基于柔性铰链结构的高灵敏度低频光纤光栅加速度传感器

张法业; 姜明顺; 隋青美; 张雷; 曹玉强; 马国文; 魏钧涛

doi:10.3788/IRLA201746.0317004

基于柔性铰链结构的高灵敏度低频光纤光栅加速度传感器

doi: 10.3788/IRLA201746.0317004

1.
山东大学控制科学与工程学院,山东济南 250061;
2.
国网山东安丘市供电公司,山东潍坊 262100

基金项目:

国家自然科学基金（61074163）;山东省自然科学基金（ZR2014FM025）;山东大学基本科研业务费资助（2016JC012）

详细信息

作者简介:
张法业(1984-),男,工程师,博士生,主要从事光纤传感技术、光电子技术和信号处理方面的研究。Email:zhangfaye@sdu.edu.cn

中图分类号: TN247

High sensitivity and low-frequency FBG acceleration sensors based on flexure hinge structure

1.
School of Control Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China;
2.
State Grid Shandong Anqiu Power Supply Company,Weifang 262100,China

摘要: 设计了一种基于柔性铰链结构的光纤光栅加速度传感器，进行了结构理论分析，并构建有限元模型仿真分析了传感器的加速度传感特性。基于F-P滤波器构建了具有温度自补偿功能的光纤光栅加速度检测系统，并通过增加反馈控制电路，对F-P滤波器进行反馈控制，实现了系统的零点自温度补偿。对系统的特性进行了实验测试，结果表明：系统对加速度的连续激励信号和冲击激励信号均有良好的动态响应，系统的固有频率为380.0 Hz，动态响应范围可达65.6 dB，频率响应范围为10.0 ~240.0 Hz，灵敏度为236 pm/g，所设计的加速度传感器具有较强的横向抗扰能力，干扰方向灵敏度仅为工作方向灵敏度的3.5%。
- 光纤Bragg光栅 /
- 柔性铰链 /
- 加速度传感器 /
- 可调谐F-P滤波器 /
- 冲击响应
Abstract: A fiber grating acceleration sensor based on flexure hinge structure was designed. The structure theory analysis was carried out and the finite element model was built to simulate and analyze the acceleration sensing characteristic of the sensor. A fiber Bragg grating(FBG) acceleration detection system with temperature self-compensation was designed based on F-P filter, which achieved zero temperature self-compensation by adding a feedback circuit to control F-P filter. The characteristics of the system were tested on the built system. The results indicate that the system has excellent response to impulse excitation signal and continuous acceleration excitation signal. Natural frequency of the system is 380.0 Hz, while the dynamic range reaching 65.6 dB. The frequency response range of the system is 10.0 -240.0 Hz, in which the acceleration sensitivity is 236 pm/g. Since the sensitivity in the interference direction is only 3.5% of the sensitivity in the working direction，the acceleration sensor is designed with strong lateral immunity.
- fiber Bragg grating /
- flexure hinge /
- accelerometer /
- tunable F-P filter /
- impact response

[1]	Majumder M, Ganggopadhyay T K, Chakraborty A K, et al. Fiber Bragg Gratings in structural health monitoring-Preaent status and applications[J]. Sensors and Actuators A Physical, 2008, 147(1):150-164.
[2]	Zhong Shaolong, Long Liang, Li Ming, et al. Torsion-sensitive micro-electro mechanical systems accelerometer sensor based on optic fiber detection technology[J]. Chinese Journal of Lasers, 2014, 41(3):105-115. (in Chinese)钟少龙, 龙亮, 李明, 等. 基于光纤检测技术的扭转敏感微机电系统加速度传感器[J]. 中国激光, 2014, 41(3):105-115.
[3]	Guo Yongxing, Zhang Dongsheng, Li Jieyan, et al. Two dimensional fiber Bragg grating accelerometer[J]. Chinese Journal of Lasers, 2012, 39(12):198-204. (in Chinese)郭永兴,张东生,李杰燕,等. 光纤光栅二维加速度传感器[J]. 中国激光, 2012, 39(12):198-204.
[4]	Lu Wengao, Sun Qizhen, Wo Jianghai, et al. High sensitivity micro-vibration sensor based on distributed bragg reflector fiber laser[J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34(7):0728006. (in Chinese)鲁文高, 孙琪真, 沃江海, 等. 基于分布布拉格反射光纤激光器的高灵敏度微振动传感器[J]. 光学学报, 2014, 34(7):0728006.
[5]	Ke Tao, Zhu Tao, Rao Yunjiang, et al. Accelerometer based on all-fiber Fabry-Perot interferometer formed by hollow-core photonic crystal fiber[J]. Chinese Journal of Lasers, 2010, 37(1):171-175. (in Chinese)柯涛, 朱涛, 饶云江, 等. 基于空芯光子晶体光纤的全光纤法布里-珀罗干涉式加速度传感器[J]. 中国激光, 2010, 37(1):171-175.
[6]	Zeng Yujie, Wang Jun, Yang Huayong, et al. Fiber Bragg grating accelerometer based on L-shaped rigid beam and elastic diaphragm for low-frequency vibration measurement[J]. Acta Optica Sinica, 2015, 35(12):1206005. (in Chinese)曾宇杰, 王俊, 杨华勇, 等. 基于L形刚性梁与弹性膜片结构的低频光纤光栅加速度传感器[J]. 光学学报, 2015, 35(12):1206005.
[7]	Catalano A, Bruno F A, Pisco M, et al. An intrusion detection system for the protection of railway assets using fiber Bragg grating sensors[J]. Sensors, 2014, 14(10):18268-18285.
[8]	Ma Lin, Guo Xinchun, Qi Yanhui, et al. Investigation on the vibration characteristic of fiber vibration sensor based on a Core-offset structure[J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34(12):1206007. (in Chinese)马林, 郭新春, 齐艳辉, 等. 基于偏芯结构的光纤传感器的振动传感特性研究[J]. 光学学报, 2014, 34(12):1206007.
[9]	Robert Kuells, Siegfried Nau, Manfred Salk, et al. Novel piezoresistive high-g accelerometer geometry with very high sensitivity-bandwidth product[J]. Sensors and Actuators A:Physical, 2012, 182(8):41-48.
[10]	Guru Prasad A S, Omkar S N, Vikranth H N, et al. Design and development of fiber Bragg grating sensing plate for plantar strain measurement and postural stability analysis[J]. Measurement, 2014, 47(1):789-793.
[11]	Paulo Antunes, Hugo Lima, Humberto Varum, et al. Optical fiber sensors for static and dynamic health monitoring of civil engineering infrastructures:abode wall case study[J]. Measurement, 2012, 45(7):1695-1705.
[12]	Xu Dongsheng, Yin Jianhua, Cao Zhenzhong, et al. A new flexible FBG sensing beam for measuring dynamic lateral displacements of soil in a shaking table test[J]. Measurement, 2013, 46(1):200-209.
[13]	Khan M M, Panwar N, Dhawan R. Modified cantilever beam shaped FBG based accelerometer with self temperature compensation[J]. Sensors and Actuators A:Physical, 2014, 205(1):79-85.
[14]	Wang Hongliang, Zhou Haoqiang, Gao Hong, et al. Fiber grating acceleration vibration sensor with double uniform strength cantilever beams[J]. Journal of OptoelectronicsLaser, 2013, 24(4):635-641. (in Chinese)王宏亮, 周浩强, 高宏, 等. 基于双等强度悬臂梁的光纤光栅加速度振动传感器[J]. 光电子激光, 2013, 24(4):635-641.
[15]	Feng Dingyi, Qiao Xueguang, Yang Hangzhou, et al. A fiber Bragg grating accelerometer based on a hybridization of cantilever beam[J]. IEEE Sensor Journal, 2015, 15(3):1532-1537.
[16]	Ye Ting, Liang Dakai, Zeng Jie, et al. Study on optical fiber grating vibration sensor based on bow beam sensitive characteristic[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2012, 33(1):139-145. (in Chinese)叶婷, 梁大开, 曾婕, 等. 基于弓形梁增敏结构的FBG振动传感器研究[J]. 仪器仪表学报, 2012, 33(1):139-145.
[17]	Li Lan, Dong Xinyong, Zhao Chunliu, et al. Simply-supported beam-based fiber Bragg grating vibration sensor[J]. Infrared and Laser Engineering, 2011, 40(12):2497-2500. (in Chinese)李岚, 董新永, 赵春柳, 等. 简支梁结构的光纤光栅振动传感器[J]. 红外与激光工程, 2011, 40(12):2497-2500.
[18]	Zhang Yunshan, Qiao Xueguang, Liu Qinpeng, et al. Study on a fiber Bragg grating accelerometer based on compliant cylinder[J]. Optical Fiber Technology, 2015, 26(12):229-233.
[19]	Shi Weiwei. Research on response characteristics of FBG sensing subject to ultrasonic stimulation[D]. Wuhan:Wuhan University of Technology, 2012:16-21. 史巍巍. 超声激励下的光纤光栅传感响应特性研究[D]. 武汉:武汉理工大学, 2012:16-21.
[20]	Takedaa N, Okabeb Y, Kuwahara J, et al. Development of smart composite structures with small-diameter fiber Bragg grating sensors for damage detection:quantitative evaluation of delamination length in CFRP laminates using Lamb wave sensing[J]. Composites Science and Technology, 2005, 65(15-16):2575-2587.

[1]	朱伟舟, 谢永, 贾建军, 张亮, 高瑞弘, 王雪. 空间引力波探测超前瞄准机构研制与测试 . 红外与激光工程, 2023, 52(4): 20220423-1-20220423-8. doi: 10.3788/IRLA20220423
[2]	刘炳锋, 董明利, 孙广开, 何彦霖, 祝连庆. 浮空器柔性复合蒙皮形变光纤布拉格光栅传感器应变传递特性 . 红外与激光工程, 2021, 50(5): 20200315-1-20200315-9. doi: 10.3788/IRLA20200315
[3]	刘小涵, 李双成, 李美萱, 张容嘉, 张元. 离轴三反光学系统主三反射镜支撑结构设计 . 红外与激光工程, 2021, 50(8): 20210025-1-20210025-9. doi: 10.3788/IRLA20210025
[4]	苏李, 张晓彤, 吕沛桐, 孙铭阳, 王成虎, 陈晨, 张天瑜. 大量程高灵敏度的光纤光栅低频振动传感器研究 . 红外与激光工程, 2020, 49(S2): 20200340-20200340. doi: 10.3788/IRLA20200340
[5]	唐钊, 张钧翔, 付士杰, 白晓磊, 盛泉, 史伟, 姚建铨. 基于MMI滤波器的可调谐连续光全光纤OPO . 红外与激光工程, 2019, 48(5): 520002-0520002(6). doi: 10.3788/IRLA201948.0520002
[6]	张雄雄, 宋言明, 孙广开, 孟凡勇, 董明利. 柔性复合基体光纤布拉格光栅曲率传感器 . 红外与激光工程, 2019, 48(2): 222001-0222001(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0222001
[7]	陈娇, 童峥嵘, 张卫华, 薛力芳. 采用复合滤波器的温度可调谐多波长光纤激光器 . 红外与激光工程, 2018, 47(1): 105001-0105001(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0105001
[8]	阚宝玺, 杨超, 卞贺明, 唐才杰, 黄建业, 王学锋, 孟庆平, 孙维, 高行素. 植入式光纤光栅应变传感器的湿度影响 . 红外与激光工程, 2018, 47(S1): 92-98. doi: 10.3788/IRLA201847.S122007
[9]	兰斌, 杨洪波, 吴小霞, 王富国, 郭鹏. ?620 mm口径地基反射镜组件优化设计 . 红外与激光工程, 2017, 46(1): 118001-0118001(9). doi: 10.3788/IRLA201746.0118001
[10]	米仁杰, 万助军, 汪涵. MEMS可调谐平顶窄带光学滤波器 . 红外与激光工程, 2016, 45(7): 720001-0720001(5). doi: 10.3788/IRLA201645.0720001
[11]	张发祥, 吕京生, 姜邵栋, 胡宾鑫, 张晓磊, 孙志慧, 王昌. 高灵敏抗冲击光纤光栅微振动传感器 . 红外与激光工程, 2016, 45(8): 822002-0822002(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0822002
[12]	王成彬, 孙胜利, 胡亭亮, 胡凯. 高精度反射镜组件面形检测结构设计方法 . 红外与激光工程, 2016, 45(1): 117006-0117006(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0117006
[13]	刘福贺, 程志峰, 石磊, 徐宁, 管坐辇. 长条形反射镜支撑结构设计与分析 . 红外与激光工程, 2015, 44(5): 1512-1517.
[14]	张臻, 马鹏阁, 王金凤, 孙俊灵. 红外光谱条件下Bragg 光栅的横向受力研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(6): 1841-1844.
[15]	沈小燕, 张良岳, 孙杰, 胡佳成, 李东升. 改进剥层法实现FBG非均匀应变传感解调 . 红外与激光工程, 2015, 44(12): 3734-3739.
[16]	江小峰, 林春, 谢海鹤, 黄元庆, 颜黄苹. MEMS F-P 干涉型压力传感器 . 红外与激光工程, 2014, 43(7): 2257-2262.
[17]	潘洪刚, 童峥嵘, 张爱玲, 宋殿友, 薛玉明. 基于级联多模布拉格光栅和高精细度滤波器的可调谐双波长窄线宽掺铒光纤激光器 . 红外与激光工程, 2014, 43(12): 3912-3917.
[18]	肖前进, 贾宏光, 韩雪峰, 席睿. 一种低耦合位移动镜支撑机构静动态性能分析 . 红外与激光工程, 2013, 42(4): 975-981.
[19]	方秀丽, 童峥嵘, 曹晔, 杨秀峰. 采用F-P光纤环滤波器的窄线宽环形腔光纤激光器 . 红外与激光工程, 2013, 42(2): 329-333.
[20]	柳华, 刘伟奇, 冯睿, 魏忠伦, 张健. 新型全柔性动镜机构的设计与分析 . 红外与激光工程, 2012, 41(1): 184-189.

点击查看大图

计量

文章访问数: 582
HTML全文浏览量: 176
PDF下载量: 145
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

留言板

基于柔性铰链结构的高灵敏度低频光纤光栅加速度传感器

doi: 10.3788/IRLA201746.0317004

作者简介:
张法业(1984-),男,工程师,博士生,主要从事光纤传感技术、光电子技术和信号处理方面的研究。Email:zhangfaye@sdu.edu.cn

High sensitivity and low-frequency FBG acceleration sensors based on flexure hinge structure

计量

基于柔性铰链结构的高灵敏度低频光纤光栅加速度传感器

doi: 10.3788/IRLA201746.0317004

1. 山东大学控制科学与工程学院,山东济南 250061;

2. 国网山东安丘市供电公司,山东潍坊 262100

作者简介:
张法业(1984-),男,工程师,博士生,主要从事光纤传感技术、光电子技术和信号处理方面的研究。Email:zhangfaye@sdu.edu.cn

English Abstract

High sensitivity and low-frequency FBG acceleration sensors based on flexure hinge structure

1. School of Control Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China;

2. State Grid Shandong Anqiu Power Supply Company,Weifang 262100,China

全文HTML

目录

留言板

基于柔性铰链结构的高灵敏度低频光纤光栅加速度传感器

doi: 10.3788/IRLA201746.0317004

作者简介: 张法业(1984-),男,工程师,博士生,主要从事光纤传感技术、光电子技术和信号处理方面的研究。Email:zhangfaye@sdu.edu.cn

High sensitivity and low-frequency FBG acceleration sensors based on flexure hinge structure

计量

出版历程

基于柔性铰链结构的高灵敏度低频光纤光栅加速度传感器

doi: 10.3788/IRLA201746.0317004

1. 山东大学 控制科学与工程学院,山东 济南 250061; 2. 国网山东安丘市供电公司,山东 潍坊 262100

作者简介: 张法业(1984-),男,工程师,博士生,主要从事光纤传感技术、光电子技术和信号处理方面的研究。Email:zhangfaye@sdu.edu.cn

English Abstract

High sensitivity and low-frequency FBG acceleration sensors based on flexure hinge structure

1. School of Control Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China; 2. State Grid Shandong Anqiu Power Supply Company,Weifang 262100,China

全文HTML

目录

作者简介:
张法业(1984-),男,工程师,博士生,主要从事光纤传感技术、光电子技术和信号处理方面的研究。Email:zhangfaye@sdu.edu.cn

1. 山东大学控制科学与工程学院,山东济南 250061;

2. 国网山东安丘市供电公司,山东潍坊 262100

作者简介:
张法业(1984-),男,工程师,博士生,主要从事光纤传感技术、光电子技术和信号处理方面的研究。Email:zhangfaye@sdu.edu.cn

1. School of Control Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China;

2. State Grid Shandong Anqiu Power Supply Company,Weifang 262100,China