光栅振动传感系统

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1、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

2、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

3、、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、

4、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

5、，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。2FBG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

6、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．Ke

7、rsey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

8、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