CN111879970B - 基于应变啁啾效应的温度不敏感fbg加速度传感器及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提出了基于应变啁啾效应的温度不敏感FBG加速度传感器及方法，包括：质量块、M形悬臂梁、底座及光纤光栅；所述底座的一侧竖直固定有支撑杆，所述支撑杆的一端固定安装有M形悬臂梁，所述M形悬臂梁远离支撑杆的一端安装有质量块；所述M形悬臂梁由两个对称的等强度三角形组成，所述光纤光栅斜向粘贴在M形悬臂梁的非均匀应变梯度区域。本公开技术方案将光纤光栅粘贴在梁的应变非均匀区，通过施加拉伸载荷使光纤光栅产生啁啾效应，与单悬臂梁相比，具有强的抗扭能力。
Description
技术领域
本公开属于传感器技术领域，尤其涉及基于应变啁啾效应的温度不敏感FBG加速度传感器及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)加速度传感器因其具有不受电磁干扰、灵敏度高、可远距离传输和易于集成等优点，被广泛应用于大型结构和基础设施的健康监测领域中。地震灾害对建筑物结构会造成不同程度的损伤，在地震灾害发生前后利用FBG加速度传感器获取结构的自然频率，掌握材料和结构的运行状态，对建筑物早期结构损伤的鉴定和评估具有重要意义。
Antunes等提出一种高灵敏度L型悬臂梁结构，FBG在均匀应变作用下获得600pm/g左右的高灵敏度，但由于温度变化对其影响较大，限制了其在实际工程中的应用。针对温度交叉敏感问题，Li等[5]提出的一种基于膜片式具有温度补偿功能的FBG加速度传感器，但灵敏度低至20.189pm/g。杨淑连等[6]将FBG斜粘到矩形悬臂梁的侧面，并对反射光谱进行分析，采用强度解调的方法实现传感器的加速度测量，并对温度不敏感。董新永等设计了一种直角三角形悬臂梁结构，将均匀周期FBG自调制成啁啾FBG，实现传感器对温度不敏感，但实验证明传感器反射带宽随温度仍有变化。尽管近年来FBG加速度传感器已经取得了一系列丰硕成果，然而，在实际建筑物结构健康监测时，解决温度和应变的交叉敏感问题一直是阻碍FBG加速度传感技术工程推广应用的瓶颈问题。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了基于应变啁啾效应的温度不敏感FBG加速度传感器，解决了目前FBG加速度传感器温度和应变交叉敏感的问题。
为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了基于应变啁啾效应的温度不敏感FBG加速度传感器，包括：质量块、M形悬臂梁、底座及光纤光栅；
所述底座的一侧竖直固定有支撑杆，所述支撑杆的一端固定安装有M形悬臂梁，所述M形悬臂梁远离支撑杆的一端安装有质量块；
所述M形悬臂梁由两个对称的等强度三角形组成，所述光纤光栅斜向粘贴在M形梁的非均匀应变梯度区域。
第二方面，公开了基于应变啁啾效应的温度不敏感FBG加速度传感器的测量方法，即梁的自由端发生位移时，不同层面上产生的应变以中性面为对称面，其上产生拉应变，其下产生压应变，应变呈梯度分布，此应变可引起均匀周期光纤布拉格光栅的啁啾效应，表现为光纤光栅的反射带宽增宽，通过测量光纤光栅带宽的大小可获得对应加速度的值。适用于以地震信号作为激振源时建筑物的结构健康监测，包括：
当传感器受到外界振动信号激励时，其自由端的质量块随惯性力振动，振动诱发M形悬臂梁产生应变；
M形悬臂梁的不同层面产生的应变以中性面为对称面，其上产生拉应变，其下产生压应变并呈梯度分布；
此应变被传递到光纤光栅，引起均匀周期FBG的啁啾效应，表现为光纤光栅的反射带宽增宽，同时其反射光功率随着带宽的变化而改变。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本公开技术方案将光纤光栅粘贴在梁的应变非均匀区，通过施加拉伸载荷使光纤光栅产生啁啾效应，与单悬臂梁相比，具有强的抗扭能力。
温度变化只对光纤光栅反射波长有影响，对反射带宽和光功率没有影响，因此，该传感器具有温度自动补偿功能。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例传感器结构示意图；
图2传感器敏感结构力学分析图；
图3悬臂梁的宽度、厚度对固有频率的影响示意图；
图4悬臂梁宽度、厚度对反射带宽的影响示意图；
图5悬臂梁宽度、厚度对固有频率、反射带宽影响示意图；
图6静应力仿真分析示意图；
图7模态分析图；
图8传感器实验测试系统示意图；
图9不同加速度下的反射谱图；
图10传感器幅频响应曲线图；
图11不同加速度时的反射带宽拟合曲线；
图12不同加速度时带宽随温度的变化曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
用光纤光栅加速度传感器获取建筑物结构的固有频率，是地震灾害发生前后对建筑物结构损伤鉴定和评估的重要手段。针对光纤光栅在结构健康监测时温度交叉敏感的问题，提出一种基于应变啁啾效应对温度不敏感的新型加速度传感器。研制一种M形双悬臂梁结构，将光纤光栅粘贴在梁的梯度应变区，通过施加拉伸载荷使光纤光栅产生啁啾效应，并对传感器的固有频率和反射带宽进行理论分析、优化结构参数；采用有限元软件对传感器的结构应变和模态特性进行仿真分析；制作传感器实物，对其性能进行实验测试。结果表明，该传感器的灵敏度约为256pm/g，固有频率为66Hz，实验结果与仿真分析结果吻合，反射谱带宽对温度变化不敏感，有效解决了建筑物结构健康监测中温度交叉敏感问题。
本实施例公开了基于应变啁啾效应的温度不敏感FBG加速度传感器，将光纤光栅粘贴在梁的应变非均匀区，通过施加拉伸载荷使光纤光栅产生啁啾效应。
参见附图1所示，M形双悬臂梁式FBG加速度传感器由质量块、M形悬臂梁、底座及光纤光栅等组成，如图1所示，其中，M形悬臂梁由两个等强度三角形对称连接组成，一端连接底座，一端连接质量块。与单悬臂梁相比，具有强的抗扭能力。光纤光栅斜向粘贴在M形梁的非均匀应变梯度区域，其轴向与梁中性面的水平夹角为θ。为了获得最大的传感器灵敏度，粘贴的斜向角θ＝45°。
当传感器受到外界振动信号激励时，其自由端的质量块会随惯性力振动，振动诱发悬臂梁产生应变，梁的不同层面产生的应变以中性面为对称面，其上产生拉应变，其下产生压应变并呈梯度分布。此应变被传递到光纤光栅，可引起均匀周期FBG的啁啾效应，表现为光纤光栅的反射带宽增宽，同时其反射光功率随着带宽的变化而改变。而温度变化只对光纤光栅反射波长有影响，对反射带宽和光功率没有影响。因此，该传感器具有温度自动补偿功能。
固有频率分析：FBG加速度传感器的固有频率决定了所能测量的输入信号频率，其固有频率大于地震信号频率的1.5倍为最佳，大型结构和基础设施的健康监测一般以地震信号作为激振源，由于地震信号的频率为低频，一般在40Hz以下，因此传感器的固有频率60Hz左右最佳。为了求得固有频率，对传感器敏感结构进行力学特性分析，如图2所示。
悬臂梁初始参数如表1所示。
表1悬臂梁初始参数
FBG传感器固有频率为
式中，E为悬臂梁的弹性模量，b为悬臂梁的初始宽度b1与末端中间宽度b0的差值，h为悬臂梁的厚度，l为悬臂梁的长度，m为质量块的质量。
由式(1)可知，FBG加速度传感器固有频率f与悬臂梁的几何尺寸有关，所以
分别求固有频率f对宽度b、厚度h、长度l的偏导数，可知参数变化对固有频率f的影响为
将有关参数代入上式可得
fb＝0.000705387A；fh＝0.015871A；fl＝-0.00036277A
由结果可知，悬臂梁的几何参数对固有频率f的影响程度是不同的，其中厚度h对固有频率f影响最大，长度l对固有频率f影响最小，且长度l改变时，传感器结构也会改变。选取悬臂梁的宽度b、厚度h对固有频率f的影响进行分析，结果如图3所示。当宽度b一定时，随着厚度h的增加，固有频率f显著增加；当厚度h一定时，随着宽度b的增加，固有频率f缓慢增加。
反射带宽分析：
由光纤光栅耦合模理论可知，当外界轴向应变作用于FBG时，其波长会漂移，把光纤光栅看成是由一系列小的均匀周期的光纤光栅串联而成，当一个渐变的应变轴向施加在光纤光栅上，光栅的各小段被施加以不同的应变，所以各小段FBG波长产生不同的波长漂移，从而形成带宽反射光谱。若光纤光栅的初始反射带宽为λ0，那么由应变产生的反射谱带宽为
式中，lg为光纤光栅的长度，pe为光纤的有效弹光系数，E为悬臂梁材料的弹性模量，F为悬臂梁受到的压力，t为悬臂梁到光纤光栅的应变传递系数。
由式(5)可知，光纤的反射带宽λ与悬臂梁几何参数及材料特性等因素有关，所以
分别求反射带宽λ对宽度b、厚度h、长度l的偏导数，可得参数变化对反射带宽λ的影响为
将相关参数代入上式中可以得到
λb＝-1.898871528B；λh＝-42.72460938B；λl＝0.325520833B
由结果可知，悬臂梁的几何参数对反射带宽影响程度是不同的，其中厚度h对反射带宽λ影响最大，长度l对反射带宽λ影响最小。选取悬臂梁的宽度b、厚度h对反射带宽λ的影响进行分析，结果如图4所示。当宽度b一定时，随着厚度h的增加，λ下降显著；当厚度h一定时，随着宽度b的增加，反射带宽λ下降缓慢。
结构参数优化：通过上面的分析可知，悬臂梁长度l的变化对反射带宽λ和固有频率f影响都比较小，且传感器结构会随着长度l的变化发生改变。固定长度l，通过改变宽度b、厚度h对固有频率f和反射带宽λ进行结构参数优化，对数据拟合后整理到同一坐标系中，可得悬臂梁宽度b、厚度h对固有频率f和反射带宽λ的影响，如图5所示。
通过对悬臂梁参数进行分析，确定悬臂梁的宽度b为6mm，厚度h为0.85mm，长度l为35mm。令质量块质量为7.1g，弹性模量E为1.8×1011Pa，有效弹光系数为0.22，光纤光栅的中心波长为1549.5nm，长度l为5mm。计算可得，固有频率约为68Hz，反射带宽可达到3.6nm。
有限元仿真：传感器结构应变分析：
采用ANSYS软件进行有限元仿真分析，首先建立相关约束条件，在悬臂梁的左端施加固定约束，设定悬臂梁与质量块连接面为完全绑定支撑约束，在悬臂梁自由端添加集中载荷为标准地球重力加速度g(g＝9.8m/s2)，根据表2对模型材料进行参数设置。
表2模型结构材料参数
通过网格划分对模型进行静应力仿真分析如图6所示。由图6可知，悬臂梁不同层面上的应变呈梯度分布，自由端的最大形变量为69.075μm，当梁发生弯曲时栅区将发生形变。
传感器结构模态分析：模态是传感器结构本身的固有属性，依据传感器静应力分析的结果传感器模型进行模态分析。设置计算阶数为4，得到一阶、二阶、三阶、四阶模态频率分别为65Hz、339Hz、739Hz、1054Hz，提取一阶模态、二阶模态分析图如图7所示。
由图7所示，一阶模态为工作振型，表明模型在外界振动的作用下沿Y轴产生振动，一阶模态频率约为65Hz，与数值计算结果68Hz相近；二阶模态为扭动振型，表明模型在外界振动的作用下绕X轴发生扭动，对各阶模态频率比较可知，一阶模态频率与二、三、四阶模态频率相差较大，说明该结构具有较小的交叉耦合。
传感器实验测试：传感器实验测试系统由宽带光源、耦合器、振动台系统、光功率计、光谱分析仪和计算机等组成，如图8所示。宽带光源的光波通过3dB耦合器输送至振动台系统上的加速度传感器，光纤光栅的反射光通过同一个光纤耦合器进入光谱分析仪或光功率计，通过光谱分析仪测量传感器的反射谱带宽，利用带宽的变化验证啁啾效应的发生；通过光功率计测量传感器的反射光功率，结合光栅啁啾法实现加速度的测量。对传感器的幅频响应特性、线性响应特性、温度性能进行研究，并分析数据做归一化处理，得到传感器的性能参数。
传感器反射光谱测试：FBG中心波长为1549.5nm，其反射率为0.999，初始带宽为0.2nm。栅区温度为恒定25℃，光纤光栅受到不同加速度(0g，1g，2g和4g)作用时的反射谱如图9所示。
由图9可知，随着加速度的增加，反射谱的带宽变宽，反射光功率随着反射谱带宽的变化而改变，光栅反射谱出现了变形和多峰现象，即均匀周期FBG产生啁啾效应。
幅频响应特性测试：实验中，首先固定振动信号的振幅，对加速度传感器进行扫频测试。频率范围从5Hz至120Hz，步长为5Hz。每个频率对应的动态响应系数C即为测得的FBG加速度传感器带宽值与振动台上加速度值的比值。标定得到FBG加速度传感器的幅频响应曲线图如图10所示。
由图10可知，传感器的平坦响应范围从40Hz到60Hz，固有频率约为66Hz，结果表明，固有频率的实验测量值与前面数值计算值68Hz、仿真计算值65Hz均相近，微小误差可能是由于传感器组装时结构上的损耗及光纤光栅预应力调整不佳等因素导致的。
传感器线性响应测试：加速度传感器的线性响应是指在可测的加速度范围传感器的灵敏度随不同加速度的变化。在传感器线性响应测试实验中，设定振动台频率为80Hz对传感器施加正弦激励信号，加速度的测试范围从0g至5g，步长为0.2g。通过拟合反射带宽和加速度之间的线性关系得到传感器的灵敏度拟合曲线，曲线的斜率代表传感器的灵敏度。图11为传感器在不同加速度时与反射谱带宽、反射光功率的线性拟合曲线。
由图11可知，在80Hz的频率下，传感器的加速度的测量灵敏度达到了256pm/g，反射谱带宽、反射光功率和加速度之间的线性度分别为99.59％和99.92％。结果表明，反射谱带宽、反射光功率与加速度之间具有良好的线性关系。
传感器温度稳定性实验：采用YOKOGAWA公司研制的高分辨率AQ63700光谱分析仪。在不同加速度(1g，2g和4g)作用下改变温度的值，得到FBG反射谱的带宽随温度变化曲线，如图12所示。
由图12可知，温度从5℃增加到50℃的过程中，光谱仪观测到FBG反射带宽的变化始终小于0.05nm，微小的波动可能是由于FBG中心与悬臂梁中性层的不匹配造成的，其对实验结果的影响微小，可以忽略，结果可证明传感器对温度的变化不敏感。
本公开提出的一种基于应变啁啾效应的温度不敏感FBG加速度传感器，将均匀FBG斜粘在悬臂梁的表面，利用悬臂梁弯曲时在不同层面会产生梯度应变和啁啾效应，实现了光纤光栅的加速度传感和温度自补偿。并通过理论计算、仿真分析和实验对该方法进行验证。结果表明，该传感器性能良好，可靠性稳定，灵敏度可达到256pm/g，且对温度变化不敏感。该传感器的固有频率约为66Hz，适用于以地震信号作为激振源时建筑物的结构健康监测。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (8)
1.基于应变啁啾效应的温度不敏感FBG加速度传感器，其特征是，包括：质量块、M形悬臂梁、底座及均匀周期光纤光栅；
所述底座的一侧竖直固定有支撑杆，所述支撑杆的一端固定安装有M形悬臂梁，所述M形悬臂梁远离支撑杆的一端安装有质量块；
所述M形悬臂梁由两个对称的等强度三角形组成，所述均匀周期光纤光栅斜向粘贴在M形悬臂梁的非均匀应变梯度区域。
2.如权利要求1所述的基于应变啁啾效应的温度不敏感FBG加速度传感器，其特征是，所述加速度传感器的固有频率大于地震信号频率的1.5倍。
3.如权利要求2所述的基于应变啁啾效应的温度不敏感FBG加速度传感器，其特征是，所述加速度传感器的固有频率在获取时，基于悬臂梁初始参数与传感器固有频率的关系，分别求固有频率对悬臂梁宽度、厚度、长度的偏导数，可知参数变化对固有频率的影响。
4.如权利要求3所述的基于应变啁啾效应的温度不敏感FBG加速度传感器，其特征是，所述加速度传感器中当一个渐变的应变轴向施加在光纤光栅上，光栅的各小段被施加以不同的应变，所以各小段FBG波长产生不同的波长漂移，形成带宽反射光谱。
5.如权利要求4所述的基于应变啁啾效应的温度不敏感FBG加速度传感器，其特征是，所述加速度传感器结构参数优化时，通过改变宽度、厚度对固有频率和反射带宽进行结构参数优化，对数据拟合后整理到同一坐标系中，得悬臂梁宽度、厚度对固有频率和反射带宽的影响，确定悬臂梁的宽度、厚度及长度。
6.如权利要求4所述的基于应变啁啾效应的温度不敏感FBG加速度传感器，其特征是，所述加速度传感器结构应变分析时，建立相关约束条件，在悬臂梁的左端施加固定约束，设定悬臂梁与质量块连接面为完全绑定支撑约束，在悬臂梁自由端添加集中载荷为标准地球重力加速度，通过网格划分对模型进行静应力仿真分析。
7.基于权利要求1-6任一所述的基于应变啁啾效应的温度不敏感FBG加速度传感器的测量方法，其特征是，适用于以地震信号作为激振源时建筑物的结构健康监测，包括：
当传感器受到外界振动信号激励时，其自由端的质量块随惯性力振动，振动诱发M形悬臂梁产生应变；
M形悬臂梁的不同层面产生的应变以中性面为对称面，其上产生拉应变，其下产生压应变并呈梯度分布；
此应变被传递到光纤光栅，引起均匀周期FBG的啁啾效应，表现为光纤光栅的反射带宽增宽，同时其反射光功率随着带宽的变化而改变。
8.传感器实验测试系统，其特征是，包括宽带光源、耦合器、振动台系统、光功率计、光谱分析仪；宽带光源的光波通过耦合器输送至振动台系统上的权利要求1-6任一所述的加速度传感器，光纤光栅的反射光通过同一个光纤耦合器进入光谱分析仪或光功率计，通过光谱分析仪测量传感器的反射谱带宽，利用带宽的变化验证啁啾效应的发生；通过光功率计测量传感器的反射光功率，结合光栅啁啾法实现加速度的测量。
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