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3 光纤光栅加速度传感器特性研究

根据式(15)的光纤光栅加速度传感器的数学模型，设计了固定频率fn=67Hz的低频光纤光栅加速度传感器.弹性梁尺寸为L=80mm，h=1mm，b=5mm，材料选用碳纤维，弹性模量E=128GPa，质量块m=8.8 g，布拉格光纤光栅在静止状态下的波长λB=1551.75nm，波长变化灵敏度80 pm·g-1，经过光电探测器转化为电信号后的灵敏度为s=200mV.g-1.对传感器的动态特性在ES-015振动台上进行了实验研究，图3是在三种不同阻尼比ε时的幅频特性实验中给激振器旋加的加速度值为0.5g(g为重力加速度)，整个测量频带是0～100Hz.从图中可以看出：在l～45 Hz以下是加速度计的幅值平坦区，在45～65Hz是共振区，在65Hz以上是衰减区，所以选用1～45Hz作为其工作区;在共振区内加速度计的特性也与阻尼有关，随着阻尼比的增加振动幅值呈下降趋势，同时共振频率也向低频偏移，但阻尼比对幅值的影响比较显著一些，所以通过选用适当的阻尼可以改变加速度计的共振区特性，防止其工作在共振区时由于幅值过大引起传感器损坏.通常阻尼选在O.707附近，这与其他振动传感器是相同的.

对单自由度的低频光纤光栅加速度计来说，横向抗干扰特性也是一项重要指标.实验在加速度计的测振方向以及与其垂直的侧向分别加0.5g的加速度，在5～45 Hz的频带范围内对两个方向的振动值进行了对比，测量结果如图4所示.从图中可以看出，在加速度计的测振方向激振时加速度计测量输出维持在100 mV 附近，而在与测振垂直方向激振时输出在1～4mV范围内，其横向抗干扰能力达40 dB.可见此种设计方案可以有效降低横向干扰的影响.

4 结论

设计了低频光纤光栅加速度传感器通过对其力学模型分析，建立了光纤光栅加速度传感器的数学模型，得到了传感器的加速度和光纤光栅波长变化间的关系.通过振动实验，得到了在不同阻尼下光纤光栅加速度计的幅频特性，其可用幅频带宽为1～45 Hz.另外，通过其横向特性实验抗干扰能力达40 dB.光纤光栅加速度传感器结合自身的强抗电磁干扰特性，可有效代替磁电式振动传感器实现发电机组的振动测量.

关键词： 传感器 加速度 光栅 光纤 低频