光纖光柵加速度傳感器的研究進(jìn)展

王璽

摘要：基于光纖布拉格光柵（FBG）的加速度傳感器近年來受到較大的關(guān)注，這種基于波長檢測(cè)的傳感器在諸多領(lǐng)域都有良好的應(yīng)用前景。本文重點(diǎn)對(duì)各種不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的光纖光柵加速度傳感器的技術(shù)和特點(diǎn)做了分析，對(duì)光纖光柵加速度傳感器的未來作了展望。

關(guān)鍵詞：光纖布拉格光柵；加速度傳感器；振動(dòng)測(cè)量

中圖分類號(hào)：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

對(duì)加速度的精確測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、安全監(jiān)控等領(lǐng)域有著重要的意義，近年來光纖加速度傳感器受到了越來越廣泛的關(guān)注與研究。其中基于光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）的加速度傳感器因其光路更簡(jiǎn)單、波長調(diào)制不受光源強(qiáng)度波動(dòng)影響、便于分布式測(cè)量等特性[1]成為光纖加速度傳感領(lǐng)域中最具發(fā)展前景的研究方向之一。本文綜合介紹了近年來光纖光柵加速度傳感器的幾種常見分類和最新研究成果，對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展前景做出了展望。

1 梁式結(jié)構(gòu)

懸臂梁以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、適合測(cè)量低頻振動(dòng)等特點(diǎn)成為光纖光柵傳感器的經(jīng)典彈性元件。2009年Antunes等[2]將光纖光柵作為等效彈簧連接在L形懸臂梁與彈簧鋼板之間，制成的傳感器諧振頻率在45Hz，與電子式傳感器相比均方根誤差僅為2.53×10-5G，適用于微小振動(dòng)的測(cè)量。2013年徐剛等[3]設(shè)計(jì)了一種雙FBG對(duì)稱式的高頻光纖光柵加速度傳感器，并提出一種基于比值法的匹配FBG解調(diào)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器諧振頻率為900Hz，工作頻段在0～500Hz左右，靈敏度為88mv/g，加速度測(cè)量范圍大于8g。2014年Zhang Xiaolei等[4]提出了一種新穎的雙半孔梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器。光柵只有兩端固定，可以有效避免因非均勻應(yīng)變而產(chǎn)生的啁啾現(xiàn)象。并且可以消除溫度變化的影響，抑制橫向加速度的干擾并使靈敏度加倍。該傳感器在0～25Hz的工作頻率下可以達(dá)到1296pm/g的靈敏度，在低頻振動(dòng)下的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中有著較好的應(yīng)用前景。

2 豎直式結(jié)構(gòu)

由于懸臂梁式結(jié)構(gòu)特性將其測(cè)量范圍限制在低頻區(qū)域，其頻率響應(yīng)范圍和靈敏度等指標(biāo)一直無法高頻振動(dòng)測(cè)量要求。而豎直式結(jié)構(gòu)的研究和發(fā)展，使光纖光柵加速度傳感器逐漸向高頻領(lǐng)域邁進(jìn)。2009年Zhang Wentao等[5]設(shè)計(jì)了一種單柱體結(jié)構(gòu)加速度傳感器，主要特點(diǎn)是采用了兩個(gè)彈性隔板來增加變形量，減小橫向干擾，該設(shè)計(jì)可達(dá)到30pm/g的靈敏度和5～200Hz的工作頻率。2012年Liu等[6]設(shè)計(jì)了一種單膜片式的加速度傳感器，工作頻率在10～200Hz，靈敏度可達(dá)36.6pm/g。2014年他們又提出了改進(jìn)的方案[7]，通過將膜片增加為兩層，把工作頻率范圍擴(kuò)展至50～800Hz，同時(shí)靈敏度也提升至45.9pm/g。

3 扭轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)

2013年張毅翔等[8]提出了一種新型的加速度傳感器，針對(duì)梁式結(jié)構(gòu)測(cè)量精確度不高，線性度不好的缺點(diǎn)，選擇了扭轉(zhuǎn)軸作為彈性元件，并用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)解決傳感器的溫度補(bǔ)償問題，提高了光纖光柵傳感器的線性度和穩(wěn)定性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試在80Hz的頻率下可以達(dá)到33pm/g的靈敏度。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為FBG加速度傳感器的發(fā)展研究提供了一種新穎的思路。

4 多維測(cè)量傳感器

在航空航天、水下目標(biāo)監(jiān)測(cè)、地震波監(jiān)測(cè)等諸多應(yīng)用領(lǐng)域都需要測(cè)量多維的振動(dòng)加速度信息，因此對(duì)于能夠?qū)崿F(xiàn)多維加速度測(cè)量的光纖光柵加速度傳感器是今后的一大重點(diǎn)研究方向。2002年Morikawa等[9]設(shè)計(jì)了一種中心懸掛型三分量加速度傳感器，將6根FBG直接作為彈性元件正交放置，質(zhì)量塊懸掛于元件幾何中心，該結(jié)構(gòu)可以測(cè)量50～100Hz的三維振動(dòng)。2012年郭永興等[10]提出一種基于“鋼管-質(zhì)量塊”彈性結(jié)構(gòu)體的FBG二維加速度傳感器。該設(shè)計(jì)通過處于鋼管表面圓周方向呈90°分布的四根光柵的波長變化來測(cè)量加速度，該傳感器的靈敏度為8.6pm/g，加速度測(cè)量范圍為1.5～7.6g，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

5 結(jié)語

隨著振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域的不斷發(fā)展，國內(nèi)外對(duì)光纖光柵加速度傳感器的研究也日漸深入，各種新結(jié)構(gòu)，新材料的開發(fā)使得光纖光柵加速度傳感器在更多的場(chǎng)合得到應(yīng)用。本文介紹了光纖光柵加速度傳感器的基本分類以及國內(nèi)外最新的研究成果，可以看到在光纖光柵加速度傳感技術(shù)從實(shí)驗(yàn)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用的過程中，與傳統(tǒng)的加速度傳感器相比仍有不足，許多技術(shù)問題仍有待克服。因此還需要科研工作者繼續(xù)努力，使光纖光柵加速度傳感器更加實(shí)用，推向更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1] Kersey A， Davis M A， Patrick H J， et al. Fiber grating sensors [J]. Lightwave Technology， Journal of， 1997， 15（8）： 1442-1463.

[2] Antunes P F D， Lima H F T， Alberto N J， et al. Optical Fiber Accelerometer System for Structural Dynamic Monitoring [J]. Ieee Sensors Journal， 2009， 9（11）： 1347-1354.

[3] 徐剛，戴玉堂，金曉龍， et al. 一種高頻雙 FBG 加速度傳感器及其解調(diào)方法 [J]. 光電子激光， 2013， 8（003.

[4] Zhang X， Rong Q， Sun H， et al. Low-frequency fiber Bragg grating accelerometer based on a double-semicircle cantilever [J]. Optical Fiber Technology， 2014， 20（3）： 190-193.