光栅振动传感系统.doc

FBG振动传感系统简介
摘要：光纤Bragg 光栅（FBG ）振动传感器具有高灵敏度、强抗干扰能力、良好的低频探测性能、易于成阵复用等优点，已经成为 FBG 传感新的应用研究领域。
1 绪论：背景简介
随着振动传感技术发展和高精度测试的需要，人们对加速度振动传感器展开
了广泛研究。光纤传感技术的出现，给振动传感器的发展带来了前所未有的生命
力。国内外已研制了多种光纤振动传感器，它与传统振动传感器相比，不但能抗
电磁干扰，而且体小、质轻、动态范围宽、精度高、能在恶劣环境下工作，因此
受到各发达国家的广泛重视。目前实用的光纤振动传感器不断涌现，主要有光强
调制型和相位调制型两大类。但这两类振动传感器易受光源波动、光纤扰动、温
度扰动等因素影响，难以抑制低频本底噪声，很难实现对低频小振动信号的稳定
检测。虽然有学者提出了一些具有降噪能力的光路结构，但在实际应用中仍然不
能有效解决这一问题[1]。 近几年，随着FBG 传感技术的发展以及人们对振动传感领域的不断探索，FBG振动传感技术已经成为FBG 传感技术新的应用研究领域[2]。 FBG 传感技术是在光纤传感技术的基础上发展起来的，从原理上分析，FBG传感是利用测量Bragg 波长变化来实现传感，基本不受光源波动、光纤扰动等因素影响。因此 FBG 振动传感器不仅具有上述的光纤振动传感器的优点，同时克服了这些传感器的不足，为实现低频振动传感的高分辨能力、高信噪比、高精度提供了理想的技术手段。因此研制高性能的FBG 低频振动传感系统意义重大
首先，随着航空、航天、石油、海洋工程等大型结构系统技术的发展，其日益复杂的动力学问题( 零点几赫兹到几赫兹) ，必须通过对振动高质量的测试和分析来解决，以确保工程安全和经济合理。研究、开发以加速度计为主的新型低频振动传感技术具有十分重要的地位和意义。
其次，研究表明，FBG 振动传感器具有高分辨力、高信噪比、高精确度，高可靠性、大动态范围等优点，易于满足高精度的地震勘探要求。把 FBG 振动传感器应用于地震和海啸监测预警( 千分之几赫兹到几百赫兹) 、地质勘探和新能源开发（一百赫兹以下）已经成为一个热点研究课题。因此开发一种高灵敏度、大动态范围、适合高分辨力勘探的FBG 地震检波器很有实用价值。
再次，由于FBG 振动传感器良好的低频特性、高灵敏度、强抗干扰能力、易于成阵等优点，其在反潜、反水雷（低频信号）等军事领域中，有巨大的应用潜力，因此开展相关研究意义重大。
FBG 振动传感系统在军事和民事领域都具有广泛的应用价值，是值得研究并推广的一项新技术。目前国内对 FBG 加速度振动传感系统的研究多集中在高校和科研院所，实用性能较好的成果并不多，特别在低频振动信号高性能传感方面，仍有大量问题有待解决。
2 FBG 振动传感技术国内外研究现状
近几年，国内外对FBG 振动传感技术都展开了广泛研究。国内开始于20世纪90年代初，1996年，清华大学首先提出了FBG 传感系统的设计思路，此后国内很多高校和科研单位，从不同的角度对 FBG 传感器的设计开展了具体的研究工作。例如：南开大学提出了利用宽带光源、光纤增敏光信号解调等技术，为FBG振动测量的实现提供了可能；重庆大学进行了FBG 振动传感器的研究，提出了FBG与非本征F-P 干涉复用的结构并结合非平衡M-Z 干涉技术，对分布式加速度的测量做了较为具体的研究；武汉理工大学光纤传感技术研究中心研制了悬梁式和双光栅芯轴式等结构的FBG 振动传感器，并已经取得了良好的应用效果；另外，华中科技大学、华南师范大学、哈尔滨工业大学等先后报道了FBG/Sagnac 技术，FBG/Michelson 技术和大范围运动对弹性梁振动频率的模态影响等研究成果，从不
同的角度对FBG 加速度计的设计提出了具体的探讨和研究。 在国外，A．D．Kersey 于1992年率先提出了采用FBG 和非平衡Mach-Zehnder干涉仪来测量振动的方案；T．A ．Berkoff于1996年设计了嵌入式结构的振动传感器，采用非平衡M-Z 干涉仪对振动信号进行解调；1998年，Todd采用双挠性梁作为转换器设计了FBG 振动传感器。2000年，日本的Mita 采用 L 型刚性悬臂梁结构设计了一种可以应用在建筑健康监测的FBG 振动传感器。2005年，美国罗切斯特理工学院的Mustafa和Karthik等人提出了三向同步测试的 FBG 振动传感器。
尽管人们在光纤光栅振动传感系统设计方面开展了大量研究工作，解决了诸如“高速波长解调”和“温度补偿”等关键技术问题，但为满足实际低频振动测试需求，尚存在一些亟待解决的问题，诸如横向灵敏度的消除与限定问题，提高传感器灵敏度及动态响应能力问题，提高解调系统精度和抗干扰能力问题，降低解调系统成本及提高实用化水平问题。
目前，对FBG 振动传感系统的研究主要集中在两个方面：
(l) 设计灵敏度高，结构精巧，稳定性好的 FBG 振动传感器（传感探头），主要通过不同的结构和材料对FBG 进行封装和增敏，提高传感探头灵敏度[9]。目前仪出现嵌入式[10]、双挠性梁式[11]、悬（臂）梁式[11-18]、芯轴弹簧振子式[19]等结构，基于这些结构的FBG 传感器各有其优缺点，但为满足不同应用需求仍有待改进。主要原因是传感器结构不合理，如采用悬臂梁结构，因光纤光栅栅区直接粘贴在悬臂梁表面，悬臂梁振动带动光纤光栅变形时，易使光纤光栅产生啁啾或多峰现象，造成测试不准，且振动信号偏小( 弱) ，灵敏度低；
(2)进一步研究和开发出高效低成本的信号解调系统，着重研究 Bragg 波长移位的检测技术，力求发展一些方便、价廉、检测精度高的波长移位检测技术和设备，这将大大促进光纤光栅传感及其网络技术的发展。目前已有多种解调技术( 无源解调、有源解调、强度解调、相位解调) 用于FBG 波长变化的测量。这些技术已经相对比较成熟，各有优点和自身的局限性，如强度解调虽易于实现，但精度较差，相位解调具有极高的灵敏度，但对系统的稳定性要求高等[20-39]。
3 典型FBG振动传感器探头结构设计原理[11-18]
FBG 振动传感器是利用结构动力学原理，通过一个结构响应系统与光纤光栅结合来拾取振动信号，因此传感器的结构较为复杂，下面介绍几种典型的 FBG 振
动传感器结构。
3.1 嵌入式结构
如图1所示，嵌入式结构由质量块、弹性体和基底组成。质量块置于弹性体
上部，弹性体下部由基座材料做支撑，FGB 被嵌入到弹性体内。当探头感受到外界振动时，质量块在惯性力作用下开始运动，并拉伸或挤压弹性体，形成受迫振动。弹性体再受到压力或拉力时发生形变，进而引起光纤轴向形变，从而将外界的振动转化为Bragg 波长的变化。质量块的大小和弹性体的硬度、泊松系数决定了该结构的灵敏度。报告数据表明，该结构的固有率约为2kHz，灵敏度不会超过112με/g 。这种结构使光纤受到橡胶弹性体的横向压力导致反射波波峰啁啾和拓宽，使测量精度大大降低。由于该结构自然频率高，灵敏度低，很难满足地质勘探、土木工程等低频微弱振动测量要求。要想达到理想的灵敏度和自然频率需增大质量块质量，使用软弹性体，但实际都是难以做到的，并且该结构交叉灵敏度过大。

图1.1 嵌入式结构示意图
3.2 双挠性梁式结构
如图1.2所示，双挠性梁结构由两个平行矩形金属板和质量块组成，质量块焊接在两个金属板之间，FBG 被固定在下金属板外侧中央处。测量数据表明，采用不同重量的质量块（2g 、8g 、22g ），探测器的灵敏度为 2－12.5με/ g，固有频率在300Hz 到1000Hz之间。随着质量块质量的增加，探测器的灵敏度会增大，自然频率会减小。两个薄金属板可以有效消除扭转和平面外的振动影响，交叉灵敏度小于1%。由于振动时光纤处的应变不均匀，同样会出啁啾或多峰现象，降低了测试精度。该结构虽然有较好的抑制交叉灵敏度能力，但灵敏度太低，要想提高灵敏度需增大质量块质量，但还是很难得到较高的灵敏度。