低頻光纖光柵加速度傳感器

低頻振動(dòng)廣泛存在于生產(chǎn)實(shí)際中，其振動(dòng)頻率一般在100Hz以下.如大型水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)頻率都在15Hz以下;一般公路和鐵路橋梁振動(dòng)的固有頻率在2～10Hz左右;工程地震脈動(dòng)頻率一般在2～50Hz之間.對(duì)這些低頻振動(dòng)的監(jiān)測(cè)常采用磁電式速度傳感器來(lái)拾取信號(hào).但在強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境中，磁電式振動(dòng)傳感器難以克服電磁場(chǎng)的干擾影響，因而其應(yīng)用也受到了限制.光纖光柵加速度傳感器是利用光纖光柵的應(yīng)變傳感機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)加速度的測(cè)量，并用光的波長(zhǎng)變化測(cè)量加速度值，用光纖來(lái)傳輸傳感信號(hào)，集測(cè)量、傳輸于一體，因而具有強(qiáng)抗電磁干擾能力.

1 光纖光柵的應(yīng)變傳感機(jī)理

根據(jù)光纖光柵的彈光效應(yīng)和彈性效應(yīng)，當(dāng)光纖光柵在縱向受到應(yīng)變時(shí)會(huì)引起布拉格波長(zhǎng)的變化，其滿足以下關(guān)系：

式中，Pe為光纖光柵的有效彈光系數(shù)，ε為光柵在軸向的應(yīng)變，λB為光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)，△λB為布拉格波長(zhǎng)變化量.

公式(1)為光纖光柵傳感器的應(yīng)變傳感機(jī)理光纖光柵加速度傳感器的設(shè)計(jì)是利用此機(jī)理來(lái)間接測(cè)量加速度物理量在傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上利用懸臂梁的受力把加速度量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變量，從而轉(zhuǎn)化為布拉格波長(zhǎng)的變化，通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)的變化即可實(shí)現(xiàn)加速度的測(cè)量.

2 光纖光柵加速度傳感器數(shù)學(xué)模型

圖1是光纖光柵加速度傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖中懸臂梁一端固定在機(jī)座上，另一端放有質(zhì)量塊m，把光纖光柵兩端點(diǎn)粘貼在懸臂梁的固定端附近，有利于光柵在受力時(shí)應(yīng)變均勻.在測(cè)量物體振動(dòng)時(shí)，把機(jī)座固定在振動(dòng)源上，振動(dòng)源與機(jī)座同時(shí)振動(dòng)，從而引起質(zhì)量塊m的振動(dòng)，在慣性力的作用下懸臂梁產(chǎn)生收縮和伸長(zhǎng)，帶動(dòng)光纖光柵產(chǎn)生應(yīng)變從而引起布拉格波長(zhǎng)的變化，通過(guò)探測(cè)布拉格波長(zhǎng)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的測(cè)量.

以上光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為由集中質(zhì)量m、集中剛度k和集中阻尼c組成的二階單自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng)，其振動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示.其中機(jī)座振動(dòng)的位移是x，質(zhì)量塊m振動(dòng)的絕對(duì)位移是xm，彈簧力為k(x-xm)，阻尼力為.設(shè)在外力F的作用下機(jī)座作簡(jiǎn)諧振動(dòng)的位移是：