光纤Bragg光栅振动传感器抗横向干扰设计.pdf

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1、2014年第33卷第7期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)95光纤Bragg光栅振动传感器抗横向干扰设计张继军，吴祖堂，彭映成，赵艳，邹虹(西北核技术研究所，陕西西安710024)摘要：针对光纤Bragg光栅(FBG)振动传感器在使用过程中存在横向干扰的问题，对传感器探头结构和配合尺寸进行了优化设计，达到了抗横向干扰的效果。ANSYS模态分析表明，传感器的2阶、3阶、4阶模态谐振频率远大于l阶模态谐振动频率，可以有效避免传感器在使用过程中的交叉敏感问题。振动加

2、载实验结果表明：在同等大小加速度激励下，传感器的横向输出占轴向输出的比例不超过3．47％，说明传感器具有良好的抗横向干扰能力。关键词：光纤Bragg光栅；振动传感器；结构优化；ANSYS数值模拟；抗横向干扰中图分类号：TN253文献标识码：A文章编号：1000--9787(2014)07--0095-03Anti—transverseinterferencedesign0fFBG●1J●VlDran0nSenS0rZHANGJi-jun，WUZu—tang，PENGYing·cheng，ZHAOYan，ZOUHon

3、g(NorthwestInstituteofNuclearTechnology，Xi’an710024，China)Abstract：AimingatproblemoftransverseinterferenceoffiberBragggrating(FBG)vibrationsensorinapplicationprocess，anti—transverseinterferenceeffectisachievedbyoptimizingsensorprobestructureandfitdimension．ANS

4、YSmodalanalysisshowsthatthesensorhasgoodabilityofsuppressingcrosssensitivitythatthesecondmodalmode，thirdmodalmodeandfourthmodalresonantfrequencyisconsiderablygreaterthanthefirstmodalresonantfrequency．Vibrationloadingexperimentalresultindicatesthatwhenimpelledb

5、ysamemagnitudeacceleration，theproportionofoutputsignalfromtransversemakes3．47％oftheaxiallyone，whichdemonstratesthesensorhasgoodanti—transverseinterferencecapacity．Keywords：FBG；vibrationsensor；structureoptimization；ANSYSnumericalsimulation；anti—transverseinter—

6、ference0引言降低传感器的横向灵敏度。ANSYS模态分析表明，设计的基于光纤Bragg光栅(fiberBragggrating，FBG)的振动传感器2阶、3阶、4阶模态谐振频率远大于1阶模态谐振传感器具有高稳定性、高精度、低功耗、低频性能好等优点，频率，能够有效避免传感器在使用过程中的交叉敏感问具有广阔的应用前景。目前，国内外关于FBG振动传感题。。。在理论分析和数值模拟结果的基础上，加工了传感器的研究，主要通过利用不同结构、材料进行封装来提高传器并对其抗横向干扰能力进行了实验分析，取得较好效果。感器性能。B

7、erkofTA等人采用嵌入式结构设计，固有频1结构设计与分析率可达2000Hz以上，但未实现温度补偿；ToddMD等人1．1传感器结构设计采用盘片式结构，该结构灵敏度不高，且易产生啁啾效FBG振动传感器是利用FBG的波长调制原理，通过传应[31；MitaA等人采用悬臂梁式传感器的频响较低，适用感探头将振动信号转换为FBG所受应力的变化，进而引起范围窄；刘钦朋等人提出FBG振动传感器的横向干扰问FBG反射波长的变化，通过解析波长信号就可以获得振动题，采用双悬臂梁的设计将横向干扰控制在较低水平。信号的振幅和频率等力学参

8、数。图1为传感器的基本结针对上述传感器存在的不足，本文依据低频微振信号构，主要由质量块，双FBG和保护外壳组成。振动质量块的监测需求，设计了一种弹簧振子式双FBG振动传感器，位于2个FBG的中问位置，光纤上下两端固定在壳体上。通过对传感器探头结构和配合尺寸进行优化设计，可有效质量块两端的光纤处于拉紧状态，相当于2个弹簧，与质收稿日期：2013-11-22基金