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20~1 250 Hz光纤激光加速度传感系统设计

顾宏灿 黄俊斌 程玲 杨光 毛欣

顾宏灿, 黄俊斌, 程玲, 杨光, 毛欣. 20~1 250 Hz光纤激光加速度传感系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2017, 10(4): 469-476. doi: 10.3788/CO.20171004.0469
引用本文: 顾宏灿, 黄俊斌, 程玲, 杨光, 毛欣. 20~1 250 Hz光纤激光加速度传感系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2017, 10(4): 469-476. doi: 10.3788/CO.20171004.0469
GU Hong-can, HUANG Jun-bin, CHENG Ling, YANG Guang, MAO Xin. 20-1 250 Hz fiber laser acceleration sensing system[J]. Chinese Optics, 2017, 10(4): 469-476. doi: 10.3788/CO.20171004.0469
Citation: GU Hong-can, HUANG Jun-bin, CHENG Ling, YANG Guang, MAO Xin. 20-1 250 Hz fiber laser acceleration sensing system[J]. Chinese Optics, 2017, 10(4): 469-476. doi: 10.3788/CO.20171004.0469

20~1 250 Hz光纤激光加速度传感系统设计

基金项目: 

海军工程大学科研基金项目 201300000583

详细信息
    作者简介:

    顾宏灿(1980-), 男, 江苏靖江人, 博士, 讲师, 主要从事光纤传感、光电测试等方面的研究。E-mail:tanktomb@163.com

    黄俊斌(1965-), 男, 湖南湘潭人, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事光纤水听器、船舶结构安全光纤传感监测、光电测试等方面的研究

    通讯作者:

    黄俊斌, E-mail:tsyj98@163.com

  • 中图分类号: TN253

20-1 250 Hz fiber laser acceleration sensing system

Funds: 

Science Foundation of University of Navy Engineering 201300000583

More Information
  • 摘要: 为了实现高灵敏度、宽频响应的光纤型加速度传感器,以光纤激光器作为加速度传感器的传感元件,建立了光纤激光加速度传感系统,并对该系统的传感原理、灵敏度和谐振频率等性能进行了分析和实验。采用竖直式加速度传感器结构,结构中的传感组件主要由质量块和中空的细钢管组成,光纤激光器受预应力作用后粘接在钢管内部,在加速度作用下,钢管产生的应变引起光纤激光器的应变和折射率发生改变,导致光纤激光器的出射波长随之发生改变,然后使用干涉解调技术检测出波长的动态变化,即可获得波长中包含的加速度振幅和频率信息。实验结果表明,在20~1 250 Hz频段内,竖直式光纤激光加速度传感器的灵敏度约为-126.2 dB[参考值1 rad/(μm/s2)],频响曲线的波动幅度在±1.9 dB范围内,加速度响应动态范围为77.46~170.26 dB[500 Hz频点,参考值1 μm/(s2·Hz1/2)],加速度分辨率优于0.01 m/s2

     

  • 图 1  DFB光纤激光器结构示意图

    Figure 1.  Configuration of DFB fiber laser

    图 2  光纤激光加速度传感系统示意图

    Figure 2.  System configuration of fiber laser acceleration sensor

    图 3  敏感元件的网格模型

    Figure 3.  Grid model of sensitive element

    图 4  传感器敏感元件的频响曲线

    Figure 4.  Frequency response curve of sensitive component of sensor

    图 5  光纤激光加速度传感器

    Figure 5.  A fiber laser acceleration sensor

    图 6  光纤激光加速度传感器测试实验系统

    Figure 6.  Test system of fiber laser acceleration sensor

    图 7  振动频率500 Hz时解调仪的输出信号

    Figure 7.  Output signal of interrogator when vibration frequency is 500 Hz

    图 8  光纤激光加速度传感器线性度

    Figure 8.  Linearity testing result of fiber laser acceleration sensor

    图 9  光纤激光加速度传感器的加速度灵敏度频响曲线

    Figure 9.  Acceleration sensitivity frequency response cur-ves of fiber laser acceleration sensor

    图 10  光纤激光加速度计的一阶振型图

    Figure 10.  First-order mode of fiber laser accelerometer

    图 11  光纤激光加速度传感器输出信号的噪声功率谱密度级

    Figure 11.  Noise power density of output signal of fiber laser acceleration sensor

  • [1] 徐国权, 熊代余.光纤光栅传感技术在工程中的应用[J].中国光学, 2013, 6(3):306-317. http://www.chineseoptics.net.cn/CN/abstract/abstract8937.shtml

    XU G Q, XIONG D Y. Application of fiber Bragg grating sensing technology in engineering[J]. Chinese Optics, 2013, 6(3):306-317. (in Chinese) http://www.chineseoptics.net.cn/CN/abstract/abstract8937.shtml
    [2] 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. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXXB201512013.htm

    ZENG Y J, WANG J, YANG H Y, 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) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXXB201512013.htm
    [3] 王永皎, 袁银权, 梁磊.一种低成本的双光纤光栅加速度传感器[J].武汉理工大学学报, 2015, 37(5):106-110. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WHGY201505019.htm

    WANG Y J, YUAN Y Q, LIANG L. Low-cost acceleration sensor based on dual fiber optic gratings[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2015, 37(5):106-110. (in Chinese) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WHGY201505019.htm
    [4] 刘钦朋, 乔学光, 傅海威, 等.两点封装的光纤布拉格加速度传感器设计[J].光学精密工程, 2012, 20(9):2110-2115. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXJM201209030.htm

    LIU Q P, QIAO X G, FU H W, et al.. Design of FBG acceleration sensor based on two-dot coating[J]. Optics and Precision Engineering, 2012, 20(9):2110-2115. (in Chinese) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXJM201209030.htm
    [5] 郭永兴, 张东生, 周祖德, 等.光纤布拉格光栅加速度传感器研究进展[J].激光与光电子学进展, 2013, 50:060001. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGDJ201306002.htm

    GUO Y X, ZHANG D S, ZHOU Z D, et al.. Research progress in fiber Bragg grating accelerometer[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2013, 50:060001. (in Chinese) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGDJ201306002.htm
    [6] 沈洋, 孙利民.高灵敏度温度自补偿型光纤光栅加速度传感器设计[J].结构工程师, 2009, 25(2):141-146. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGGC200902028.htm

    SHEN Y, SUN L M. Design of FBG-based accelerometer with high sensitivity[J]. Structural Engineers, 2009, 25(2):141-146. (in Chinese) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGGC200902028.htm
    [7] AMES G H, MAGUIRE J M. Erbium fiber laser accelerometer[J]. IEEE, 2007, 7(4):557-561. https://www.researchgate.net/publication/3431775_Erbium_Fiber_Laser_Accelerometer
    [8] 李芳, 何俊, 徐团伟, 等.光纤激光传感技术及其应用[J].红外与激光工程, 2009, 38(6):1025-1032. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ200906019.htm

    LI F, HE J, XU T W, et al.. Fiber laser sensing technology and its applications[J]. Infrared and Laser Engineering, 2009, 38(6):1025-1032. (in Chinese) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ200906019.htm
    [9] KOO K P, KERSEY A D. Bragg grating based laser sensor systems with interferometric interrogation and wavelength division multiplexing[J]. Lightwave Technology, 1995, 13(7):1243-1249. doi: 10.1109/50.400692
    [10] ZHANG J T, YU Y L, ZHANG Y L, et al.. High precision fiber DFB laser micro-accelerometer[J]. Advanced Materials Research, 2014, 852:296-299. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.852
    [11] 赵泳强, 程凌浩, 周峰, 等.双频干涉型光纤激光加速度传感器的指向性特性[J].量子电子学报, 2016, 33(3):372-377. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-LDXU201603019.htm

    ZHAO Y Q, CHENG L H, ZHOU F, et al.. Directional characteristics of dual frequency interferometric fiber laser acceleration sensor[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2016, 33(3):372-377. (in Chinese) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-LDXU201603019.htm
    [12] HILL D J, NASH P J, JACKSON D A, et al.. A fiber laser hydrophone array[J]. SPIE, 1999, 3860:55-66.
    [13] 廖延彪.光纤光学[M].北京:清华大学出版社, 2000:199-201.

    LIAO Y B. Optical fiber optics[M]. Beijing:Tsinghua University Press, 2000:199-201. (in Chinese)
    [14] 于洋, 孟州, 罗洪.对称推挽式光纤光栅振动传感器设计研究[J].半导体光电, 2011, 32(1):118-122. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BDTG201101028.htm

    YU Y, MENG ZH, LUO H. Study on fiber Bragg grating vibrating sensors with symmetry push-pull configuration[J]. Semiconductor Optoelectronics, 2011, 32(1):118-122. (in Chinese) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BDTG201101028.htm
    [15] 顾宏灿, 黄俊斌, 苑秉成, 等.基于干涉解调技术的光纤激光器水声传感系统[J].光电工程, 2008, 35(12):73-77. doi: 10.3969/j.issn.1003-501X.2008.12.016

    GU H C, HUANG J B, YUAN B CH, et al.. Fiber laser acoustic pressure sensing system based on interferometric demodulation technique[J]. Opto-Electronic Engineering, 2008, 35(12):73-77. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1003-501X.2008.12.016
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-03-06
  • 修回日期:  2017-04-10
  • 刊出日期:  2017-08-01

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