摘 要

对于传统电类振动传感器而言，随着传感技术的日趋完善，新兴的光纤布拉格光栅振动传感器有着许多优点：高灵敏度、抗干扰能力强、实际测量时占用空间小等。本文针对大型桥梁工程、楼房建设的安全监测、机械工程和铁道网络的运行情况监测等，设计了一种温度自补偿可调量程光纤光栅加速度传感器，实现对各项工程的振动监测。

第一步，进行模型设计和理论分析计算。通过往悬臂梁上下表面轴心处粘贴FBG来实现温度自补偿功能。因为中心波长受到温度影响而发生的波长变化量相同，可由此抵消周围环境温度影响对加速度的测量值。再由等强度悬臂梁的结构力学分析，将质量块设置于梁端，实现对振动加速度的测量，同时也达到了温度自补偿的效果。

第二步，量程范围和传感器的固有频率是传感器性能指标的重要因素，在设计FBG传感器各项尺寸参数时要将其考虑进去。同时需要考虑进去的还有传感器的加工工艺和技术要求。对设计进行实物加工，制作出FBG传感器实物，并对其在实际测量中的安装方法进行设计。

第三步，对FBG传感器实物进行实验分析和性能标定，对之前进行的理论分析及设计的灵敏度值进行验证，验证理论设计的合理性与实用性。最后对实验结果进行误差分析并提出相应的补偿措施。

理论分析说明，本文设计的温度自补偿可调量程光纤光栅加速度传感器实用效果良好，灵敏度高。不仅消除了温度带来的影响实现了温度自补偿功能，同时也具备可调量程功能适用于多种监测环境，具有良好的发展前景。

关键词：加速度传感器；等强度梁；温度自补偿；可调量程；光纤光栅（FBG）

Abstract

For the traditional electric vibration sensor, with the increasingly perfect sensor technology, emerging fiber Bragg grating vibration sensor has many advantages: high sensitivity, anti-interference ability, the actual measurement of small footprint and so on. In this paper, a temperature self-compensating adjustable fiber grating acceleration sensor is designed for the monitoring of large-scale bridge engineering, building construction safety monitoring, mechanical engineering and railway network operation, and the vibration monitoring of each project is realized.

Firstly, we carry out the model design and theoretical analysis and calculation. The temperature self-compensation function is achieved by pasting the FBG at the axis of the upper and lower surfaces of the cantilever beam. Since the central wavelength is affected by the temperature and the amount of change in wavelength is the same, which can be offset by the ambient temperature affect the acceleration of the measured value. And then by the structural analysis of the strength of the cantilever beam, the mass block is set at the beam end to realize the measurement of the vibration acceleration, but also the effect of temperature self-compensation.

Secondly, range and the natural frequency of the sensor is an important factor in the sensor performance indicators, in the design of FBG sensor size parameters to be taken into account. At the same time need to consider into the sensor processing technology and technical requirements. The FBG sensor is made in kind and the installation method in the actual measurement is designed.

Lastly, the experimental analysis and performance calibration of the FBG sensor are carried out. The theoretical analysis and the sensitivity value of the design are verified to verify the rationality and practicability of the theoretical design. Finally, the error analysis of the experimental results and the corresponding compensation measures.

The theoretical analysis shows that the temperature self - compensating adjustable fiber - optic grating acceleration sensor has good practical effect and high sensitivity. Not only eliminates the impact of temperature to achieve the temperature from the compensation function, but also has adjustable range function for a variety of monitoring environment, with good prospects for development.

Key Words：accelerometer, equal strength beam,temperature self-compensation,

adjustable range, FBG

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究背景和研究现状 1

1.1.1 课题的研究背景 1

1.1.2 课题的研究现状 1

1.2 本文的研究目的和意义 2

1.3 本文主要研究内容 2

第2章 FBG加速度传感器的工作原理 3

2.1 FBG加速度传感器的测量原理 3

2.1.1 FBG传感原理 3

2.1.2 FBG的应变及温度测量原理 4

2.2 FBG应变传感的温度补偿原理研究 5

2.3 FBG加速度传感器的加速度传感原理研究 7

2.4 本章小结 9

第3章 FBG加速度传感器的结构设计 10

3.1 FBG加速度传感器的等强度梁设计 10

3.2 FBG加速度传感器的质量块设计 11

3.3 FBG加速度传感器的弹性元件安装固定 13

3.4 FBG加速度传感器的外壳部分设计 14

3.5 FBG加速度传感器的整体装配 16

3.6 本章小结 18

第4章 FBG加速度传感器的性能标定 19

4.1 传感器的标定方法 19

4.2 实验仪器与设备 20

4.3 标定实验数据采集及结果分析 23

4.3.1 大量程FBG加速度传感器的振动标定实验 23

4.3.2 小量程FBG加速度传感器的振动标定实验 26

4.4 本章小结 29

第5章 误差分析及补偿 30

第6章 总结与展望 32

参考文献 33

致谢 35

附录 36

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景和研究现状

1.1.1 课题的研究背景

现实生活中，加速度的精确测量在工业生产、交通运输、安全监控等领域有着广泛的需要。在低频传感器中，磁电式振动传感器获得了大量应用^[1]。但磁电式振动传感器由于其自身的许多不足，越来越无法跟上时代的步伐。近年来，光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，以下简称FBG）在传感器领域得到了极大的发展，已经应用得越来越广泛，有取代传统振动加速度传感器的趋势^[2]。大量的研究与应用表明，FBG的高灵敏性和强适应性^[3]，以及易于实现分布测量的特点 ，为机械系统的多参数分布动态监测开辟了新的研究方向，为机械振动检测研究提供了新的思路^[4]。因此，具有良好性能的FBG加速度传感器^[5]对许多工业结构的低频加速度的安全监测具有重要意义^[6]。

1.1.2 课题的研究现状

光纤光栅FBG诞生于1978年的加拿大通信研究中心，经历了近40年的发展，已发展为较成熟的领域^[7]。迄今为止，国内外已有多名学者设计过各式各样的FBG传感器。20世纪末，Berkoff等人将高分子材料与铜块装配在一起，后把FBG埋入其中，得到了一种新型的FBG加速度传感器，但精度不高^[8]。后来Todd等人通过使用金属悬臂梁有效减少了传感器的横向灵敏度，但无法满足土木建筑结构的检测要求^[9]。2000年，Akira、Mita设计了一种独特理念的板簧式FBG传感器，提升了传感器的灵敏度，但仍然存在诸多缺陷需要改进 ^[10]。2006年，滕丽等人制作了差动结构的FBG加速度传感器^[11]，使得FBG传感器灵敏度进一步提升。在国内，王学伟等人通过对FBG特性研究提出了他们自己的研究成果，奠定了国内FBG加速度传感器领域的基石^[12]。在几年后又有人在他们的基础上研究了一种新型FBG加速度传感装置，使测量精度大幅上升^[13]。与此同时，FBG加速度传感器由于性能良好，也越来越受到人们的关注，并且推广到海洋开发、地震预警等其他领域^[14]。近几年来，加速度传感器的发展也渐渐由一维转为三维方向发展，用于空间力学的测量以满足各方面的要求 ^[15]。而今，内地许多研究所和大学已着手探索FBG传感领域，多方面的对FBG振动传感器的结构研究进行分析^[16]，对FBG振动传感器领域的发展贡献很大。

1.2 本文的研究目的和意义

本文的研究目的：设计一种温度自补偿可调量程FBG加速度传感器以完成对各项工程的安全监测。利用FBG粘贴等强度悬臂梁结构的方式实现对加速度的测量，同时采用双FBG粘贴悬臂梁正反表面进行温度补偿，消除对温度的影响。改变等强度梁末端的负载质量，调控FBG加速度传感器灵敏度，控制量程的大小。通过生产加工实物进行各项实验数据标定，验证设计制作的FBG加速度传感器的实用性与可行性。

课题的研究意义：FBG温度自补偿可调量程加速度传感器可实现各种条件下的加速度监测，具有较高的实用性。FBG加速度传感器普遍具有抗干扰能力强、不受电磁干扰、携带便捷以及维护费用低等特点。温度自补偿功能可消除环境温度带来的影响，使其不受环境温度约束；量程可调功能可适用于多种不同量程下的测量，使其适用于多种环境。FBG温度自补偿可调量程加速度传感器的设计可应用于大型桥梁工程和楼房建设的安全监测、机械工程和铁道网络的运行情况监测等，实现结构智能化，推动加速度传感器技术领域的发展。

1.3 本文主要研究内容

以力学原理与FBG传感技术的应用为基础，本文设计制作了具有温度自补偿与量程可调功能的等强度悬臂梁式结构的FBG加速度传感器。主要研究内容有：