光纖布拉格光柵低頻加速度傳感器技術研究.pdf

1、光纖布拉格光柵（FBG）加速度傳感器以其高靈敏度、高精度、高信噪比等優(yōu)點，在低頻振動測量領域占據著重要地位。本文主要對FBG低頻加速度傳感器的探頭結構設計和信號檢測兩大關鍵問題進行了深入研究，取得了以下研究結果：
　?。?）從FBG的傳感原理和加速度傳感器的模型出發(fā)，分析了FBG加速度傳感器的基本設計方法。設計了一種基于L形剛性梁與彈性膜片結構的單FBG加速度傳感器，進行了理論分析，通過仿真考察了各結構參量對傳感器靈敏度和諧振頻率

2、的影響，并進行了優(yōu)化設計。為了提高傳感器的抗干擾能力，設計了一種基于雙FBG對稱推挽式結構的加速度傳感器，并進行了傳感特性分析。
　?。?）針對單FBG結構的加速度傳感器，構建了基于非平衡Michelson干涉儀的相位產生載波（PGC）調制解調系統(tǒng)，研究了影響系統(tǒng)相干度的因素，通過控制干涉儀的臂差有效提高了系統(tǒng)輸出信號的質量，并采用PGC技術和法拉第旋鏡偏振控制技術分別消除了隨機相移和偏振衰落的干擾。針對雙FBG結構的加速度傳感器

3、，則構建了強度解調型的匹配光柵法解調系統(tǒng)，理論及仿真分析表明：強度型解調系統(tǒng)結構簡單，信號處理過程方便。并因為兩匹配FBG構成推挽且一起封裝于傳感器中，所以該系統(tǒng)具有自動補償噪聲引起的FBG波長漂移的功能。
　　（3）為了提高所設計的低頻振動傳感器的性能，研究了傳感用 FBG的制備方法。理論分析了影響FBG反射率和線寬的因素，研制了一套可控溫型光纖載氫系統(tǒng)，實現了光纖的快速光敏化，將載氫周期縮短至了24個小時，并通過提高光纖光敏性

4、寫入了柵區(qū)長度5mm、反射率高達99.93％而3dB帶寬僅為0.13nm的窄線寬微型光纖光柵，用于單FBG傳感系統(tǒng)。基于新的刻柵系統(tǒng)及特殊結構的遮光板，通過控制刻柵時不同區(qū)域的曝光時間與FBG的中心波長，制備了匹配效果良好、反射譜分布符合仿真分析中矩形函數的切趾型匹配光柵對。
　?。?）完成了兩種加速度傳感器的制作并分別進行了低頻信號傳感性能測試。實驗結果表明，單FBG加速度傳感器的諧振頻率為115Hz，在20 Hz-70 Hz的

5、低頻段具有平坦的靈敏度響應，平均加速度靈敏度為200 pm/g，與理論分析所得的靈敏度231.9 pm/g、諧振頻率99.3 Hz的結果比較符合。線性響應的相關度為99.98%，在工作頻段內橫向串擾為-32.73dB。雙FBG加速度傳感器則主要對20Hz以下的振動信號進行了測量，在2Hz-5Hz的頻段靈敏度仍可達188pm/g，線性響應相關度在99%以上。對1Hz與0.5Hz的甚低頻振動測量同樣得到了質量較好的輸出信號，證明了該FBG低