WO2018119598A1 - 一种光纤光栅振动传感器的参数设计方法 - Google Patents

一种光纤光栅振动传感器的参数设计方法 Download PDF

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WO2018119598A1
WO2018119598A1 PCT/CN2016/112178 CN2016112178W WO2018119598A1 WO 2018119598 A1 WO2018119598 A1 WO 2018119598A1 CN 2016112178 W CN2016112178 W CN 2016112178W WO 2018119598 A1 WO2018119598 A1 WO 2018119598A1
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optical fiber
grating
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vibrator
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Inventor
侯丹
卫广远
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深圳太辰光通信股份有限公司
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means

Definitions

  • the invention relates to a parameter design method of a fiber grating vibration sensor.
  • the present invention proposes a parameter design method of a fiber grating vibration sensor, which can efficiently design a high sensitivity and a measured vibration frequency as needed. High fiber grating vibration sensor.
  • a parameter design method of a fiber grating vibration sensor comprises a base body, an optical fiber, a vibrator, and the optical fiber comprises an optical fiber engraved with a grating and a bare fiber; a groove is disposed on both sides of the base body; the groove is in line with a center of the vibrator; and the fiber grating is tightly fixed in a groove on both sides of the base body through a center of the vibrator
  • the vibrator and the base body are fixedly connected by a damper plate to vibrate the optical fiber in an axial direction, comprising the steps of: S1: setting a natural frequency or sensitivity of the fiber grating vibration sensor; S2, selecting a type of the optical fiber; Obtaining the Young's modulus of the optical fiber and the cross-sectional area of the optical fiber; S3, combining the light obtained in step S2
  • the Young's modulus of the fiber and the cross-sectional area of the fiber are obtained by: S1: setting a natural frequency or sensitivity of the fiber grating
  • the type of the optical fiber includes a quartz single mode fiber.
  • step S3 the step of adjusting the number and effective length of the optical fibers on both sides of the base body includes:
  • T1 setting an effective length of the optical fibers on both sides of the base
  • T2 adjusting the number of fibers on both sides of the substrate.
  • the expression of the sensitivity is
  • m represents the vibrator mass
  • ⁇ B represents the initial wavelength of the fiber
  • E represents the Young's modulus of the fiber
  • S represents the cross-sectional area of the fiber
  • g represents the gravitational acceleration
  • d represents the number of fibers engraved with the grating on one side of the substrate.
  • the damping sheet has a damping ratio of 0.707, and the material of the damping sheet includes copper.
  • the invention utilizes the strain-sensitive characteristic of the optical fiber to regard the optical fiber as a spring, and provides a new measurement by establishing a mathematical model of the equivalent elastic modulus, natural frequency and sensitivity of the optical fiber.
  • Parameter design method for vibrating fiber grating sensors According to the designer's need to set the natural frequency or sensitivity of the fiber grating vibration sensor, according to the relationship between the parameters, only the number of fibers on both sides of the substrate and the corresponding effective length can be adjusted to realize the important parameter design of the fiber grating sensor.
  • the fiber Bragg grating sensor has high sensitivity and a high vibration frequency.
  • Advantageous effects of the preferred embodiment of the present invention further include: further improving the amplitude-frequency characteristic of the fiber grating vibration sensor by adjusting the damping ratio of the damper sheet.
  • FIG. 3 is a graph showing amplitude-frequency characteristics of a fiber grating vibration sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the invention utilizes the strain-sensitive characteristic of the optical fiber to regard the optical fiber as a spring, and provides a novel parameter design method of the fiber grating vibration sensor sensor for measuring vibration by establishing a mathematical model of the optical fiber elastic coefficient, the natural frequency and the sensitivity.
  • a method for designing a parameter of a fiber grating vibration sensor comprising a base body, an optical fiber, and a vibrator, wherein the base body is provided with grooves on both sides thereof; the optical fiber comprises an optical fiber engraved with a grating and a bare fiber; a groove is in line with a center of the vibrator; the optical fiber is tightly fixed in a groove on both sides of the base body through a center of the vibrator; the vibrator and the base body are fixedly connected by a damper sheet, The fiber is vibrated in the axial direction, as shown in FIG. 1, and includes the following steps:
  • the type of the optical fiber is a quartz single mode optical fiber.
  • the step of adjusting the number and effective length of the optical fibers on both sides of the base in step S3 includes:
  • T1 setting an effective length of the optical fibers on both sides of the base
  • the expression of the equivalent elastic modulus of the optical fiber is
  • E is the Young's modulus of the fiber
  • S is the cross-sectional area of the fiber
  • d is the number of fibers with the grating engraved on one side of the substrate
  • p is the number of fibers without grating on the other side of the substrate
  • x is the side of the substrate.
  • y represents the effective length of the fiber without grating on the other side of the substrate
  • the sensitivity expression is
  • m represents the vibrator mass
  • ⁇ B represents the fiber wavelength
  • E represents the Young's modulus of the fiber
  • S represents the cross-sectional area of the fiber
  • g represents the gravitational acceleration
  • d represents the number of fibers engraved with the grating on one side of the substrate.
  • the embodiment further includes adjusting a damping ratio of the damping piece for improving the amplitude-frequency characteristic of the fiber grating vibration sensor.
  • the damping sheet has a damping ratio of 0.707, and the damping sheet is made of copper.
  • the initial wavelength of the fiber is ⁇ B.
  • the fiber is stressed, and the wavelength becomes ⁇ B + ⁇ .
  • the fiber is subjected to the stress in the opposite direction, and the wavelength is correspondingly changed to ⁇ B - ⁇ .
  • the relevant expression of the present invention can be placed in an excel table.
  • the substrate can be re-adjusted.
  • the number of fibers on both sides and / or the corresponding effective length of the fiber is designed.
  • Embodiment 1 The specific principles of Embodiment 1 and Embodiment 2 will be described below:
  • the wavelength ⁇ B (nm) of the fiber is expressed by:
  • ⁇ is the grating pitch and n is the effective refractive index of the core.
  • n and ⁇ change with changes in external strain and ambient temperature, so ⁇ B changes with external strain and ambient temperature.
  • ⁇ is the strain
  • P 1,1 , P 1,2 are the elastic coefficients
  • v p is the Poisson ratio
  • ⁇ is the thermal expansion coefficient of the fiber material
  • ⁇ T is the temperature change.
  • ⁇ B ⁇ B ⁇ 1-P e ⁇ + ⁇ B ⁇ [ ⁇ + ⁇ ] ⁇ T (5)
  • the temperature change is usually a slow change, it is expressed as a low-frequency signal.
  • the fiber When the fiber is strained, its ⁇ B will also drift. On the one hand, the refractive index changes due to the stress of the fiber material. This phenomenon is called the elastic effect. On the other hand, when the fiber material is subjected to stress, its The microscopic dots are displaced, causing the grating period to change.
  • the micro strain ⁇ of the optical fiber can be measured.
  • F 0 must be greater than the force of the vibrator at the maximum acceleration.
  • the fiber is regarded as a spring, and the initial values of the springs on both sides are ⁇ x 0 and ⁇ y 0 respectively . According to Hooke's law, there are:
  • the damping ratio should be 0 ⁇ ⁇ ⁇ 1.
  • the type of the optical fiber is a quartz single mode optical fiber.
  • the sensitivity expression is
  • m represents the vibrator mass
  • ⁇ B represents the fiber wavelength
  • E represents the Young's modulus of the fiber
  • S represents the cross-sectional area of the fiber
  • g represents the gravitational acceleration
  • d represents the number of fibers engraved with the grating on one side of the substrate.
  • a corresponding fiber grating sensor is prepared, including a base body 7, an optical fiber 2, and a mass block 5, and the two sides of the base body 7 are provided.
  • the material of the damping piece is copper, and the three parameters of the thickness a, length b and width c of the damping piece are adjusted, so that the damping ratio is close to 0.707.
  • the mass is at a central position of the substrate, and the center of the mass is a lateral center.
  • the grating is disposed between the mass and one side of the substrate; the number of the fibers is equal to 1, and the number of the gratings is 1.
  • the damping ratio of the damping piece may also be in the range of 0.706-0.708.
  • the mass and the substrate are fixedly connected by the damper sheet; the quality of the mass may be 1g-2g, and the length of the damper may be 2-3mm, and the width may be It is 1.2-1.4 mm and the thickness can be 0.3-0.5 mm.
  • the fiber grating vibration sensor has a good amplitude-frequency characteristic region in a region of 50-500 Hz, indicating that the fiber grating vibration sensor has good amplitude-frequency characteristics, and the present invention
  • the designed fiber grating vibration sensor has superior performance.

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Abstract

本发明公开了一种光纤光栅振动传感器的参数设计方法，包括步骤：S1、设定光纤光栅振动传感器的固有频率或灵敏度；S2、选定所述光纤的种类，获取光纤杨氏模量和光纤横截面积；S3、通过调整基体两侧光纤的数量及有效长度，获取光纤的等效弹性系数；S4、根据所述光纤的等效弹性系数结合步骤S1中所述固有频率获取振子质量，或根据步骤S3中获取的基体一侧刻有光栅的光纤有效长度结合步骤S1中的灵敏度获取振子质量；S5、根据振子质量以及其他给定或获得的参数值来制作传感器，从而获得具备所述固有频率或所述灵敏度的传感器。本发明利用光纤光栅应变敏感特性，将光纤看成是弹簧，提供了一种全新测量振动的光纤光栅振动传感器的参数设计方法。

Description

一种光纤光栅振动传感器的参数设计方法 技术领域
本发明涉及一种光纤光栅振动传感器的参数设计方法。
背景技术
现有的在强电磁场、油浸等恶劣环境的设备(如油浸变压器/电抗器等)，传统的基于电传感技术的振动测量技术无法满足或适应振动的测量。
目前，采用布拉格光纤光栅(以下简称“光纤光栅”)振动传感器多基于悬臂梁结构设计技术，光纤光栅易发生啁啾现象，且传感器灵敏度较低，测量频率通常为100Hz-200Hz。也有人研制了基于L梁的光纤光栅振动传感器，但传感器工作时自由振动衰减慢，影响传感器的工作性能。
为了提升光纤光栅振动传感器的工作性能，需要不断的调整各种参数，并且不断地进行实验和调整，这个过程耗时和耗资均十分巨大，而最终得到的结果还不一定满意。为此，急需要一种高效率的传感器设计方法，能在满足一定的约束条件的基础上，快速地设计出高性能的传感器。
发明内容
为了解决现有技术中难以快速地设计出高性能的光纤光栅振动传感器的技术问题，本发明提出一种光纤光栅振动传感器的参数设计方法，能根据需要高效地设计出灵敏度高、测量的振动频率高的光纤光栅振动传感器。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：一种光纤光栅振动传感器的参数设计方法，所述光纤光栅振动传感器包括基体、光纤、振子，所述光纤包括刻有光栅的光纤和裸纤；所述基体的两侧设有凹槽；所述凹槽与所述振子的中心在一条直线上；所述光纤光栅穿过所述振子的中心紧致固定在所述基体两侧的凹槽内；所述振子与所述基体通过阻尼片固定连接，使所述光纤沿轴向方向振动，包括步骤：S1、设定光纤光栅振动传感器的固有频率或灵敏度；S2、选定所述光纤的种类，获取光纤杨氏模量和光纤横截面积；S3、结合步骤S2中获取的光 纤杨氏模量和光纤横截面积，通过调整基体两侧光纤的数量及有效长度，获取光纤的等效弹性系数；S4、根据步骤S3中获取的所述光纤的等效弹性系数结合步骤S1中所述固有频率获取振子质量，或根据步骤S2中获取的参数值及步骤S3中获取的基体一侧刻有光栅的光纤有效长度结合步骤S1中的灵敏度获取振子质量；S5、根据步骤S4中所述振子质量以及其他步骤中给定或获得的参数值来制作传感器，从而获得具备所述固有频率或所述灵敏度的传感器。
具体地，所述光纤的种类包括石英单模光纤。
具体地，在步骤S3中，所述调整基体两侧光纤的数量及有效长度的步骤包括：
D1、设定所述基体两侧光纤的数量；
D2、调节所述基体两侧光纤的有效长度。
具体地，在步骤S3中，所述调整基体两侧光纤的数量及有效长度的步骤包括：
T1、设定所述基体两侧光纤的有效长度；
T2、调节所述基体两侧光纤的数量。
具体地，所述光纤的等效弹性系数的表达式为
Figure PCTCN2016112178-appb-000001
其中，E表示光纤的杨氏模量，S表示光纤的截面积，d表示基体一侧刻有光栅的光纤的数量，p表示基体另一侧无光栅的光纤的数量，x表示基体一侧刻有光栅的光纤有效长度,y表示基体另一侧无光栅的光纤有效长度，x≠0,y≠0，d≠0,p≠0。
具体地，所述振子质量的表达式为m＝k/[(2π)2×fn 2]，其中，k为光纤的等效弹性系数，fn为光纤光栅振动传感器固有频率。
具体地，所述灵敏度的表达式为
Figure PCTCN2016112178-appb-000002
其中，m表示振子质量，λB表示光纤初始波长，E表示光纤的杨氏模量，S表示光纤的截面积，g表示重力加速度，d表示基体一侧刻有光栅的光纤的数量。
进一步地，还包括调节阻尼片的阻尼比，用来提高所述光纤光栅振动传感器的幅频特性。
具体地，所述阻尼片的阻尼比ξ的调节标准为0.707，所述阻尼片的材料包括铜。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明利用光纤应变敏感特性，将光纤看成是弹簧，通过建立了光纤等效弹性系数、固有频率和灵敏度的数学模型，提供了一种全新测量振动的光纤光栅传感器的参数设计方法。根据设计人需要去设定光纤光栅振动传感器固有频率或灵敏度，根据参数之间的关系，只需调整基体两侧光纤的数量及对应的有效长度，即可实现光纤光栅传感器重要的参数设计，获得的光纤光栅传感器灵敏度高，测量的振动频率高。
本发明优选实施方式有益效果还包括：通过调节阻尼片的阻尼比进一步提高了所述光纤光栅振动传感器的幅频特性。
附图说明
图1是本发明实施例1中光纤光栅传感器的示意图。
图2是本发明实施例3中光纤光栅传感器的示意图。
图3为本发明实施例中光纤光栅振动传感器的幅频特征曲线图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
本发明利用光纤应变敏感特性，将光纤看成是弹簧，通过建立了光纤弹性系数、固有频率和灵敏度的数学模型，提供了一种全新测量振动的光纤光栅振动传感器传感器的参数设计方法。
实施例1
一种光纤光栅振动传感器的参数设计方法，所述光纤光栅振动传感器包括基体、光纤、振子，所述基体的两侧设有凹槽；所述光纤包括刻有光栅的光纤和裸纤；所述凹槽与所述振子的中心在一条直线上；所述光纤穿过所述振子的中心紧致固定在所述基体两侧的凹槽内；所述振子与所述基体通过阻尼片固定连接，使所述光纤沿轴向方向振动，如图1所示，包括以下步骤：
S1、设定所述光纤光栅振动传感器固有频率fn＝1500Hz；
S2、选定所述光纤的种类为G652单模光纤，获取光纤杨氏模量E＝7.0·1010N/m2 和光纤横截面积S＝1.23×10-8m2；
S3、调整基体一侧刻有光栅的光纤的数量d＝1，基体另一侧无光栅的光纤的数量p＝1，基体一侧刻有光栅的光纤有效长度x＝0.016m，基体另一侧无光栅的光纤有效长度y＝0.023m，获取光纤等效弹性系数k＝45519.21N/m；
S4、根据步骤S3获取的所述光纤的实际等效弹性系数k＝45519.21N/m结合步骤S1中所述固有频率fn＝1500Hz获取振子质量m＝0.512×10-3kg。
S5、根据步骤S4中获取的振子质量m＝0.512×10-3kg以及其他步骤中设定或获取的参数值制作传感器，从而获取具备所述灵敏度为7.068pm/g的传感器。
在本实施例中，所述光纤的种类为石英单模光纤。
在本实施例中，步骤S3所述调整基体两侧光纤的数量及有效长度的步骤包括：
D1、设定基体一侧刻有光栅的光纤的数量d＝1，基体另一侧无光栅的光纤的数量p＝1；
D2、调节基体一侧刻有光栅的光纤有效长度x＝0.016m,基体另一侧无光栅的光纤有效长度y＝0.023m。
在一些实施例中，步骤S3中所述调整基体两侧光纤的数量及有效长度的步骤包括：
T1、设定所述基体两侧光纤的有效长度；
T2、调节所述基体两侧光纤的数量。
在本实施例中，所述光纤的等效弹性系数的表达式为
Figure PCTCN2016112178-appb-000003
其中，E表示光纤的杨氏模量，S表示光纤的截面积，d表示基体一侧刻有光栅的光纤的数量，p表示基体另一侧无光栅的光纤的数量，x表示基体一侧刻有光栅的光纤有效长度,y表示基体另一侧无光栅的光纤有效长度，x≠0,y≠0，d≠0,p≠0。
在本实施例中，所述振子质量的表达式为m＝k/[(2π)2×fn 2]，其中，k为光纤的等效弹性系数，fn为光纤光栅振动传感器的固有频率。
在本实施例中，所述灵敏度表达式为
Figure PCTCN2016112178-appb-000004
其中，m表示振子质量，λB表示光纤波长，E表示光纤的杨氏模量，S表示光纤的截面积，g表示重力加速度，d表示基体一侧刻有光栅的光纤的数量。
本实施例还包括调节阻尼片的阻尼比，用来提高所述光纤光栅振动传感器的幅频特性。
具体地，所述阻尼片的阻尼比ξ的调节标准为0.707，所述阻尼片的材料为铜。
光纤受到应力时波长会发生相应的改变光纤的初始波长为λB；光纤受到应力，波长相应的变为λB+Δλ；光纤受到相反方向的应力，波长也相应的变为λB-Δλ。
需要说明的是，可将本发明的相关表达式放入excel表中，根据本发明的方法进行光纤光栅振动传感器的参数设计时，若输出的固有频率或灵敏度不符合要求，可重新去调整基体两侧的光纤数量和/或对应的光纤有效长度进行设计。
下面说明实施例1与实施例2的具体原理：
1、将光纤当做弹簧的基本原理
光纤的波长λB(nm)，由下式表示：
λB＝2nΛ  (1)
其中Λ是光栅间距，n是纤芯有效折射率。n和Λ随外界应变和环境温度的变化而改变，故而λB随外界应变和环境温度而改变，公式表示如下：
Figure PCTCN2016112178-appb-000005
ε是应变，P1,1、P1,2是弹性系数，vp是泊松比率，α是光纤材料的热膨胀系数，ΔT是温度变化。
定义Pe为光弹性常数，ξ为光纤材料的热光系数：
Figure PCTCN2016112178-appb-000006
ξ＝1/n·dn/dT       (4)
将(3)与(4)式代入(2)式可转变为(5)式：
ΔλB＝λB·{1-Pe}·ε+λB·[α+ξ]·ΔT    (5)
考虑到温度变化通常都是缓慢的变化，表现为低频信号，通过数字滤波技术，去除了温度变化产生的低频信号影响，即ΔT＝0，(5)式则简化为：
ΔλB＝λB·{1-Pe}·ε      (6)
需要说明的是，根据公式(6)即可用于振动测量的理论依据。
当光纤发生应变时，其λB也会发生漂移，一方面是由于光纤材料受应力作用而引起折射率的变化，这种现象称为弹光效应；另一方面光纤材料受应力作用时，其微观质点会发生位移，从而使光栅周期发生改变。
应变对光纤的总的作用是使光纤的中心波长发生移动，根据上述公式(6)，其漂移的幅度与应变有线性关系式如下：
对于典型的石英单模光纤，Pe≈0.22，有：
Figure PCTCN2016112178-appb-000007
因此在λB已知，且ΔλB可以准确测量的情况下，就能够测量出光纤的微应变ε。
2、光纤光栅振动测量原理
根据胡克定律，若沿光纤轴向施加拉力F，则光纤产生的轴向应变为：
Figure PCTCN2016112178-appb-000008
其中E为光纤杨氏模量，S为光纤横截面积，因此可以将光纤看成是弹簧。
2.1振动测量模型
振子两边的p根长度为x和q根长度为y的光纤已施加预拉力F0，拉升长度 分别为Δx0和Δy0，每根光纤的弹性系数分别设为k1和k2。
需要说明的是，F0必须大于振子在最大加速度上的受力。
2.2振动系统等效弹性系数k的表达式的获取过程如下：
将光纤看成是弹簧，两边弹簧初始值分别为Δx0和Δy0，根据胡克定律，有：
Figure PCTCN2016112178-appb-000009
将(9)代入(10)则振子的受力情况为：
F＝dk1(Δx0+Δx)-pk2(Δy0-Δx)＝(dk1+pk2)Δx   (10)
结合公式(8)，光纤此时的受力及应变分别为：
Figure PCTCN2016112178-appb-000010
Figure PCTCN2016112178-appb-000011
其中Δx为拉力F下光纤的被拉伸量，将(11)、(12)式代入(10)式，可得：
Figure PCTCN2016112178-appb-000012
光纤存在预拉力F0的情况下，有
Figure PCTCN2016112178-appb-000013
将公式(14)代入公式(13)可得：
ES＝k1x+k2y        (15)
将公式(9)消掉F0，并带入公式(14)，可得：
dk1x＝pk2y     (16)
将公式(15)、(16)联立，可得：
Figure PCTCN2016112178-appb-000014
将公式(17)代入公式(10)，可得：
Figure PCTCN2016112178-appb-000015
则振动系统的等效弹性系数k：
Figure PCTCN2016112178-appb-000016
对于单根普通掺锗石英光纤，E＝7.0·1010N/m2，光纤直径为125μm，则
Figure PCTCN2016112178-appb-000017
固有频率fn表达式的获取过程如下：
根据经典自动控制理论，振动属于二阶振荡系统，其二级特征方程为：
s2+2ξωns+ωn 2＝0    (21)
其中s为拉普拉斯算子，ξ为阻尼比，ωn为固有角频率。
Figure PCTCN2016112178-appb-000018
其中k为光纤的弹性系数，m为振动系统中的振子质量。
由于固有频率fn＝ωn/2π根据公式(19)、(22)得出：
Figure PCTCN2016112178-appb-000019
从表达式(23)可以得出，光纤长度越小，固有频率越大。在不小于1根的光纤上制作光栅作为振动的敏感元件，从光纤的制作角度考虑，光纤长度必大于光栅的长度，光纤最小的长度x或y受制于光栅的长度。光纤根数越多，固有频率越大。质量越小，固有频率越大。杨氏模量和光纤面积乘积越大，固有频率越大。
2.4加速度灵敏度Sa相关表达式的获取过程如下：
定义Sa为加速度灵敏度，表示为：
Figure PCTCN2016112178-appb-000020
其中Sa为灵敏度(pm/g)，a为加速度(g)，ΔλB为波长变化率(pm)。
被测物在加速度为a时，依据公式(11)，振动测量系统中光纤新增的应变(不考虑预拉力F0引起的应变)为：
Figure PCTCN2016112178-appb-000021
其中g为重力加速度。
依据(7)式：
Figure PCTCN2016112178-appb-000022
则依据(24)，(26)式，Sa的表达式为：
Figure PCTCN2016112178-appb-000023
可以看出灵敏度Sa与振子质量m、光纤波长λB成正比，与光纤的杨氏模量E、光纤的截面积S、和光纤的根数d成反比。
需要说明的是，根据经典自动控制理论，要实现振动的测量，阻尼比应0<ξ<1。ξ＝0.707为最佳阻尼比，幅频特性表现的最好，可测量的频率范围越大，可测量的频率越接近固有频率，通常为固有频率的0.8倍。
实施例2
实施例1是通过设定光纤光栅振动传感器固有频率进行其他参数的设定，从而制作出所需的传感器，本实施例是通过设定光纤光栅振动传感器灵敏度进行其他参数的设定，从而制备出所需的传感器。
具体地，一种光纤光栅振动传感器的参数设计方法，所述光纤光栅振动传感器包括基体、光纤、振子，所述基体的两侧设有凹槽；所述光纤包括刻有光栅的光纤和裸纤；所述凹槽与所述振子的中心在一条直线上；所述光纤穿过所述振子的中心紧致固定在所述基体两侧的凹槽内；所述振子与所述基体通过阻尼片固定连接，使所述光纤沿轴向方向振动，包括以下步骤：
A1、设定光纤光栅振动传感器的灵敏度Sa＝10pm/g；
A2、选定所述光纤的种类为G652单模光纤，获取光纤杨氏模量E＝7.0·1010N/m2 和光纤横截面积S＝1.23×10-8m2；
A3、调整基体两侧光纤的数量d＝1和p＝2及有效长度x＝0.027m和y＝0.021m，获取光纤等效弹性系数k＝48481.37N/m；
A4、根据步骤A2中获取光纤杨氏模量E＝7.0·1010N/m2和光纤横截面积S＝1.23×10-8m2，步骤A3中获取的基体一侧刻有光栅的光纤的数量d＝1，及步骤A3获取的所述光纤的实际等效弹性系数k＝48481.37N/m结合步骤A1中所述灵敏度Sa＝10pm/g获取振子质量m＝0.727×10-3kg。
A5、根据步骤A4中获取的振子质量m＝0.727×10-3kg以及其他步骤中给定或获得的参数值来制作传感器，从而获取所述固有频率fn为1300Hz的传感器。
在本实施例中，所述光纤的种类为石英单模光纤。
在本实施例中，步骤A3所述调整基体两侧光纤的数量及有效长度的步骤包括：
B2、调节所述基体两侧光纤的有效长度x＝0.027m和y＝0.021m。
B1、设定所述基体两侧光纤的数量d＝1和p＝2；
在本实施例中，所述光纤的等效弹性系数的表达式为
Figure PCTCN2016112178-appb-000024
其中，E表示光纤的杨氏模量，S表示光纤的截面积，d表示基体一侧刻有光栅的光纤的数量，p表示基体另一侧无光栅的光纤的数量，x表示基体一侧刻有光栅的光纤有效长度,y表示基体另一侧无光栅的光纤有效长度，x≠0,y≠0，d≠0,p≠0。
在本实施例中，所述振子质量的表达式为m＝k/[(2π)2×fn 2]，其中，k为光纤的等效弹性系数，fn为光纤光栅振动传感器的固有频率。
在本实施例中，所述灵敏度表达式为
Figure PCTCN2016112178-appb-000025
其中，m表示振子质量，λB表示光纤波长，E表示光纤的杨氏模量，S表示光纤的截面积，g表示重力加速度，d表示基体一侧刻有光栅的光纤的数量。
实施例3
根据实施例1中所述的光纤光栅振动传感器的参数设计方法，如图2所示，制作了相应的光纤光栅传感器，包括基体7、光纤2、质量块5，所述基体7的两侧设有凹槽6，所述光纤包括刻有光栅的光纤和裸纤；所述凹槽6与所述质量块5的中心1在一条直线上，所述光纤2穿过所述质量块5的中心1紧致固定在所述基体7两侧的凹槽内，所述质量块5与所述基体7通过阻尼片4固定连接，使所述光纤2沿轴向方向振动；还包括保护套管8及螺旋保护管9，所述基体7一侧的凹槽穿出的光纤穿过所述保护套管8，所述螺旋保护管9套住所述保护套管8。质量块两侧的光纤的数量d和p分别为1，光纤对应的长度x＝0.016m，y＝0.023m。
为了使传感器具有更好的幅频特性，阻尼片的材料为铜，调整阻尼片厚度a，长度b,宽度c三个参数，使得阻尼比接近0.707，本实施例中，阻尼片厚度a＝0.4mm,长度b＝1.2mm,宽度为c＝0.4mm。
具体地，所述阻尼片与所述基体垂直。
具体地，所述质量块在所述基体的中心位置上，所述质量块的中心为横向中心。
具体地，所述光栅设置在所述质量块与所述基体的一侧之间；所述光纤的数量等于1，所述光栅的数量为1。
具体地，所述质量块的形状为圆柱体。
在其他实施例中，所述阻尼片的阻尼比还可以在0.706-0.708范围内取值。
在其他实施例中，所述质量块与所述基体通过阻尼片固定连接方式还包括焊接；所述质量块的质量可以为1g-2g，所述阻尼片的长度可以为2-3mm、宽度可以为1.2-1.4mm、厚度可以为0.3-0.5mm。
在其他实施例中，所述光纤的数量可以大于等于1，所述光栅的数量为1。
进一步地，所述光纤光栅振动传感器还可以包括上盖板和下盖板，用于将所述光纤光栅振动传感器密封起来。
在其他实施例中，所述质量块的形状还可以为球体。
在本实施例中，如图3所示，所述光纤光栅振动传感器在50-500Hz的区域内具有良好的幅频特性区域，说明所述光纤光栅振动传感器具有良好的幅频特性，本发明所设计的光纤光栅振动传感器具有优越的性能。
需要说明的是，设定的固有频率与实际测量的固有频率有差距是受阻尼比的 影响。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

  1. 一种光纤光栅振动传感器的参数设计方法，所述光纤光栅振动传感器包括基体、光纤、振子，所述光纤包括刻有光栅的光纤和裸纤；所述基体的两侧设有凹槽；所述凹槽与所述振子的中心在一条直线上；所述光纤光栅穿过所述振子的中心紧致固定在所述基体两侧的凹槽内；所述振子与所述基体通过阻尼片固定连接，使所述光纤光栅沿轴向方向振动，其特征在于，包括以下步骤：
    S1、设定所述光纤光栅振动传感器的固有频率或灵敏度；
    S2、选定所述光纤的种类，获取光纤杨氏模量和光纤横截面积；
    S3、结合步骤S2中获取的光纤杨氏模量和光纤横截面积，通过调整基体两侧光纤的数量及有效长度，获取光纤的等效弹性系数；
    S4、根据步骤S3中获取的所述光纤的等效弹性系数结合步骤S1中所述固有频率获取振子质量，或根据步骤S2中获取的参数值及步骤S3中获取的基体一侧刻有光栅的光纤有效长度结合步骤S1中的灵敏度获取振子质量；
    S5、根据步骤S4中所述振子质量以及其他步骤中给定或获得的参数值来制作传感器，从而获得具备所述固有频率或所述灵敏度的传感器。
  2. 如权利要求1所述的光纤光栅振动传感器的参数设计方法，其特征在于，所述光纤的种类包括石英单模光纤。
  3. 如权利要求1所述的光纤光栅振动传感器的参数设计方法，其特征在于，在步骤S3中，所述调整基体两侧光纤的数量及有效长度的步骤包括：
    D1、设定所述基体两侧光纤的数量；
    D2、调节所述基体两侧光纤的有效长度。
  4. 如权利要求1所述的光纤光栅振动传感器的参数设计方法，其特征在于，在步骤S3中，所述调整基体两侧光纤的数量及有效长度的步骤包括：
    T1、设定所述基体两侧光纤的有效长度；
    T2、调节所述基体两侧光纤的数量。
  5. 如权利要求1所述的光纤光栅振动传感器的参数设计方法，其特征在于，所述光纤的等效弹性系数的表达式为
    Figure PCTCN2016112178-appb-100001
    其中，E表示光纤的杨氏模量，S表示光纤的截面积，d表示基体一侧刻有光栅的光纤的数量，p表示基体另一侧无光栅的光纤的数量，x表示基体一侧刻有光栅的光纤有效长度,y表示 基体另一侧无光栅的光纤有效长度，x≠0,y≠0，d≠0,p≠0。
  6. 如权利要求1所述的光纤光栅振动传感器的参数设计方法，所述振子质量的表达式为m＝k/[(2π)2×fn 2]，其中，k为光纤的等效弹性系数，fn为光纤光栅振动传感器的固有频率。
  7. 如权利要求1所述的光纤光栅振动传感器的参数设计方法，其特征在于，所述灵敏度表达式为
    Figure PCTCN2016112178-appb-100002
    其中，m表示振子质量，λB表示光纤初始波长，E表示光纤的杨氏模量，S表示光纤的截面积，g表示重力加速度，d表示基体一侧刻有光栅的光纤的数量。
  8. 如权利要求1所述的光纤光栅振动传感器的参数设计方法，其特征在于，包括调节阻尼片的阻尼比，用来提高所述光纤光栅振动传感器的幅频特性。
  9. 如权利要求8所述的光纤光栅振动传感器的参数设计方法，其特征在于，所述阻尼片的阻尼比ξ的调节标准为0.707，所述阻尼片的材料包括铜。
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