基于弓形梁增敏结构的FBG振动传感器研究

利用光纤光栅(FBG)随弓形梁弯曲变形的敏感特性,通过设计特制的增敏结构,研制了一种基于弯曲特性的FBG振动传感器.根据ANSYS数值分析和实验结果表明,在加速度0～5g、工作频率0～40 Hz范围内,传感器加速度特性曲线呈现良好对应关系,灵敏度可达458.1 pm/g,精度约0.002 g.该传感器系统采用双光栅形式实现了温度补偿,且在所测加速度范围内显示出较好的灵敏度和重复性,频响误差小,能够满足航空结构振动监测与控制需求.     

基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器

中高频振动信号的获取对被动源地震监测有着重要作用,针对中高频光纤光栅加速度传感器灵敏度低的问题,提出了一种带有2个惯性质量块的三铰链加速度传感器新型结构。采用2对光纤光栅差分排列的方式,使灵敏度是单光纤光栅的2倍,并能剔除温度变化带来的影响。从理论给出了传感器的灵敏度和谐振频率公式,并讨论了结构参数对传感器灵敏度和谐振频率的影响,利用有限元法分析了传感器的静态和动态特性,制作传感器实物并对其有效性进行验证。实验证明,该传感器的谐振频率约为1 500 Hz。灵敏度约为18 pm/g,横向抗干扰度小于10%,数据与设计仿真比较吻合。     

中高频椭圆铰链双光纤光栅加速度传感器

针对现有光学传感器难以满足大型结构中高频振动监测的需求,提出一种基于椭圆铰链的中高频双光纤布拉格光栅加速度传感器。基于传感器理论模型分析传感器的灵敏度和谐振频率,采用MATLAB和ANSYS软件对传感器的结构参数进行优化及仿真,研制双光纤布拉格光栅传感器,并进行传感器灵敏度标定实验。结果表明:传感器的谐振频率约为780 Hz,灵敏度为132.53 pm/g,横向抗干扰度小于3.3%,可用于80～500 Hz之间振动信号的实时监测。     

特种微结构光纤振动传感器及其铁路监测应用

提出基于特种微结构光纤的振动加速度传感器,将高性能的光纤振动传感器应用于铁路结构的健康监测,设计并研制了Sagnac型的振动传感器。通过对光纤结构的合理设计和优化,可以获得高双折射率特性,并能针对外界侧向压力的变化产生对应的相位改变量,进而建立起外界振动引起的动态压力与微结构光纤中传导模式之间的线性关系。基于此原理设计的振动传感器具有较高的加速度灵敏度,以及较宽的频率响应,灵敏度高于25pm/g,其实际谐振频率高于2500Hz,并与传感器机械结构封装有关。通过对铁路运营列车的实时监测,所提出的新型微结构光纤振动传感器可以准确获得低频范围内的大幅振动信息,并可较好的反映出高频扰动,有助于实时监测钢轨波纹形变。所提出的新型六孔微结构光纤振动传感器对于铁路、桥梁及机械等结构的振动实时监测提供了新思路和方法,具有很大的应用前景。     

温度解耦增敏式光纤光栅应变传感器

飞机载荷参数测试对保障飞行安全至关重要,光纤光栅传感器凭由诸多优势在不断尝试应用在其中。为了实现对结构应变的精确测量,同时排除温度带来的影响,通过对基底及光栅刻写工艺的特殊设计,实现了温度解耦增敏式光纤光栅应变传感器,并对基底进行有限元分析。在10~60℃的温度范围内,该新型传感器温度灵敏度为45pm/℃,较裸光纤光栅增敏4.5倍,线性度良好。在MTS拉伸试验机上测试拉伸试验件在0~700με条件下传感器特性,灵敏度为1.46pm/με,较裸贴方式增敏1.4倍,线性度良好。传感器温度误差小于0.1℃,应变误差小于3με。实验结果表明,传感器解耦性能良好,与理论分析相符,满足飞机载荷谱测试的应用背景。     

新型光纤光栅加速度传感器的设计与实现

利用光纤光栅作为基本传感元件，设计制作了一种基于悬臂梁结构的新型光纤光栅加速度传感器。测量范围＋／-10g，灵敏度10mg，测量频率小于100Hz。与光纤加速度传感器相比，光纤光栅加速度传感器具有更高的稳定性及抗干扰能力。并且由于光纤光栅本身的波分复用的特性，可以很方便地构成加速度传感网络进行测量。     

两点封装的光纤布拉格加速度传感器设计

提出了一种双半孔梁光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器实现加速度信号测量的方法.首先,建立了两点封装FBG的加速度传感模型,理论分析了加速度与位移敏感点的线性响应.其次,从理论上分析了两点封装方案中FBG的自振特性,讨论了封装光纤的长度和预应力对光纤自振频率的影响.最后,依据FBG的自振特性设计了FBG加速度传感器,并通过实验研究了FBG加速度传感器的线性响应和幅频响应特性.实验结果表明:提出的传感器在10～250 Hz具有较好的平坦区,加速度响应灵敏度为41.2pm/G;加速度与波长具有较好的线性关系,线性度为99.8％.同时,该加速度传感器具有较强的方向抗干扰性,轴向交叉灵敏度小于4.8％.     

光纤光栅技术在加速度传感器拾震结构中的应用研究

振动信号是表征各种机械设备、桥梁、建筑稳定性的重要因素。在重大工程结构的测量中,振动信号频率高,加速度值也较大,信号的采集、处理相对容易。而对于频率在50 Hz以下的振动信号,例如地震监测、地质勘探等,振动信号幅值小,有效信号易被忽略,一般的光纤光栅振动传感器不能满足低频信号的测量。该文针对低频振动信号的采集问题,对悬臂梁结构的光纤布拉格光栅加速度传感器进行阐述,与嵌入式结构、芯轴式结构的加速度传感器作横向比较,整理光纤光栅加速度传感器的发展历程,并对光纤加速度传感器的发展作进一步展望。     

一种新型的光纤光栅高频加速度传感器

提出了一种新型的高频响应光纤光栅加速度传感器,并进行了理论分析和实验研究.传感器由钢管、质量块组成弹性系统.将光纤光栅粘贴于钢管内部来感知应变,利用双光纤光栅匹配滤波解调技术,直接输出光强度信号,取得了谐振频率3 232 Hz、线性测量范围0.1-4 g、线性灵敏度669 mV/g的较好结果.     

膜片式光纤光栅压力传感器的灵敏度分析

在理论推导光纤光栅压力传感器的灵敏度的基础上,采用结构增敏方法,设计并研制出了一种实用型高灵敏度的膜片式光纤光栅压力传感器,并用液压法对传感器的灵敏度进行了实验研究。实验结果表明,该高灵敏度膜片式光纤光栅压力传感器的反射波长移动量与膜片载荷(或水柱高度)成正比,其线性度达到0.9999,压力灵敏度系数为-0.023/MPa;实测压力灵敏度为0.03pm/Pa,理论压力灵敏度为0.0301pm/Pa,与实测压力灵敏度非常接近,二者的相对误差仅为0.33%。     

无源伺服反馈多输出低频振动传感器

介绍了一种无源多输出低频振动传感器,可同时测量加速度和速度。利用无源伺服反馈控制技术,传感器呈现速度摆特性,但该速度摆不是通常意义上大阻尼状态的速度摆,对摆体特性进行了详细的数学分析,仅使用一种换能方式即实现了加速度和速度两组物理量的测量,证明了速度输出是速度摆速度计,加速度输出是速度摆加速度计。对传感器特性,尤其是加速度输出特性进行了较为详细的分析。最后,对传感器进行了测试,得到该传感器的加速度输出和速度输出在0.1~100 Hz有较好的频率响应特性,可以满足低频工程振动测量的需求,且实现了一只传感器同时测量加速度和速度两种物理参量。     

两维碰撞加速度传感器及其实用化

基于MEMS加工和模块化封装来制作用于碰撞冲击测量的加速度传感器.该传感器采用新型三梁-质量块敏感结构,在提高灵敏度的同时拓宽了频带范围.通过压阻效应形成惠斯通电桥,在500 g的量程下,灵敏度达到0.3 mV/g/5 V,固有频率15k Hz.传感器贴装在PCB板上,由经济实用的放大电路进行处理,可以实现两维的加速度测量,电压输出1～4 V,带宽500 Hz.传感器在车辆运输等实际环境下进行了试用,性能可靠稳定,具有良好的实用化前景.     

一种谐振式加速度传感器及其设计

为解决当前模拟输出式加速度传感器测试精度相对较低的问题,利用谐振式传感器重复性好、分辨率高、稳定性优良的特点,设计了一种谐振式加速度传感器。通过理论计算,得出了线加速度与敏感元件谐振频率之间的关系,并通过有限元软件对其进行了仿真计算。计算结果显示,传感器在空载状况下谐振频率的理论计算结果与有限元分析结果分别为722.2Hz与720.87Hz。在1g加速度下两种计算方法得到的谐振频率计算结果分别为727.3Hz与726.28Hz,两种情况的相对误差仅为0.18%与0.14%。对加工完毕的加速度传感器进行了测试,测试结果表明：在谐振状态下,传感器的敏感元件的谐振频率大约为718.2Hz,与理论计算及仿真结果基本接近,证明了设计的正确性。     

滚动轴承测振系统的研究

本文对目前我国使用的轴承振动加速度测试系统进行了理论分析和实验研究,得出下列几点结论性意见：1.从理论计算、实测传感系统的谐振频率和实测轴承振动的频谱,都说明目前所用的弹簧连接的压电晶体加速度计测试系统谐振频率在3～4kHz之间。2.从理论和实验都证明弹簧连接的压电晶体加速度计轴承振动测试系统,在触针和轴承外圈之间加油能降低系统的谐振幅值,而不能提高系统的谐振频率到10kHz以上,谐振频率仍在3～4kHz之间。3.本文对目前使用的动圈式轴承振动速度传感测试系统的谐振频率进行了实测,说明速度传感系统谐振频率在12kHz附近。众所周知,轴承振动频率一般在50Hz～10kHz之间,动圈式速度传感系统谐振频率在12kHz左右,和动圈式速度传感系统测试轴承振动,能真实地反映出轴承的振动情况;而触针式压电晶体加速度计测试系统谐振频率在3～4kHz之间系统的固有频率会影响测值的真实性,因此它不能反映同承的真实振动情况,所以对于轴承这种特殊零件的振动测量,速度传感器比加速度传感器适用。因此本文最后建议用动圈式速度传器对轴承振动进行速度测量。     

压阻式小量程SOI加速度敏感芯片设计与分析

为满足建筑物振动监测等应用对小加速度信号测量的需求,采用带有微梁和支撑梁的敏感结构设计了一种压阻式小量程加速度传感器芯片,为弥补压阻式传感器测量小信号精度低这一不足,基于SOI技术设计了单晶硅应变电阻。利用有限元法对敏感芯片结构进行了仿真分析,给出了兼顾灵敏度与固有频率这两个技术指标的设计方法,以此确定了敏感芯片的尺寸参数,并分析了结构的响应特性。仿真结果表明,所设计量程为0.1g的加速度敏感芯片,其满量程输出约为34 mV,固有频率约264.3 Hz,交叉耦合为1.4%,过载可达87倍量程。     

微型高过载加速度传感器的加工与测试

针对特殊场合的测试要求,设计了四端全固支的高过载梁岛结构加速度传感器,结构中采用在质量块背部氢氧化钾腐蚀的方法,减小质量块的质量,及其与梁中性面的相对距离,使梁岛式结构与平膜式结构的优点得到有效结合,结构加工工艺简单可行。利用霍普金森冲击校准装置进行冲击加速度动态特性校准,试验结果分析表明,被测微加速度传感器的灵敏度为0.71 µV/g,与理论值基本吻合。结构受到200 000g冲击后完好且输出信号正常,能有效地满足高冲击、强烈振动场合的特殊测试要求。     

Design and application of fiber Bragg grating (FBG) geophone for higher sensitivity and wider frequency range

The fiber Bragg grating geophone sensor with higher sensitivity and wider frequency range was reported. The methods to increase the sensitivity of the FBG cantilever sensor were presented. The acceleration sensitivity of the optimized FBG geophone is 220 pm/g, and the resonant frequency can reach to 295 Hz. The experiments show that the FBG geophone system has the minimum detectable acceleration of 1 mm/s². Some factual application examples of using this fiber Bragg grating geophone monitoring system for micro seismic monitoring in coal mine were presented.     

多带隙联合的声子晶体滤波梁弹性波传播特性

提出了一种包含Bragg散射、整体局域共振和局部局域共振机理的多带隙联合声子晶体滤波梁,通过传递矩阵法与Bloch定理求得无限周期结构各阶带隙为0～170 Hz、180～262.6 Hz、552.3～597 Hz、974～1 563 Hz、1 903～2 667 Hz;并调节结构参数,得出带隙调制规律和带隙机理。同时,与其他3种工况声子晶体梁带隙特征进行对比分析,证明了声子晶体滤波梁在带隙宽度、丰富度以及弹性波衰减率方面均有着相对优势,具备更好的过滤或抑制结构中弹性波的性能。此外,求解近声子晶体滤波梁的振动传递系数,得出在各阶带隙范围内,弹性波的传播存在明显衰减,验证了带隙的存在。最后为探究弹性波在带隙/通带范围内的波动模式,分别提取位于带隙/通带范围梁体位移分布,发现在带隙频率范围内的弹性波沿波动方向快速衰减,表现出带隙特性;通带频率范围内的弹性波无明显变化或衰减,表现出通带特性。