低頻光纖光柵加速度傳感器

3 光纖光柵加速度傳感器特性研究

根據(jù)式(15)的光纖光柵加速度傳感器的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了固定頻率fn=67Hz的低頻光纖光柵加速度傳感器.彈性梁尺寸為L(zhǎng)=80mm，h=1mm，b=5mm，材料選用碳纖維，彈性模量E=128GPa，質(zhì)量塊m=8.8 g，布拉格光纖光柵在靜止?fàn)顟B(tài)下的波長(zhǎng)λB=1551.75nm，波長(zhǎng)變化靈敏度80 pm·g-1，經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后的靈敏度為s=200mV.g-1.對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)特性在ES-015振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，圖3是在三種不同阻尼比ε時(shí)的幅頻特性實(shí)驗(yàn)中給激振器旋加的加速度值為0.5g(g為重力加速度)，整個(gè)測(cè)量頻帶是0～100Hz.從圖中可以看出：在l～45 Hz以下是加速度計(jì)的幅值平坦區(qū)，在45～65Hz是共振區(qū)，在65Hz以上是衰減區(qū)，所以選用1～45Hz作為其工作區(qū);在共振區(qū)內(nèi)加速度計(jì)的特性也與阻尼有關(guān)，隨著阻尼比的增加振動(dòng)幅值呈下降趨勢(shì)，同時(shí)共振頻率也向低頻偏移，但阻尼比對(duì)幅值的影響比較顯著一些，所以通過(guò)選用適當(dāng)?shù)淖枘峥梢愿淖兗铀俣扔?jì)的共振區(qū)特性，防止其工作在共振區(qū)時(shí)由于幅值過(guò)大引起傳感器損壞.通常阻尼選在O.707附近，這與其他振動(dòng)傳感器是相同的.

對(duì)單自由度的低頻光纖光柵加速度計(jì)來(lái)說(shuō)，橫向抗干擾特性也是一項(xiàng)重要指標(biāo).實(shí)驗(yàn)在加速度計(jì)的測(cè)振方向以及與其垂直的側(cè)向分別加0.5g的加速度，在5～45 Hz的頻帶范圍內(nèi)對(duì)兩個(gè)方向的振動(dòng)值進(jìn)行了對(duì)比，測(cè)量結(jié)果如圖4所示.從圖中可以看出，在加速度計(jì)的測(cè)振方向激振時(shí)加速度計(jì)測(cè)量輸出維持在100 mV 附近，而在與測(cè)振垂直方向激振時(shí)輸出在1～4mV范圍內(nèi)，其橫向抗干擾能力達(dá)40 dB.可見(jiàn)此種設(shè)計(jì)方案可以有效降低橫向干擾的影響.

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了低頻光纖光柵加速度傳感器通過(guò)對(duì)其力學(xué)模型分析，建立了光纖光柵加速度傳感器的數(shù)學(xué)模型，得到了傳感器的加速度和光纖光柵波長(zhǎng)變化間的關(guān)系.通過(guò)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，得到了在不同阻尼下光纖光柵加速度計(jì)的幅頻特性，其可用幅頻帶寬為1～45 Hz.另外，通過(guò)其橫向特性實(shí)驗(yàn)抗干擾能力達(dá)40 dB.光纖光柵加速度傳感器結(jié)合自身的強(qiáng)抗電磁干擾特性，可有效代替磁電式振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)測(cè)量.