与数值模拟结果吻合度很高，达到预期设计目标。

图5 1 gn加速度下光纤云应变图

3 实验验证

ANYSY模态分析结果表明，该传感器具有良好的抗横向干扰能力。为了检测其抗横向干扰能力，将传感器垂直固定在水平振动台上，使得振动方向与传感器的敏感方向相垂直，对传感器施加以水平的振动信号，观察传感器输出波长的变化。图6是传感器在垂直和水平振动情况下传感器的输出对比结果，由图可以看出:在同等大小加速度激励的情况下，FBG传感器横向输出占敏感方向(轴向)输出的最大比例为3.47 %，与压电类传感器±5 %的横向干扰相比，设计的FBG振动传感器的抗横向干扰能力得到了较大程度的提高，可满足微振信号的监测需求。

图6 30 Hz下垂直方向和横向波长响应

4 结 论

本文针对FBG振动传感器存在横向干扰的问题，对一种FBG振动传感器的探头结构和配合尺寸进行了优化设计，并对其进行了ANSYS仿真分析，达到了抑制横向干扰的效果。实验结果表明:在同等大小加速度激励情况下，横向输出占轴向输出的最大比例为3.47 %，表现出良好的抗横向干扰特性，可满足微振信号的监测需求。

参考文献:

[1] Wu J,Masek V,Cada M.The possible use of fiber Bragg grating- based accelerometers for seismic measurement[C]∥Proc of Conference on Electrical and Computer Engineering,2009:860-863.

[2] Berkoff T A,Kersy A D.Experimental demonstration of a fiber Bragg grating accelerometer[J].Phot Tech Lett,1996,8(12):1677-1679.

[3] Todd M D,Johnson G A,Althouse B A,et al.Flexural beam-based fiber Bragg grating accelerometer[J].IEEE Photon Tech Lett,1998,10(11):1605-1607.

[4] Mita A.Fiber Bragg grating-based acceleration sensors for civil and building structures[D].Weimar:Bauhans University Weimar,2000.

[5] 刘钦朋,乔学光,贾振安,等.双悬臂梁光纤Bragg光栅应力传感器[J].光子学报,2007,36(9):164-167.

[6] 赵 锐,石云波,唐 军,等.MEMS面内大量程加速度传感器设计与分析[J].传感技术学报,2011,24(8):1118-1121.

[7] 孙汝蛟,孙利民,孙 智,等.一种新型光纤布喇格光栅振动传感器研究[J].光子学报,2007,36(1):63-67.

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