阐述了光纤加速度传感器的基本原理,分析了近年来国内外基于光纤光学和光纤光栅所设计研究的新型加速度传感器,研究表明,波长调制型光纤加速度传感器具有更加广阔的应用前景

陶思聪

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90科技资讯科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION2013  NO.05SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION工 业 技 术振动检测领域对高性能振动传感器的需求促进了加速度传感器的不断发展 ,从20世纪60年代末开始研究的微硅技术到80年代初新兴的光纤传感技术 ,人们提出了种类繁多的加速度传感器结构 ,而光纤加速度传感器相比于硅微电子式加速度传感器来说 ,高精度、不受电磁干扰、能在恶劣环境下工作和易于集成等优点受到了人们的特别关注。光纤加速度传感器可从基本原理上分为光纤光学式和光纤光栅式加速度传感器 ,光纤光学加速度传感器的调制方式可分为光弹效应型、光强型 [1]、干涉型 [2]等 ,光纤光栅加速度传感器可分为带宽调制型 [3]和波长调制型[4～5]两种。1  光纤光学加速度传感器1.1 强度调制型强度调制型加速度传感器是指通过调制光纤中传输光的强度从而达到测量加速度的目的 ,主要包含有透射式、反射式、偏振式等 ,其优点是结构较为简单、信号易于解调、成本相对低廉 ,缺点是精度不高。(1)透射式光纤加速度传感器。此类传感器的结构特点是利用光纤本身作为移动单元 ,加速度引起输出光纤振动导致耦合进入输出光纤的光量改变 ,从接收端检测到的光强即可反应出加速度值的大小。(2)反射式光纤加速度传感器。此类传感器在结构上与透射式的不同的地方在于多了一个反射镜 ,光纤与反射镜均可能作为运动元件。光纤轴线垂直于反射面安置的称为正镜式 ,光纤轴线不垂直于反射面安置的称为斜镜式。(3)偏振式光纤加速度传感器。这类传感器是利用光纤本身直接感知质量块的惯性而产生偏振态变化 ,从而导致输出光强的变化 ,藉此测量加速度。Tihon Pierre等人于2012年提出的基于光纤双折射的四种机械换能结构 ,分别是对光纤产生弯曲、挤压、拉伸和扭转作用的U型铝梁。当偏振光从该结构的单模光纤一端输入时 ,加速度引起光纤的变形从而导致激光偏振态的改变。从另外一端输出的偏振光经过检偏器后通过光电二极管来检测 ,不同的加速度大小对应不同的偏振态 ,即不同的接收光强 [1]。1.2 相位调制型相位调制型加速度传感器是指通过调制光纤中传输光的相位从而达到测量加速度的目的 ,主要包含有Michelson干涉式、Mach-Zehnder干涉式、F-P干涉式等 ,其优点是几何结构灵活多样 ,分辨率、灵敏度等性能指标都非常高 ,研究较为广泛。(1)Michelson干涉式光纤加速度传感器。F Peng等人于2012年设计了一种紧凑型的Michelson干涉型加速度计 ,利用了光纤本身的固有优势 ,使得传感器尺寸和重量都可以做的很小,重量块m用环氧树脂粘在了两根已经粘在一起的单模光纤的中间 ,光纤上下端和周围用金属管和固体框架固定住。加速度的变化将会引起作为干涉仪两臂的光纤光程差的变化 ,通过解调相位变化即可获得相应的加速度大小  ,这种加速度传感器的灵敏度和频率响应可以分别做到0.42 rad/g和600 Hz。(2)M-Z干涉式光纤加速度传感器。陈柳华等人于2010年提出了一种基于光栅±1级干涉和相位载波(PGC)调制解调的光学加速度传感方案 ,与传统的M-Z干涉仪不同 ,这种结构并不是靠M-Z其中的一个臂作为传感臂 ,而是以激光垂直入射的正弦振幅光栅作为传感元件。当在光栅平面内有垂直栅线方向的加速度作用在光栅上时 ,光栅产生相应位移 ,继而引起 PD端干涉相位差的改变。M-Z的其中一臂通过PZT生成载波以提高相位解调精度 ,实验得到的系统误差为 [2]。（3）F-P干涉式光纤加速度传感器。QLin等人于2011年提出的一种高分辨率加速度传感器结构 ,单模光纤端面镀半反膜 ,既做发射光纤又做接收光纤 ,固定在V形槽上。光纤端面与固定在0.1 mm厚的不锈钢环状弹簧网中心0.8 mm厚的质量块上的硅微反射镜形成一个F-P谐振腔。在V形槽与光纤固定支架之间装有一个PZT,通过施加音频信号对腔长生成相位载波(PGC)调制 ,腔长的变化与光纤轴向方向的加速度大小成线性关系。该结构的灵敏度为36dB每1 rad/g,谐振频率为160 Hz,横向灵敏度 -1.8dB每1 rad/g [3]。2  光纤光栅加速度传感器2.1 宽带调制型宽带调制型的加速度传感器实际上也是对光栅波长的调制 ,不同的是对光栅进行啁啾调谐 ,通过检测带宽的变化以实现温度不敏感型加速度传感的目的。W·JZhou等人于2010年提出了一种基于FBG啁啾应变调谐的光纤加速度传感器。30 mm长度的FBG斜粘在一个长度为165 mm,底部宽度为3 mm,厚度为5 mm的直角三角形悬臂梁的侧面 ,横梁端部装有一个重约100 g的质量块 ,此时光栅与悬臂梁的中性层所成的角度为9.6°。加速度的变化会引起光栅啁啾量的变化 ,实验发现光栅反射谱的带宽与加速度大小成线性关系 ,且灵敏度可以达到0.679 nm/g [4]。2.2 波长调制型光纤Bragg光栅技术是近年来发展的最迅速的光纤传感技术之一 ,因其制作成本相对低廉、抗电磁干扰能力强、解调方便、易于集成和实现远距离信号传输等优势成为了研究的热点。波长调制型的光纤加速度传感器 ,从结构上来说还可以分为弹性梁式、两点固定式、环式等。(1)弹性梁式光纤加速度传感器。基于弹性梁的光纤加速度传感器是研究的较为广泛的一种结构 ,它的基本原理是将FBG粘贴于弹性梁的表面 ,加速度引起弹性梁的弯曲导致光栅的拉伸与压缩 ,从而引起Bragg波长的变化 ,其具有结构简单 ,重复性好等优点 ,但也存在着无法同时得到较高灵敏度和谐振频率的不足 [5]。光纤加速度传感器的研究进展陶思聪(厦门大学光波技术研究所  福建沙门  3 6 1 0 0 5 )摘 要:阐述了光纤加速度传感器的基本原理,分析了近年来国内外基于光纤光学和光纤光栅所设计研究的新型加速度传感器,研究表明,波长调制型光纤加速度传感器具有更加广阔的应用前景。关键词:光纤传感器  加速度计   光纤光栅   波长调制中图分类号 :TP212 文献标识码 :A 文章编号 :1672-3791(2013)02(b)-0090-02(下转 9 2 页)92科技资讯科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION2013  NO.05SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION工 业 技 术(见图2)。图2是现场总线一个网段的网络连接图。网络采用组合型树形拓扑 ,总线上共有七个设备 ,其中有两个3级阀门。网段的总长度为230 m。3  结语从90年代FCS引入我国以来 ,以其全数字化、高控制分散、高开放性、现场仪表高可维护性等特点赢得了大家的共识 ,但是其推广应用一直较少。在大型系统中一般只是作为DCS的补充实现部分非核心的功能。在实际工程应用中暴露出在系统实时性、可靠性、安全性、经济性等方面相较于成熟的DCS还有不足。主要表现在以下几个方面。3.1 故障率较高FCS基于网络技术和智能仪表技术。一个网段一旦发生故障将会导致整个网段的全部仪表不可用。现场屏蔽一旦有问题将直接导致网络错误而不是模拟仪表的精度变差。DCS将控制功能放在机柜室 ,通常环境比较温和 ,不易出现故障。而智能仪表控制功能在现场实现 ,环境比较差 ,容易出现故障。3 .2 工程初期投资高,技术经济性有待提高在FCS节省费用的宣传中 ,基本都是节省了I/O模块、电缆和桥架材料、敷设、安装等费用 ,但都淡化了智能仪表和网络附件等的费用增加。实际综合费用FCS比DCS还要高。3 .3 缺乏统一的标准目前FCS还没有形成统一的标准 ,这是制约现场总线技术应用的一个重要原因。虽然1999年通过了IEC61158现场总线国际标准 ,但是这个标准并没有统一到一个标准而是8个标准的合集。3 . 4 市场保障薄弱,用户缺少维护经验目前由于FCS工程实例较少 ,用户缺少应用、维护经验 ,而FCS技术要求高 ,相应对使用维护人员的要求也比较高 ,组建设备维护技术队伍面临诸多困难 ,后续人才培养也面临问题 ,这点在对国内业主的影响尤其明显。FCS代表了控制系统未来发展的方向 ,但相比成熟的DCS,现阶段在可靠性、安全性方面还存在比较大的问题 ,随着技术的发展成熟FCS应用范围正在逐步扩大。但同时DCS技术也在不断的发展 ,开放性和可扩展性越来越强 ,笔者认为两者将逐渐走向融合 ,而不是FCS完全取代DCS。参考文献[1] 阳宪惠 .现场总线技术及其应用 [M].北京 :清华大学出版社 , 1999 .[2] FF中国市场委员会 .AG-181 2.0版基金会现场总线系统工程指南 (中文版 )[G].FF中国市场委员会，2004.[3] 赵晋红 .浅析现场总线应用现状及其技术经济学 [J].工业仪表与自动化装置 ,2012(4) :61-69 .[4] 龙蔚泓 .谈基金会现场总线系统工程指南3.X版与2.0版的差异 [J].石油化工自动化 , 2011(5) :14-19 .[5] 欧阳劲松 ,梅恪 .现场总线国际标准化概况 [J] .自动化仪表 ,1999(3) :1-6.(2)两点固定式光纤加速度传感器。这类传感器的特点是仅将预拉伸过的光纤光栅的两端固定 ,其中一端固定在壳体上 ,另外一端固定在可沿光纤轴向运动的质量块上。加速度引起质量块的运动 ,拉伸或者压缩光栅引起波长的变化 ,以实现加速度传感。相比于弹性梁结构 ,这种传感器的优势在于一是光栅部分不粘胶水 ,避免了胶水的蠕变效应带来的影响 ,二是光栅是在轴向上的拉伸或压缩 ,不会引起光栅的啁啾 ,减小了反射谱解调带所来误差。(3)环式光纤加速度传感器。这类传感器的特点是利用环形结构作为弹性载体,J Shao等人于2011年提出了一种四梁环式结构 ,光栅粘贴于圆环的表面 ,当质量块受加速度影响在竖直方向产生位移时 ,圆环被压缩或者拉伸 ,光栅的波长也因此变化且与质量块的位移量成线性关系。这种结构的优点是可以通过改变圆环的尺寸和弹性模量 ,在响应带宽不变的情况下提高传感器灵敏度。3  光纤加速度传感器的应用光纤加速度传感器经过十几年的研究 ,得到了快速的发展 ,在社会生产各领域尤其是结构健康监测方面具有非常重要的应用,PF da Costa Antunes[6],A Vallan [7]等人分别提出了光纤加速度传感器在基础设施、大型结构等建筑的振动监测领域的应用。本文分类介绍了光纤加速度传感器的工作原理及近年来国内外的研究进展 ,发现光纤传感器的种类越来越丰富 ,实用性越来越强 ,尤其是基于波长解调的光纤光栅加速度传感器由于其较大的优势和相对低廉的工程成本 ,在工业和民用领域的应用愈加广泛。参考文献[1] Pierre Tihon,Nicolas Linze,et al. Designof a mechanical transducer for an opticalfiber accelerometer based on polariza-tion variation[J].Optical Sensing andDetection II,2012,84390M:1-9.[2] 陈柳华 ,林巧 ,李书，等 .基于光栅平移的大量程光学加速度计 [J].光学学报 ,2010 ,30(5):1473-1477.[3] Lin Q,  Chen L.H,et al.A high-reso-lution fiber optic accelerometer basedon intracavity phase-generated carrier(PGC) modulation[J].Measurement Sci-ence and Technology,2011,22 015303:1 - 6 .[4] Zhou W.J ,  D ong  X .Y,  et  al .Tem-perature-insensitive accelerometer basedon a strain-chirped FBG[J].Sensors andActuato rs A ,2010 ,157 :15-18.[5] N .  Basumall ick, I. Chat te rjee ,e t al .Fiber Bragg grating accelerometer withenhanced sensitivity[J]. Sensors and Ac-tua tors  A,2012,173:108-115.[6] PF da Costa Antunes,et al.Optical FiberAccelerometer System for StructuralDynamic Monitoring [J].IEEE SensorsJournal ,2009, 9(11) :1347-1353 .[7] A Vallan,et al.Displacement and Ac-celeration Measurements in VibrationTests Using a Fiber Optic Sensor[J].IEEE Transactions on Instrumentationand Measurement,2010,59(5) :1389-139 6 .(上接 9 0 页)

光纤加速度传感器的研究进展

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