1、光纖傳感器研究與設計報告 題 目： 光纖光柵加速度傳感器 姓 名： 學 號： 年 級： 專 業： 報告設計名稱：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動情況的一類慣性傳感器。它的輸出是與運載體的運動加速度成比例或者具有一定關系的信號。加速度傳感器的基本原理是基于牛頓經典力學，即牛頓第二定律：物體在外力的作用下將產生加速度，其大小與所加外力成正比，與物體質量成反比，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量塊在外力的作用下帶動彈性體發生形變，從而帶動固定在彈性體上的光纖發生形變，從而使光纖光柵的光柵常數發生改變，達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。傳感器的應用領域：光纖光柵加速度傳感器與其他電子類加速度傳感器相比，具有本質防電、抗電磁干擾、信號傳輸距離遠和靈敏度高等特點，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用空間。光纖光柵加速度傳感器可應用于汽車、船舶、橋梁、航空航天和振動監測等多個方面。傳感器設計指標：此光纖傳感器是由光纖光柵和鋼結構以及質量塊組成的系統，傳感器的諧振頻率極大的提高。將兩個光纖光柵分別固定在兩個彈性鋼結構上，通過感知鋼結構的應變來實現機械振動到光波長的轉換。此傳感器的設計諧振頻率應該達到3000Hz以上，并且應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，當傳感器外部有加速度時，鋼片會發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。當光纖光柵發生形變時，光纖光柵的光柵常數發生改變，導致其輸出波長發生變化，通過測量光纖光柵輸出波長的漂移量，即可得到加速度。根據光纖光柵波長與應變變化關系式和彈性系統中加速度與應變的關系：可得到：其中上式中是光纖的彈光系數，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系。根據上述公式可得到鋼片的彈性系數為由此得到系統的無阻尼諧振頻率：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，并且每個部分受力變形時為線性變形，所以可以分別簡化為彈簧。同時，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量塊上。此時系統的無阻尼諧振頻率可由各個彈簧總的諧振頻率加和求出為：即傳感器設計方案：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，可以使用機床直接進行加工。各個部分都加工好之后，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量塊一起安裝到傳感器的鋼制殼體中進行封裝。傳感器的結構設計：（AUTOCAD設計）傳感器的制作工藝:(材料的材質、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使用精度較高的機床來進行加工。光纖光柵加速度傳感器比較敏感，質量塊質量的大小對傳感器的性能影響很大，所以質量塊進行加工時必須滿足設計時的質量，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，為使彈性元件和質量塊不發生竄動外殼的

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光纖用于數據的傳輸。傳感器的標定測試：加速度傳感器的標定測試系統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。控制箱是系統主控設備，其內部設有底層單片機，采集測試過程中的模擬信號，并轉換成數字信號上傳給計算機；同時接收計算機的數字指令，傳送給信號源，驅動信號源，經功率放大后控制試驗臺進行激勵掃頻。數字化標定系統組成如圖所示：標準振動臺如圖所示：通過標定測試中光纖光柵加速度傳感器與標準傳感器的對比，即可了解光纖光柵加速度傳感器的動態范圍，以及對傳感器進行標定。參考文獻：1加速度傳感器批量標定測試系統的設計，焦佳偉,石云波,鄒坤等2加速度傳感器的標定系統與實驗研究，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