基于悬臂梁结构的光纤光栅位移传感研究

第28卷第11期

光子学报

V o 1128N o 111

1999年11月 A CTA

PHO TON I CA S I N I CA N ovem ber 1999

基于悬臂梁结构的光纤光栅位移传感研究

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关柏鸥　刘志国　开桂云　董孝义

(南开大学现代光学研究所,天津300071)

摘　要　本文提出了一种基于光纤光栅和悬臂梁结构的新型位移传感方案,并给出了实验结

果1本传感系统结构简单,测量范围大(大于20mm ),线性好(019991),抗电磁干扰,信噪比高,并可实现在线监测1

关键词　光纤光栅;悬臂梁;位移传感器

0　引言

近年来,光纤光栅在传感领域中的应用引起了人们极大的兴趣1～41作为传感元件,光纤光栅将被感测信息转化为其响应波长的移动,即用波长编码,因而不受光源功率波动和系统损耗的影响1另外,光纤光栅具有可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀等特点1这些是其它传感元件元法与之比拟的1

本文将光纤光栅与悬臂梁结构相结合,实现了光纤光栅的位移传感1本传感系统结构简单,具有动态范围大(大于20mm )、线性度高、抗电磁干扰等优点,可望得到实际应用1

1　原理

悬臂梁为一端固定、另一端自由的梁,如图1所示1设梁的厚度为h ,长度为L 1当梁的自由端

发生位移f 时,引起梁发生弯曲,梁的一面受拉

图1　矩形悬臂梁结构示意图

F ig 11　Schem e of the rectangular cantilever beam

伸作用产生拉应变,另一面受压缩作用产生压应

变1根据材料力学原理5,自由端位移f 引起的梁上考察点x 0处截面的弯矩M 可表示为

M =(L -x 0)3E If L 3

(1)式中E 为梁的杨氏模量,I 为x 0处截面的惯性矩1考察点x 0处的X 轴向应变Εx 与弯矩M 之

间的关系为

Εx =M z 0 E I (2)式中z 0为考察点距中性面的距离,对于图1所示

的矩形梁结构,z 0=h 21将式(1)代入(2),可得到自由端位移f 引起的梁上考察点x 0处的应变Ε

x 为Ε

x =3(L -x 0)hf (2L 3)(3)光纤光栅(FB G )是一种波长响应器件,其布喇格波长ΚB 随应变Ε而变化1如果将光纤光栅粘于悬臂梁上考察点x 0处,则应变Εx 引起的光纤光栅布喇格波长移动∃ΚB 为

∃ΚB ΚB =(1-p e )Εx (4)式中p e 为光纤的弹光系数1将式(3)代入(4),可

得到光纤光栅布喇格波长移动∃ΚB 与悬臂梁自由端位移f 的关系为

∃ΚB ΚB =(1-p e )3(L -x 0)hf (2L 3)(5)显然,光纤光栅布喇格波长移动∃ΚB 与悬臂梁自

由端位移f 之间成线性关系,通过测量光栅布喇

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国家攀登计划预研项目

收稿日期:1999—06—18

格波长移动∃ΚB 便可确定悬臂梁自由端位移f 的大小1如果将悬臂梁自由端与待测物相连,便可通过测量光栅布喇格波长变化来确定待测物的位移1

2

　实验结果与讨论

图2　实验装置原理图

F ig 12　Schem e of disp lacem ent sensing system

实验装置如图2所示1悬臂梁自由端与测量杆相连,测量杆将待测物的位移传递给悬臂梁自由端1悬臂梁长度为L =69mm ,厚度h =1mm 1光纤光栅粘于x 0=5mm 处,无应变状态的布喇格波长为ΚB =155718nm 1发光二极管(L ED )发出的光经3dB 耦合器入射到光纤光栅,被反射后又经3dB 耦合器送到光谱分析仪(O SA ),通过光谱分析仪测量光纤光栅的布喇格波长变化1实验得到的光纤光栅的布喇格波长ΚB 随悬臂梁自由端位移f 的变化情况如图3中实线所示1从图3可以看出,两者之间成非常好的线性关系,线性度为

R 2

=0199911曲线斜率,即系统灵敏度为

0132nm mm 1实验中所用光谱分析仪测量精度

为0104nm ,由此可以确定系统的位移分辨率为0112mm 1本系统的位移测量范围大于20mm 1

对于掺锗石英光纤,弹光系数p e =

01221根据式(5)可得到光纤光栅布喇格波长ΚB 与悬臂梁自由端位移f 之间理论曲线如图3中虚线所示,理论曲线的斜率为01355nm mm 1理论曲线与实图3　光纤光栅布喇格波长与悬臂梁自由端位移之间的

关系曲线

F ig 13　T he relati onsh i p betw een the B ragg w avelength

of fiber grating and disp lacem ent of free 2end of the cantilever beam

验曲线之间的差异是由于光纤光栅的粘贴质量问题造成的1由于光纤光栅的粘贴不理想,光纤光栅与悬臂梁之间是非刚性连接的,悬臂梁自由端位移引起的应变并不能完全作用于光纤光栅上,因而导致系统灵敏度的实验值与理论值之间的差异1如果引入粘合系数Γ来描述光纤光栅与悬臂梁之间的刚性连接程度,将式(5)改写为

∃ΚB ΚB =(1-p e )Γ3(L -x 0)hf (2L 3)(6)取Γ=019,则理论值与实验值很好地相符1

由式(6)可以看出,系统灵敏度与悬臂梁长度L 、

厚度h 以及光纤光栅的粘贴位置x 0有关1增大梁的厚度h ,减小梁的长度L ,使光纤光栅尽可能接近悬臂梁固定端,均可有效地提高系统的灵敏度和位移分辨率1

3　结语

我们将光纤光栅与悬臂梁结构相结合,实现

了光纤光栅的位移传感1本传感系统结构简单、动态范围大、线性好、抗电磁干扰,并可实现在线监测1通过改进悬臂梁结构,还可以进一步提高系统的响应特性1

参考文献

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