强度调制光纤加速度传感器

图 5 V 与 y 之间关系曲线 Fi g. 5 Characteristic of the relati on of V and y
图 3 V 与 L 之间关系曲线 Fi g. 3 Characteristic of the relati on of V and L
图 4为 V 与光纤间距d 之间的关系曲线, 在 L 一 定的条件下, 随着 d 的增加, V 值随之减小, 也就是 传感器的灵敏度下降。
0引言 加速度传感器是工业、国防等许多领域中进行
冲击、振动测量常用的重要传感器。其工作原理是 采用惯性原理, 利用质量块感受被测件运动时产生 的惯性力或位移, 测量出此惯性力或位移即可测量 出相应的加速度。传统加速度传感器采用机电方法 测量质量块的惯性力或位移, 光纤加速传感器则采 用光纤传感技术测量质量块的惯性力或位移。与传 统加速度传感器相比, 光纤加速度传感器不但具有 抗电磁干扰的独特优点, 而且体积小、质量轻、动态 范围宽、准确度高、能在恶劣环境下工作, 因此光纤 加速度传感器的研究受到高度重视, 各种光纤加速 度传感器不断涌现。
关的, 而影响最大的因素是悬臂光纤长度。
由多模光纤端出射光场的场强分布, 有
( r, y) =
KI R2(
0
z
)
exp{
-
r2 R2( z
)
}
,
式中 ( r, y ) 为光纤端光场中位置( r , y ) 处的光
通量密度; I0 为光源耦合进入射光纤的光强; K 为入
射光纤中的损耗; R( z ) 为纤端光场分布等效半径,
目前研制的光纤加速度传感器主要有光强调制 型与相位调制型两大类。光强调制型有透射式、反 射式、偏振式等, 其结构一般比较简单, 容易实现, 国 内外研究较多; 相位调制型光纤加速度传感器均属 本征型, 有 Mach- Zender 干涉式, Michelson 干涉式和 Fabry-Perot 干涉式等。本文利用光纤本身做敏感元 件, 制作了一种透射式强度调制光纤加速度传感器, 为了克服光源扰动及微弯损耗等干扰因素对测量准 确度的影响, 采用了双接收光纤补偿方案。 1 基本原理 1. 1 传感器工作原理
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付敬奇等: 强度调制光纤加速度传感器
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动时, 其输出特性则要比经过进行加、减和比值运算 后的输出特性明显恶化。 3结 论
设计了一种透射式强度调制光纤加速 度传感 器。模拟计算和初步实验表明: 传感器的灵敏度主要 由悬臂光纤的长度 L 和光纤的间距 d 所决定; 双接 收光纤补偿可使光源扰动及微弯损耗等干扰因素对 测量准确度的影响有明显的补偿效果。该设计方案 的传感器体积小、质量轻、廉价, 特别适合在电磁干 扰和对传感器价格要求较低场合下进行测量。 参考文献:
摘 要: 设计了一种透射式强度调制光纤加速度传 感器, 利 用入射光纤 直接作悬 臂梁和敏 感质量 块, 采 用
双接收 光纤, 经过加、减及比值运算, 使光源扰动及微弯损耗干扰的影 响得到有效地补偿, 给出了模拟计 算
和初步实验结果。
关键词: 强度调制; 光纤; 加速度; 传感器
中图分类号:TP212; TN253
[ 1] 付敬奇, 陈关君. 智能 补偿光纤 位移传 感器[ J] . 传 感器技 术, 1999, 18( 4) : 35- 37.
[ 2] Mitsuteru Kimura, Katsuhisa Toshima. V ibration sensor using optica-l fiber cantilever with bulb-lens[ J] . Sensors and A ctuat ors, 1998, 66: 178- 183.
K1= K2
.
( 8)
exp1(- i iri ) = exp2(- i iri )
经过光电转换及加、减和比值运算后, 输出 V 为
V=
V( I1) V( I1) +
V( I2) V( I2)
.
( 9)
将式( 6) 、( 7) 、( 8) 代入式( 9) 可得
V=
th[
Dy R2( d
)
]
.
( 10)
为消光系数; r 曲率半径。 假设以接收光纤端面中心点处的光强作为整个
纤芯面上的平均光强, 则式( 5) 可以简化为
I1 =
KK 1I 0 R2( d
s )
exp1(
-
i
iri ) exp{-
(
D 2
R
- y) 2( d )
2
}
.
( 6)
同理, 接收光纤 2 所接受的光强为
I2 =
KK2I0 R 2( d
为悬臂光纤的截面积; E 为光纤的杨氏模量; a 为加
速度; J 为截面惯性矩。对于圆形光纤
J=
D4 64
,
( 2)
式中 D 为光纤的直径。
将式( 2) 代入式( 1) , 并由 S =
1 4
D2 可得
y=
2L ED
4 2
a
.
( 3)
由式( 3) 可知, 悬臂光纤的最大变形量 y 与光纤
的材料特性( E, ) 、几何尺寸( L , D) 及加速度 a 有
关, 在光纤确定的条件下, y 与光纤长度 L 的四次方
成正比, 与光纤直径 D 的平方成反比。可见, 对 y 影
响最大的因素是悬臂光纤长度 L。
悬臂光纤的最小谐振频率 f 0 为
f0 =
0. 44D L2
E.
( 4)
由式( 4) 可知, 传感器的固有频率是与光纤的
材料特性( E , ) 及悬臂光纤的几何尺寸( L , D) 有
i s
KK R2
1I 0 (d)
ex
p1
(-
i
iri) exp{-
(
D 2 R2
(d
y )
)
2
}
d
s
,
s
( 5)
式中 K 1 为 接 收 光 纤 1 的 光 功 率 损 耗 系 数; exp1(- iri ) 为接收光纤 1 的微弯所附加的损耗; s
i
为接受光面积; d 为接收光纤与入射光纤间的距离;
图 6 为传感器的固有频率f 0 与悬臂梁长度 L 的 关系曲线, f 0 与 L 之间为反比关系。
图 7 V 与 a 之间关系曲线 Fig. 7 Characteristic of the relati on of V and a
经过最小二乘法进行处理后得到传感器的非 线性度分别为 3. 5% FS, 1. 5% FS。另外, 对只取 两根接收光纤中的任一根进行测试时, 传感器在相 同的条件下的 输出特性的非线性度并 无明显的变 化, 但在对入射光纤或接收光纤中的任一根进行抖
由于光纤的最大弯曲变形量与悬臂光纤的长度 相比是非常小的, 所以可以假定悬臂光纤的移动是 平移( 见图 2) 。
图 2 传感器探头简图
Fig. 2 Diagram of sensor
根据力学原理, 在加速度的作用下, 悬臂光纤
的最大弯曲变形量 y 为
y=
S 8
L4 EJ
a
,
( 1)
式中 L 为悬臂入射光纤的长度; 为光纤密度; S
文献标识码: A
文章编号: 1000- 9787( 2001) 11- 0020- 04
Intensity-modulation fiber optic acceleration sensor
FU Jing- qi1, LIU Jun1, DONG Xin- ping2
( 1. Sch. of Mechelectronical Engin. & Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China;
其定义为 R( z ) = 0 + z 3/ 2 ktg c,
式中 a0 为光纤芯半径; k 为光纤耦合条件系数; c 为光纤最大入射角。
如果选择接收光纤 1 和接收光纤 2 是完全相同
的, 由图2 可知, 在加速度的作用下, 接收光纤 1 所接
受的光强为
D I 1( d , 2 - y ) =
=
K 1exp1( iri) d s
由式( 3) 、( 10) 可知, 当光纤材料、结构尺寸及
接收光纤与入射光纤间的距离确定, 那么, 传感器的
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传感 器技 术
第 20 卷
最后输出与光源的光强、光纤本身的损耗及微弯附
加损耗等干扰是无关的, 只与被测加速度有关。 2 模拟计算及初步实验
由上面的理论分析可知, 传感器的输出特性主 要是与悬臂光纤的长度、光纤的间距等结构参数有 关。图 3 ~ 图 6 为传感器的输出特性与结构参数之 间的理论计算关系曲线。计算中采用对象光纤为阶 跃折射率分布玻璃光纤, 其特性参数分别取为: 数值 孔径 NA = 0. 3, E = 5. 9 1010Pa, D = 500 m,
传感器的原理结构简图见图 1。
收稿日期: 2001- 05- 25
图 1 传感器原理结构简图 Fig. 1 Construction diagram of sensor princi pl e
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付敬奇等: 强度调制光纤加速度传感器
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由图 1 可知, 传 感器主要由入 射光纤、接 收光 纤、发光驱动电路、光电转换电路、比值运算电路等 组成。其中入射光纤不但提供入射光, 而且它本身 又相当于悬臂梁和敏感质量块, 当加速度作用于传 感器的壳体时, 入射光纤必然受到一个与加速度成 比例的惯性力的作用, 使入射光纤产生挠曲变形, 两 个接收光纤所接收的光强也随之发生变化, 经过加、 减及比值运算, 从而产生一个与所受加速度成比例 的输出信号。 1. 2 传感器模型建立
2. The 49th Research Institute of the Electronics, Ministry of Information Industry, Harbin 150001, China)
Abstract: A transmission intensity- modulation fiber optic acceleration sensor is designed. The incident fiber optic is used as cantilever and sensitive mass. Two receive optec fibers are adoped . The output is compensated effectly after operated by addtion and subtration and divion to the disturbacce of light sour ce and microbending loss. The simulation operation and primery experiment results are provided. Key words: intensity-modulation; fiber optic; acceleration; sensor
= 2. 28 103 kg/ m3。 图 3为输出 V 与悬臂梁长度L 的关系, 在 d 一定
的条件下, 随着 L 的增加, V 也随之增加, 也就是传 感器的灵敏度增加, 当 L 增加到一定值后, V 的变化 很小, 趋于饱和。
根据上述原理与分析计算, 制作了一种传感器 的原理样机。所采用的光纤为阶跃折射率分布玻璃 光纤, 选择的结构参数为 L = 30mm, D = 500 m, d1 = 100 m, d2 = 200 m, 加 速 度 的 测 量 范 围 为 0 ~ 500m/ s2。传感器的输出特性曲线如图 7 所示。
s )
ex
p2(-
Hale Waihona Puke Baidu
i
iri ) exp{-
(-
D
2 R 2(
+ d
y )
)
2
}
,
( 7)
式中 K 2 为 接 收 光 纤 2 的 光 功 率 损 耗 系 数; exp2(- i iri ) 为接收光纤 2 的微弯所附加的损耗。
由于接收光纤1 和接收光纤 2相同, 设计中使其 处于相同的环境下, 则有
图 6 固有频率 f 0 与悬臂梁长度 L 关系曲线 Fig. 6 Characteristic of the rel ation of f 0 and L
图 4 V 与 d 之间关系曲线 Fig. 4 Characteri sti c of the relation of V and d
图 5 为 V 与光纤位移y 之间的关系, 在 L 一定 的条件下, 随着 y 的增加, V 也随之增加, 当 y 增加 到一定值后, V 的变化很小, 趋于饱和。
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传感器技术( Journal of Transducer Technology)
2001 年 第 20 卷 第 11 期
设计与制造
强度调制光纤加速度传感器
付敬奇1, 刘 俊1, 董新平2
( 1. 上海大学 机电工程与自动化 学院, 上海 200072; 2. 信息产业部电子第 49 研究所, 黑龙江 哈尔滨 150001)