低頻光纖光柵加速度傳感器

低頻振動(dòng)廣泛存在于生產(chǎn)實(shí)際中，其振動(dòng)頻率一般在100Hz以下.如大型水輪發(fā)電機組的振動(dòng)頻率都在15Hz以下;一般公路和鐵路橋梁振動(dòng)的固有頻率在2～10Hz左右;工程地震脈動(dòng)頻率一般在2～50Hz之間.對這些低頻振動(dòng)的監測常采用磁電式速度傳感器來(lái)拾取信號.但在強電磁場(chǎng)環(huán)境中，磁電式振動(dòng)傳感器難以克服電磁場(chǎng)的干擾影響，因而其應用也受到了限制.光纖光柵加速度傳感器是利用光纖光柵的應變傳感機理來(lái)實(shí)現加速度的測量，并用光的波長(cháng)變化測量加速度值，用光纖來(lái)傳輸傳感信號，集測量、傳輸于一體，因而具有強抗電磁干擾能力.

1 光纖光柵的應變傳感機理

根據光纖光柵的彈光效應和彈性效應，當光纖光柵在縱向受到應變時(shí)會(huì )引起布拉格波長(cháng)的變化，其滿(mǎn)足以下關(guān)系：

式中，Pe為光纖光柵的有效彈光系數，ε為光柵在軸向的應變，λB為光纖光柵的布拉格波長(cháng)，△λB為布拉格波長(cháng)變化量.

公式(1)為光纖光柵傳感器的應變傳感機理光纖光柵加速度傳感器的設計是利用此機理來(lái)間接測量加速度物理量在傳感器的結構設計上利用懸臂梁的受力把加速度量轉換為應變量，從而轉化為布拉格波長(cháng)的變化，通過(guò)檢測波長(cháng)的變化即可實(shí)現加速度的測量.

2 光纖光柵加速度傳感器數學(xué)模型

圖1是光纖光柵加速度傳感器機械結構簡(jiǎn)圖，圖中懸臂梁一端固定在機座上，另一端放有質(zhì)量塊m，把光纖光柵兩端點(diǎn)粘貼在懸臂梁的固定端附近，有利于光柵在受力時(shí)應變均勻.在測量物體振動(dòng)時(shí)，把機座固定在振動(dòng)源上，振動(dòng)源與機座同時(shí)振動(dòng)，從而引起質(zhì)量塊m的振動(dòng)，在慣性力的作用下懸臂梁產(chǎn)生收縮和伸長(cháng)，帶動(dòng)光纖光柵產(chǎn)生應變從而引起布拉格波長(cháng)的變化，通過(guò)探測布拉格波長(cháng)的變化來(lái)實(shí)現振動(dòng)的測量.

以上光纖光柵傳感器的結構可以簡(jiǎn)化為由集中質(zhì)量m、集中剛度k和集中阻尼c組成的二階單自由度受迫振動(dòng)系統，其振動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示.其中機座振動(dòng)的位移是x，質(zhì)量塊m振動(dòng)的絕對位移是xm，彈簧力為k(x-xm)，阻尼力為.設在外力F的作用下機座作簡(jiǎn)諧振動(dòng)的位移是：