光柵振動(dòng)傳感系統(tǒng)

1、FBG振動(dòng)傳感系統(tǒng)簡(jiǎn)介摘要：光纖Bragg光柵（FBG）振動(dòng)傳感器具有高靈敏度、強(qiáng)抗干擾能力、良好的低頻探測(cè)性能、易于成陣復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為FBG傳感新的應(yīng)用研究領(lǐng)域。1緒論：背景簡(jiǎn)介隨著振動(dòng)傳感技術(shù)發(fā)展和高精度測(cè)試的需要，人們對(duì)加速度振動(dòng)傳感器展開了廣泛研究。光纖傳感技術(shù)的出現(xiàn)，給振動(dòng)傳感器的發(fā)展帶來了前所未有的生命力。國(guó)內(nèi)外已研制了多種光纖振動(dòng)傳感器，它與傳統(tǒng)振動(dòng)傳感器相比，不但能抗電磁干擾，而且體小、質(zhì)輕、動(dòng)態(tài)范圍寬、精度高、能

2、在惡劣環(huán)境下工作，因此受到各發(fā)達(dá)國(guó)家的廣泛重視。目前實(shí)用的光纖振動(dòng)傳感器不斷涌現(xiàn)，主要有光強(qiáng)調(diào)制型和相位調(diào)制型兩大類。但這兩類振動(dòng)傳感器易受光源波動(dòng)、光纖擾動(dòng)、溫度擾動(dòng)等因素影響，難以抑制低頻本底噪聲，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻小振動(dòng)信號(hào)的穩(wěn)定檢測(cè)。雖然有學(xué)者提出了一些具有降噪能力的光路結(jié)構(gòu)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然不能有效解決這一問題[1]。近幾年，隨著FBG傳感技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)振動(dòng)傳感領(lǐng)域的不斷探索，F(xiàn)BG振動(dòng)傳感技術(shù)已經(jīng)成為FBG傳感技術(shù)新的應(yīng)

3、用研究領(lǐng)域[2]。FBG傳感技術(shù)是在光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，從原理上分析，F(xiàn)BG傳感是利用測(cè)量Bragg波長(zhǎng)變化來實(shí)現(xiàn)傳感，基本不受光源波動(dòng)、光纖擾動(dòng)等因素影響。因此FBG振動(dòng)傳感器不僅具有上述的光纖振動(dòng)傳感器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了這些傳感器的不足，為實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)傳感的高分辨能力、高信噪比、高精度提供了理想的技術(shù)手段。因此研制高性能的FBG低頻振動(dòng)傳感系統(tǒng)意義重大ADKersey于1992年率先提出了采用FBG和非平衡MachZeh

4、nder干涉儀來測(cè)量振動(dòng)的方案；TABerkoff于1996年設(shè)計(jì)了嵌入式結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳感器，采用非平衡MZ干涉儀對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)；1998年，Todd采用雙撓性梁作為轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了FBG振動(dòng)傳感器。2000年，日本的Mita采用L型剛性懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種可以應(yīng)用在建筑健康監(jiān)測(cè)的FBG振動(dòng)傳感器。2005年，美國(guó)羅切斯特理工學(xué)院的Mustafa和Karthik等人提出了三向同步測(cè)試的FBG振動(dòng)傳感器。盡管人們?cè)诠饫w光柵振動(dòng)傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)方

5、面開展了大量研究工作，解決了諸如“高速波長(zhǎng)解調(diào)”和“溫度補(bǔ)償”等關(guān)鍵技術(shù)問題，但為滿足實(shí)際低頻振動(dòng)測(cè)試需求，尚存在一些亟待解決的問題，諸如橫向靈敏度的消除與限定問題，提高傳感器靈敏度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力問題，提高解調(diào)系統(tǒng)精度和抗干擾能力問題，降低解調(diào)系統(tǒng)成本及提高實(shí)用化水平問題。目前，對(duì)FBG振動(dòng)傳感系統(tǒng)的研究主要集中在兩個(gè)方面：(l)設(shè)計(jì)靈敏度高，結(jié)構(gòu)精巧，穩(wěn)定性好的FBG振動(dòng)傳感器（傳感探頭），主要通過不同的結(jié)構(gòu)和材料對(duì)FBG進(jìn)行封裝和增

6、敏，提高傳感探頭靈敏度[9]。目前儀出現(xiàn)嵌入式[10]、雙撓性梁式[11]、懸（臂）梁式[1118]、芯軸彈簧振子式[19]等結(jié)構(gòu)，基于這些結(jié)構(gòu)的FBG傳感器各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但為滿足不同應(yīng)用需求仍有待改進(jìn)。主要原因是傳感器結(jié)構(gòu)不合理，如采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，因光纖光柵柵區(qū)直接粘貼在懸臂梁表面，懸臂梁振動(dòng)帶動(dòng)光纖光柵變形時(shí)，易使光纖光柵產(chǎn)生啁啾或多峰現(xiàn)象，造成測(cè)試不準(zhǔn)，且振動(dòng)信號(hào)偏小(弱)，靈敏度低；(2)進(jìn)一步研究和開發(fā)出高效低成本的信號(hào)解調(diào)系