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Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 12511 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die Beschleunigungserkennung ist eine wichtige Technologie in den Bereichen seismische Überwachung, strukturelle Gesundheitsüberwachung und Ressourcenexploration. Ein FBG-Beschleunigungssensor mit der Kombination aus L-förmigem starrem Balken und einer auf Lagern basierenden Federstruktur wird vorgeschlagen, um der geringen Empfindlichkeit entgegenzuwirken, die bei der Messung niederfrequenter Vibrationen durch FBG-Beschleunigungssensoren vorherrscht, bei denen ein L-förmiger starrer Balken zur Verstärkung verwendet wird Vibrationssignal und wird durch die Lager an beiden Enden fixiert, um das Querübersprechen wirksam zu unterdrücken. Die Auswirkungen struktureller Parameter auf die Empfindlichkeit und Eigenfrequenz der Sensoren wurden mithilfe der Origin-Theorie analysiert und diese Parameter optimiert; Als nächstes wurde eine statische Spannungs- und Modalsimulationsanalyse mit COMSOL durchgeführt. Am Ende wurde ein Testsystem gebaut, um die Leistung der realen Sensoren zu testen. Den Ergebnissen zufolge weist der Beschleunigungssensor, dessen Eigenfrequenz 57 Hz beträgt, eine flache Empfindlichkeitsreaktion im Niederfrequenzbereich von 1–35 Hz auf, wobei der Dynamikbereich 89,83 dB beträgt und die Beschleunigungsempfindlichkeit bis zu 1241,85 pm/ beträgt. g, das Bestimmtheitsmaß R2 für die Empfindlichkeitsanpassung beträgt 0,9997 und das Quernebensprechen beträgt -26,20 dB innerhalb des Betriebsfrequenzbandes. Die Ergebnisse bieten eine Referenz für die Verbesserung der niederfrequenten Schwingungsmessfähigkeit von FBG-Beschleunigungssensoren.

Der auf der FBG-Sensortechnologie basierende Vibrationssensor zeichnet sich durch hohe Empfindlichkeit, geringen Übertragungsverlust, starke elektromagnetische Immunität usw. aus1,2. Durch das Multiplexen von FBG-Sensoren wie Beschleunigung, Temperatur, Verschiebung, Druck, pH-Wert, Luftfeuchtigkeit und Magnetfeld in derselben optischen Faser können die Notwendigkeit der Verwendung mehrerer Sensoren und schwerer Kabel in herkömmlichen elektrischen Sensoren sowie die Mängel einer schwachen Entstörung überwunden werden Fähigkeit3,4,5. Es spielt eine wichtige Rolle bei Vibrationsmessungen für die seismische Überwachung, die Überwachung des strukturellen Zustands, den Heimatschutz, die Luft- und Raumfahrt, die Ressourcenerkundung usw.6.

In den letzten Jahren wurden FBG-Beschleunigungssensoren von Forschern im In- und Ausland umfassend und intensiv untersucht, wobei der Schwerpunkt hauptsächlich auf dem strukturellen Design und der Auswahl elastischer Elemente von Beschleunigungssensoren lag7,8. Derzeit umfassen die elastischen Elemente des FBG-Beschleunigungssensors hauptsächlich Ausleger, Membran, Scharnier und Feder. Casas Ramos und Sandoval Romero9 schlugen einen neuen Cantilever-FBG-Vibrationssensor mit einer Eigenfrequenz von 227,3 Hz, einer Betriebsbandbreite von 10–210 Hz, einer Sensorauflösung von 0,006 g, einer Linearität und einem relativen Empfindlichkeitsfehler von 1,9 % bzw. ± 4,4 % vor. Li et al.10 schlugen einen Beschleunigungssensor vor, der auf der FBG-Erfassung mit Membranstruktur basiert und eine Echtzeit-Entkopplung und Messung von Temperatur und Beschleunigung realisieren kann. Im Bereich von 30–90 °C beträgt die Temperaturempfindlichkeit 8,66 pm/°C, die Beschleunigungsempfindlichkeit 20,19 pm/g und die Betriebsbandbreite 10–200 Hz. Yan und Liang11 schlugen einen neuen FBG-Beschleunigungsmesser vor, der auf parallelen doppelten flexiblen Scharnieren basiert und aus zwei parallel geschalteten rechtwinkligen flexiblen Scharnieren besteht, mit einem Messbereich von 30–200 Hz und einer Empfindlichkeit von 54 pm/g. Linessio et al.12 schlugen einen zweidimensionalen FBG-Beschleunigungsmesser vor, der auf omnidirektionalen flexiblen Scharnieren basiert, die Funktion der Temperaturkompensation hat und zur Messung der zweidimensionalen Beschleunigung verwendet wird. Diese Sensoren haben jedoch die Nachteile einer hohen Eigenfrequenz, einer geringen Empfindlichkeit usw., die es schwierig machen, niederfrequente Schwingungen in der technischen Praxis genau zu messen.

Bei der Entwicklung des FBG-Beschleunigungssensors ist der Leistungsindex des Sensors der Standard zur Messung der Qualität des Sensors. Mehrere dieser Indikatoren sind üblich und es müssen alle Arten von FBG-Sensoren verwendet werden, während andere Indikatoren kaum verwendet werden. Diese Indikatoren dienen hauptsächlich dazu, die Anforderungen spezieller FBG-Sensoren zu erfüllen. Zu den allgemeinen Indikatoren gehören hauptsächlich Empfindlichkeit, Betriebsbandbreite, Linearität und seitliche Entstörungsfähigkeit. Mit Blick auf die geringe Empfindlichkeit des FBG-Beschleunigungssensors bei der Messung niederfrequenter Vibrationen schlägt dieser Artikel einen FBG-Beschleunigungssensor mit der Kombination aus L-förmigem starrem Träger und einer auf Lagern basierenden Federstruktur vor, wodurch er für die Messung niederfrequenter Schwingungen geeignet ist Vibrationssignale wie Erdbeben und Staudämme. Mit der Software Origin und COMSOL wurden theoretische und Simulationsanalysen der Sensorstruktur durchgeführt, die realen Sensoren entwickelt und ein Testsystem zum Testen der Sensorleistung aufgebaut.

Der FBG-Beschleunigungssensor mit der Kombination aus L-förmigem starrem Träger und einer auf Lagern basierenden Federstruktur ist wie in Abb. 1 dargestellt modelliert. Er besteht hauptsächlich aus Gehäuse, Lagersitz (mit darin eingebauten Lagern), L-förmigem starrem Träger und Masse Block, Feder, Nivelliermutter, Amplitudenbegrenzungsstruktur usw. Die Lager wurden in den Lagersitz eingebaut und durch zwei Lagerabdeckungen vollständig fixiert. Der Masseblock und der L-förmige starre Balken wurden durch die Nivelliermutter horizontal gehalten. An den entsprechenden Positionen des kurzen L-förmigen starren Balkens, der Hülle und der amplitudenbegrenzenden Struktur wurden Schlitze mit einem Durchmesser von 1 mm gebildet, durch die zwei optische Fasern hindurchgingen und nach der Vorspannung fixiert wurden, um FBG-Chirp zu vermeiden, das durch die Anhaftung in der Gitterzone verursacht wird . Die Endfläche des L-förmigen Trägers wurde rechteckig gestaltet, wobei die Breite viel größer als die Dicke war, und wurde durch die Lager an beiden Enden befestigt, wodurch die Auswirkungen von Querübersprechen durch eine Verbesserung der Biegesteifigkeit verringert werden können. Die amplitudenbegrenzende Struktur kann die Schwingungsamplitude des Massenblocks begrenzen, um FBG effektiv vor Bruch zu schützen. Durch die Verwendung einer rotierenden Welle kann die Sensorstruktur stabiler gehalten und die Auswirkungen geometrischer Nichtlinearität eliminiert werden.

Strukturmodellierung des Sensors.

Wenn externe Vibrationen auftreten, bewegt sich der Sensor als Ganzes mit dem Vibrationssignal13, und seine Beschleunigung erzeugt eine entgegengesetzte Trägheitskraft auf den Massenblock, der dann mit der Trägheitskraft auf und ab vibriert, um den L-förmigen Balken in Drehung zu versetzen das Lager und wandeln die Vibration des Massenblocks in eine gleichmäßige Gitterspannung um, wodurch die Mittenwellenlänge des reflektierten Lichts beeinflusst wird. Die Drift der Zentrumswellenlänge des reflektierten Lichts ist proportional zur linearen Verschiebung des Massenblocks und auch proportional zur Beschleunigung. Daher kann die Beschleunigung durch Messung der Drift der Zentrumswellenlänge des reflektierten Lichts ermittelt werden, um so die Erfassung externer Vibrationen zu realisieren. Da außerdem jeweils zwei FBGs an beiden Seiten des L-förmigen starren Balkens angebracht sind, werden die beiden optischen Fasern in entgegengesetzte Richtungen verformt, wenn der Sensor vibriert, d Die Richtung ist entgegengesetzt und die Wirkung der Temperatur auf die beiden Fasern ist gleich. Durch die Differenzierung der beiden können die Effekte einer Temperaturkompensation und einer Erhöhung der Empfindlichkeit erzielt werden.

Bei der herkömmlichen Auslegerstruktur bewirkt das Vibrationssignal, dass sich der Masseblock auf und ab bewegt, und der Auslegerbalken ist horizontal angeordnet, was der Vibrationsrichtung des Masseblocks entgegengesetzt ist, sodass die axiale Belastung des Auslegerbalkens gleich ist signifikant reduziert. In diesem Artikel wird die Feder als Ersatz für die freitragende Balkenstruktur verwendet. Die Verschiebung der Feder steht im Einklang mit der Verschiebung des Masseblocks, wodurch die Dehnungsinformationen besser übertragen und die Empfindlichkeit des Sensors erhöht werden können. Gleichzeitig wird die L-förmige starre Balkenstruktur verwendet, um die Verschiebung am FBG durch Nutzung des Dreiecksähnlichkeitsprinzips zu verstärken. , was die Empfindlichkeit des Sensors weiter erhöhen kann.

Das Strukturschwingungsmodell des Sensors ist in Abb. 2 dargestellt. Wenn die Beschleunigung \(a\) des Schwingungsanregungssignals auf die empfindliche Richtung des Sensors wirkt, vibriert der Massenblock aufgrund der Trägheitskraft leicht um das Lager.

Strukturschwingungsmodell.

Wenn die Beschleunigung \(a\) auf den Sensor ausgeübt wird, kann die Verschiebung \(\Delta x_{2}\) des Massenblocks relativ zur Schale ausgedrückt werden als

Dabei ist \(w_{0}\) die natürliche Winkelfrequenz des Systems, \(m\) die Masse des Massenblocks, \(K\) der Gesamtelastizitätskoeffizient (N/m) des zusammengesetzten Systems aus Lichtleiter und Feder.

Wenn sich eine der beiden optischen Fasern für \(\Delta x_{1}\) ausdehnt und die andere für \(\Delta x_{1}\) komprimiert, ist die resultierende Kraft der optischen Fasern wie folgt

wobei \(k_{1}\) der Elastizitätskoeffizient der optischen Faser ist. Unter der Annahme, dass der Elastizitätsmodul der optischen Faser \(E_{f}\), die Querschnittsfläche \(A_{f}\) und die effektive Länge der optischen Faser \(l\) beträgt, dann ist \( k_{1} = \frac{{E_{f} A_{f} }}{l}\).

Angenommen, der Abstand vom Mittelpunkt der optischen Faser zum Mittelpunkt der rotierenden Welle beträgt \(L_{1}\), der Abstand vom Mittelpunkt des Massenblocks zum Mittelpunkt des Lagers beträgt \(L_{2}\) und Die von der optischen Faser auf den Massenblock übertragene Kraft beträgt \(N\). Durch Momentenausgleich kann Folgendes ermittelt werden

Die Kraftsummierungsanalyse des Massenblocks zeigt, dass die durch die Verformung der Feder erzeugte elastische Kraft \(F_{2}\) und die Verformungsgröße \(\Delta x_{2}\) ist, also die Resultierende Kraft ist \(F = F_{2} + N\). Folgendes kann erhalten werden

wobei \(k_{2}\) der Elastizitätskoeffizient der Feder ist. Angenommen, der Schermodul der Feder sei \(G\), der Außendurchmesser sei \(D\), der Drahtdurchmesser sei \(d\) und die effektive Windungszahl der Feder sei \(N_{c }\), dann ist \(k_{2} = \frac{{G \times d^{4} }}{{8N_{c} \times (D - d)^{3} }}\). Folgendes kann auf ähnliche Weise erhalten werden: \(\frac{{L_{1} }}{{L_{2} }} = \frac{{\Delta x_{1} }}{{\Delta x_{2} }} \)

Dann beträgt die Dehnung \(\varepsilon\) der optischen Faser

Schließlich wird die Empfindlichkeit des FBG-Beschleunigungssensors als \(S\) erhalten.

wobei \(\lambda_{B}\) die Mittenwellenlänge des Gitters und \(P_{e}\) der effektive Elastizitätsmodul der optischen Faser ist.

Die Eigenfrequenz \(f\) des FBG-Beschleunigungssensors beträgt

Beim Entwurf von FBG-Beschleunigungssensoren sind einige anfängliche Spezifikationen für größenbezogene Parameter erforderlich. Die übrigen Parameter werden optimiert, um die Empfindlichkeit zu maximieren. Da die charakteristische Frequenz der meisten zivilen Infrastrukturen zwischen 0 und 20 Hz liegt und die regionalen und lokalen Erdbebenfrequenzen bei natürlichen Erdbeben im Allgemeinen 30 Hz nicht überschreiten, sollte der entworfene Beschleunigungssensor eine natürliche Frequenz aufweisen, die über diesem Wert liegt, jedoch niedrig genug sein sollte um die Empfindlichkeit zu maximieren und Rauschen zu minimieren, und sollte einen flachen Empfindlichkeitsbereich von 0–30 Hz haben.

Es ist aus den Gleichungen ersichtlich. (7) und (8) dass die Empfindlichkeit und die Eigenfrequenz des Sensors direkt von der Masse \(m\) des Massenblocks und dem Verhältnis \(L_{1} /L_{2}\) des kurzen Strahls beeinflusst werden zum langen Balken eines L-förmigen starren Balkens, dem Federelastizitätskoeffizienten \(k_{2}\) und der effektiven Länge \(l\) der optischen Faser. Die Gitterzonenlänge von FBG beträgt im Allgemeinen 10 mm und die effektive Länge der für diese Struktur ausgewählten optischen Faser beträgt 15 mm. Mithilfe der Origin-Software wurden die Auswirkungen der Masse \(m\) des Massenblocks, des Verhältnisses \(L_{1}/L_{2}\) des kurzen Balkens zum langen Balken des L-förmigen starren Balkens und des Federkoeffizienten analysiert der Elastizität \(k_{2}\) von Empfindlichkeit und Eigenfrequenz des Sensors. Der L-förmige starre Balken und der Masseblock im Sensor bestanden aus einer Messinglegierung mit guter Steifigkeit und hoher Dichte, und die Feder bestand aus Federstahl mit guter Elastizität. Die Materialparameter des FBG-Beschleunigungssensors sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Abbildung 3 beschreibt die Auswirkung der Masse \(m\) auf die Empfindlichkeit und Eigenfrequenz des Sensors durch Änderung des Koeffizienten von 10 auf 80 g.

Wirkung von \(m\) auf \(S\) und \(f\).

Wie in Abb. 3 dargestellt, hatten Masseblöcke mit unterschiedlichen Massen einen großen Einfluss auf die Empfindlichkeit und Eigenfrequenz des Sensors. Je größer die Masse war, desto höher war die Empfindlichkeit und desto niedriger war die Eigenfrequenz des Sensors. Bei \(m\) = 10 g erreichte die Eigenfrequenz des Sensors etwa 120 Hz und die Empfindlichkeit betrug nur 220 pm/g; Bei \(m\) = 80 g verringerte sich die Eigenfrequenz des Sensors auf etwa 42 Hz und die Empfindlichkeit stieg auf 2000 pm/g. Um den Anforderungen der Niederfrequenzmessung gerecht zu werden, wurde die Masse des Masseblocks mit 40 g gewählt, wobei die Eigenfrequenz des Sensors bei etwa 60 Hz lag und die Empfindlichkeit über 1000 pm/g lag.

Abbildung 4 beschreibt die Auswirkung des Verhältnisses \(L_{1} /L_{2}\) auf die Empfindlichkeit und Eigenfrequenz des Sensors durch Änderung des Koeffizienten von 0 auf 1,5.

Wirkung von \(L_{1} /L_{2}\) auf \(S\) und \(f\).

Wie in Abb. 4 dargestellt, nahm mit der Erhöhung von \(L_{1}/L_{2}\) die Eigenfrequenz des Sensors kontinuierlich zu und die Empfindlichkeit nahm zunächst zu und dann ab. Als das Verhältnis 0,1 erreichte, betrug die Eigenfrequenz weniger als 40 Hz und die Empfindlichkeit stieg auf 1380 pm/g; als das Verhältnis 0,2 erreichte, erreichte die Eigenfrequenz etwa 60 Hz und die Empfindlichkeit lag bei etwa 1100 pm/g; als das Verhältnis 0,4 erreichte, stieg die Eigenfrequenz auf über 100 Hz und die Empfindlichkeit sank auf nur noch 250 pm/g; Wenn das Verhältnis größer als 0,4 wäre, wären die Designanforderungen dieses Dokuments nicht erfüllt. Um den Anforderungen der Niederfrequenzmessung gerecht zu werden, wurde \(L_{1} /L_{2}\) mit 0,2 gewählt.

Der Federelastizitätskoeffizient \(k_{2}\) wurde von 500 N/m auf 2000 N/m geändert und jeweils andere Parameter in die theoretische Ableitungsformel eingesetzt, um die Wirkung von \(k_{2}\) zu erhalten die Empfindlichkeit und Eigenfrequenz des Sensors, wie in Abb. 5 dargestellt.

Wirkung von \(k_{2}\) auf \(S\) und \(f\).

Abbildung 5 beschreibt die Auswirkung des Federelastizitätskoeffizienten \(k_{2}\) auf die Empfindlichkeit und Eigenfrequenz des Sensors durch Änderung des Koeffizienten von 500 N/m auf 2000 N/m.

Wie in Abb. 5 dargestellt, hatte der Federelastizitätskoeffizient \(k_{2}\) einen erheblichen Einfluss auf die Empfindlichkeit des Sensors, jedoch kaum einen Einfluss auf die Eigenfrequenz. Als sich \(k_{2}\) von 500 N/m auf 2000 N/m änderte, verringerte sich die Empfindlichkeit von 1100 pm/g auf 860 pm/g. Daher wurde als elastisches Element eine Feder mit einem Elastizitätskoeffizienten von etwa 1000 N/m ausgewählt, wobei die Eigenfrequenz des Sensors bei etwa 60 Hz lag und die Empfindlichkeit über 1000 pm/g lag.

Entsprechend den technischen Anwendungsanforderungen der Niederfrequenzmessung sollte sichergestellt werden, dass die Eigenfrequenz höher als 50 Hz ist und die Empfindlichkeit unter Berücksichtigung der Größe und des Gewichts des Sensors etwa 1000 pm/g beträgt. Basierend auf der Analyse der Strukturparameter sind die realisierten Strukturparameter des Sensors in Tabelle 2 dargestellt. Der Sensor wurde mit Solidworks modelliert und die Ergebnisse wurden in die COMSOL-Software zur statischen Spannungs- und Modalsimulationsanalyse der Sensorstruktur importiert.

Auf das untere Ende des Sensors wurde eine feste Beschränkung angewendet, und auf das Ganze wurde eine Beschleunigung von 2 g ausgeübt, um das äquivalente Verschiebungsdiagramm des Modells zu erhalten, wie in Abb. 6 dargestellt. Es konnte festgestellt werden, dass die Verschiebung eine Verformung ist am freien Ende war der größte, der vom freien Ende zum tragenden Ende allmählich abnahm, die maximale Verschiebung des Massenblocks betrug 0,108 mm, die Verschiebung des starren Balkens an der amplitudenbegrenzenden Position betrug 0,033 mm und die Verschiebung von L Der Durchmesser des starren Strahls an der Stelle, an der die optische Faser angebracht war, betrug 0,014 mm. Daher kann die Sensorstruktur auf die Verschiebung und Belastung am freien Ende reagieren und die Verformung hat keinen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften der optischen Faser, was die Stabilität des Sensors gewährleisten kann.

Statische Spannungsanalyse der Struktur.

Das Modell wurde in das Modalanalysemodul eingefügt und als Ganzes vernetzt. Die ersten Moden vierter Ordnung des Modells wurden analysiert und die Frequenzen der identifizierten Moden erster, zweiter, dritter und vierter Ordnung betrugen 60,71 Hz, 457,53 Hz, 694,01 Hz bzw. 930,66 Hz. Das heißt, die Eigenfrequenz der Struktur betrug 60,71 Hz, wodurch das Ziel erreicht wird, dass die Eigenfrequenz des Sensors nach der Optimierung der Strukturparameter etwa 60 Hz beträgt. Und der Unterschied zwischen der Frequenz der Mode erster Ordnung und den Frequenzen der Moden zweiter, dritter und vierter Ordnung war groß, was darauf hindeutet, dass die Kreuzkopplung gering war und die Kreuzinterferenz effektiv reduziert wurde. Erste und zweite Ordnung sind in Abb. 7 dargestellt.

Modale Strukturanalyse.

Basierend auf den Ergebnissen der theoretischen und Simulationsanalyse ist der entwickelte FBG-Beschleunigungssensor in Abb. 8 dargestellt. Vor dem Test wurden optische Fasern mit der Zweipunkt-Befestigungstechnik befestigt, um ein durch die Befestigung in der Gitterzone verursachtes Chirp zu vermeiden. Zunächst wurde ein Ende der optischen Faser in den Schlitz des kurzen Balkens des L-förmigen starren Balkens gelegt, mit UV-Kleber verklebt und nach 40-sekündiger Bestrahlung mit einer UV-Lampe fixiert. Das Ende der Lichtleitfaser wurde mit einem Gewicht von 20 g vorgespannt und anschließend mit UV-Kleber und UV-Lampe fixiert. Der zweite Lichtwellenleiter wurde auf die gleiche Weise wie der erste befestigt.

Physikalischer Prototyp des FBG-Beschleunigungssensors.

Das experimentelle Vibrationssystem besteht aus einem FBG-Beschleunigungssensor, einem Vibrationstisch, einem Signalgenerator, einem Signalverstärker, einem Fasergitterdemodulator (eingebaute Lichtquelle) und einem Computer, wie in Abb. 9 dargestellt. Das Vibrationstischsystem umfasst einen MWY-JZQ50-Kalibrierungstisch , mit einer maximalen Amplitude von 12,5 mm und einer maximalen Beschleunigung von 45,5 g; Signalfunktionsgenerator mit einer Abtastrate von 1 GSa/a, der über 14 Quasi-Wellenformfunktionen und zahlreiche Standardkonfigurationsschnittstellen verfügt; und Signalverstärker (MWY-TZQ50), dessen Frequenzgangbereich 1–15.000 Hz beträgt und dessen Signal-Rausch-Verhältnis größer als 75 dB ist, abgestimmt auf einen Signalfunktionsgenerator zur Verstärkung von Funktionssignalen. Der im Experiment verwendete Fasergitterdemodulator (MWY-FBG-CS800) kann Wellenlängen im Bereich von 1528–1568 nm mit einer maximalen Abtastrate von 1 kHz und einer Auflösung von 0,1 μm demodulieren. Der Zirkulator, der als Verbindungsteil dient, überträgt die Lichtwelle der Breitbandlichtquelle an den Beschleunigungssensor. Nach dem Durchlaufen des FBG wird das Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich zurückreflektiert und dann über den Zirkulator zum Demodulator übertragen, um die durch die Wellenlängenänderung der Lichtwelle übertragenen Informationen zu demodulieren.

Testsystem des Sensors.

Das Versuchsgerät für den Temperaturreaktionstest besteht aus einem FBG-Beschleunigungssensor, einer Temperaturkontrollbox, einem Fasergitter-Demodulator und einem Computer. Als einzige Variable im Experiment wurde die Umgebungstemperatur festgelegt; Der FBG-Beschleunigungssensor wurde in die Temperaturkontrollbox eingebaut, wodurch sichergestellt werden konnte, dass andere Umgebungsparameter unverändert blieben, um den Zweck der Steuerung von Variablen effektiv zu erreichen. Stellen Sie den anfänglichen Temperaturänderungspunkt der Temperaturkontrollbox auf -20 °C, den Endpunkt auf 60 °C und die Schrittgröße auf 10 °C ein. Als die Temperatur jedes Knotens das Gleichgewicht erreichte, wurde sie 2 Minuten lang gehalten, dann wurde die Variation der FBG-Mittelwellenlänge gemessen, die Daten aufgezeichnet und analysiert und schließlich die Daten normalisiert, wie in Abb. 10 dargestellt.

Einfluss der Temperatur auf die Mittenwellenlänge.

Wie in Abb. 10 dargestellt, würde die Temperaturänderung die Messgenauigkeit und Genauigkeit des FBG-Beschleunigungssensors erheblich beeinträchtigen. Der Effekt einer Temperaturänderung auf ein einzelnes FBG betrug 16,32 pm/°C, und wenn sich die gemessene Umgebungstemperatur auf bis zu 60 °C änderte, erreichte der Effekt auf die mittlere Wellenlänge des FBG 800 pm, daher ist es sehr wichtig, den Effekt zu eliminieren der Temperatur in der Schwingungsüberwachung. Der Einfluss der Temperatur auf den Doppel-FBG-Beschleunigungssensor betrug jedoch 0,11 pm/°C, was darauf hindeutet, dass die Doppelfaserstruktur den Einfluss der gemessenen Umgebungstemperatur auf den FBG-Beschleunigungssensor erheblich verbessern und die Funktion von realisieren kann Selbstkompensation der Änderung der Umgebungstemperatur.

Um die Reaktionseigenschaften des Sensors zu testen, wurde die Ausgangsbeschleunigungsamplitude des Vibrationstisches auf 3 m/s2 eingestellt und die Vibrationsfrequenzen betrugen 10 Hz bzw. 20 Hz. Die vom FBG-Beschleunigungssensor gemessenen Zeitbereichssignale und die entsprechenden Frequenzbereichssignale sind in Abb. 11 dargestellt.

Ausgangsreaktionskurve des Sensors.

Wie in Abb. 11 dargestellt, war das gemessene Signal von guter Qualität und der Sensor konnte problemlos eine sinusförmige Anregung von außen erhalten. Die intakte Sinuswelle zeigte, dass FBG unter gleichmäßiger Belastung stand, ohne Chirp und Multi-Peaks. Die Amplituden der Zeitbereichskurven, die an zwei unterschiedlichen Frequenzpunkten unter demselben Beschleunigungseingang gemessen wurden, waren ähnlich, was beweist, dass der Sensor im Betriebsfrequenzband eine flache Reaktion aufweist.

Die Beschleunigung des Rütteltisches wurde auf 3 m/s2 eingestellt, eine Anregung von 1–90 Hz wurde durch einen Signalgenerator erzeugt, die Ausgangsfrequenz des Rütteltisches wurde in Schritten von 5 Hz geändert, die bei Annäherung an den natürlichen Wert auf 2 Hz abgesenkt wurden Die Frequenz des Sensors und die Variationen der Mittenwellenlängen von FBG1 und FBG2 wurden aufgezeichnet. Die Amplituden-Frequenz-Antwortkurve des Beschleunigungssensors wurde durch Berechnung ermittelt, wie in Abb. 12 dargestellt.

Amplituden-Frequenz-Eigenschaften des Sensors.

Wie in Abb. 12 dargestellt, hatte der Sensor eine gute flache Zone bei 1–35 Hz, und 1 Hz war die minimale Vibrationsfrequenz, die vom Signalgenerator erzeugt werden kann. Die Eigenfrequenz des Sensors betrug 57 Hz, was nahe am theoretischen Wert von 60,71 Hz in der Simulationsanalyse liegt. Der Fehler könnte auf die Verluste des Sensors während der Verarbeitung und die beim Anbringen der optischen Faser ausgeübte Vorspannung zurückzuführen sein.

Der Dynamikbereich ist einer der wichtigen Parameter des Sensors. Für den FBG-Beschleunigungssensor kann der Dynamikbereich als logarithmisches Verhältnis der maximalen Drift \(\lambda_{\max }\) der FBG-Mittelwellenlänge zur Auflösung \(\lambda_{\min }\) des Demodulationssystems ausgedrückt werden. und sein relationaler Ausdruck ist wie folgt

Im Test betrug die maximale Drift der FBG-Mittelwellenlänge 3100 µm und die Auflösung des im Testsystem verwendeten Fasergitterdemodulators betrug 0,1 µm. Der Dynamikbereich des FBG-Beschleunigungssensors wurde mit 89,83 dB berechnet.

Die Empfindlichkeit des Sensors bestimmt die Fähigkeit des FBG-Beschleunigungssensors, schwache Vibrationssignale zu erfassen. Die Empfindlichkeit des FBG-Beschleunigungssensors ist das Verhältnis der Variation der FBG-Ausgangswellenlänge zur Eingangsbeschleunigung bei einer bestimmten Betriebsfrequenz. Beim Test der Empfindlichkeit des FBG-Beschleunigungssensors muss nicht nur das Verhältnis der Variation der FBG-Ausgangswellenlänge zur Eingangsbeschleunigung bestimmt werden, sondern auch die Linearität des Verhältnisses der Variation der FBG-Ausgangswellenlänge zur Eingangsbeschleunigung. Je besser die lineare Reaktion ist, desto stabiler ist das Betriebsverhalten des Sensors. Um die Empfindlichkeit des Sensors zu bestimmen, stellen Sie die Ausgangsfrequenzen des Rütteltisches auf 10 Hz, 20 Hz bzw. 30 Hz ein und ändern Sie die Beschleunigung in Schritten von 1 m/s2 mit einem Variationsbereich von 1–5 m/s2 und zeichnete die Variationen der Zentralwellenlängen von FBG1 und FBG2 bei zwei verschiedenen Frequenzen auf. Die eingezeichnete lineare Anpassungslinie ist in Abb. 13 dargestellt.

Lineare Anpassungskurve des Sensors.

Laut der Analyse der gesammelten Daten betrug die Einzelfaserempfindlichkeit des Beschleunigungssensors bei einer Eingangsfrequenz von 10 Hz, 20 Hz und 30 Hz jeweils 617,5 pm/g, 642,9 pm/g und 659,4 pm/g, also das Doppelte -Faserempfindlichkeit betrug 1199,75 pm/g, 1250,9 pm/g bzw. 1274,9 pm/g, wodurch das Ziel einer Sensorempfindlichkeit über 1000 pm/g nach Optimierung der Strukturparameter erreicht wird. Und der Anpassungskoeffizient R2 der Doppelfaser bei 10 Hz, 20 Hz und 30 Hz betrug 0,9995, 0,9999 bzw. 0,9997. Die Ergebnisse zeigen, dass zwischen der Mittenwellenlängendrift des FBG-Beschleunigungssensors und der Eingangsbeschleunigungsamplitude eine gute lineare Beziehung besteht und eine Doppelfaser die Empfindlichkeit erhöhen kann. Die minimal erfassbare Beschleunigung des Sensors betrug im Test 0,05 m/s2.

Impuls ist ein transienter Prozess mit hoher Beschleunigungsamplitude und enthält mehr Schwingungsfrequenzinformationen, und die Impulsantwort hängt hauptsächlich von den strukturellen Eigenschaften des gemessenen Objekts ab. Daher wurde ein Impulsantwortexperiment durchgeführt, um die Eigenfrequenz des Sensors zu überprüfen. Im Experiment wird die Methode des augenblicklichen Schlagens auf den Rütteltisch genutzt, um die Erzeugung eines Stoßsignals zu simulieren. Die Ausgabe des Sensors ist in Abb. 14 dargestellt. Abbildung 14a zeigt die Zeitbereichskurve der Impulsantwort und Abb. 14b zeigt die Frequenzbereichsantwort nach der FFT des Zeitbereichssignals.

Impulsantwortkurve.

Aus der Zeitbereichsausgabe des Sensors ist ersichtlich, dass die Mittenwellenlänge des FBG vor der Erzeugung des Stoßsignals keine Drift aufweist und stabil bleibt. Das Schocksignal wurde bei 0,2 s erzeugt, die maximale Drift der Mittenwellenlänge betrug 640 pm und schwächte sich dann allmählich ab. Bei 0,7 s kehrte die Mittenwellenlängendrift auf Null zurück und blieb stabil. Aus der Frequenzbereichsausgabe des Sensors ist ersichtlich, dass die Spitze der Impulsantwortamplitude bei 57 Hz liegt und es keine anderen offensichtlichen Spitzen in der Frequenzbereichsausgabe gibt. Von der Seite zeigt es an, dass die Eigenfrequenz des Sensors etwa 57 Hz beträgt, was mit den Ergebnissen des Amplituden- und Frequenzgangtests übereinstimmt und die Richtigkeit der experimentellen Ergebnisse weiter bestätigt.

Das Vibrationssignal ist eine Art Vektorsignal mit Richtungsabhängigkeit. Daher muss bei einem FBG-Beschleunigungssensor mit einem Freiheitsgrad die Immunität gegen Querstörungen berücksichtigt werden. Das transversale Übersprechen des Sensors ist das logarithmische Verhältnis der FBG-Mittenwellenlängendrift, wenn das Beschleunigungsanregungssignal in der Querrichtung wirkt, und der FBG-Mittenwellenlängendrift, wenn das Beschleunigungsanregungssignal mit derselben Frequenz in der Hauptrichtung wirkt.

Der Sensor wurde auf dem Rütteltisch befestigt und ein sinusförmiges Anregungssignal mit einer Frequenz von 20 Hz und einer Beschleunigung von 5 m/s2 eingestellt. In derselben Vibrationsumgebung wurden die Drifts der FBG-Mittelwellenlänge unter Quervibration und Längsvibration des Sensors aufgezeichnet, wie in Abb. 15 dargestellt. Den Ergebnissen zufolge betrugen die Längs- und Querreaktion des Sensors 616,95 pm und 30,2 Daher wurde das transversale Übersprechen mit -26,20 dB berechnet, was darauf hinweist, dass der Sensor unter Vibrationsbedingungen als Schwingung mit einem Freiheitsgrad betrachtet werden kann und eine starke Immunität gegen transversale Störungen aufweist.

Prüfung der Querstörfestigkeit.

Durch die obigen Experimente wird die Leistung der in diesem Artikel vorgeschlagenen L-förmigen starren Balkenstruktur getestet, und ihr Leistungsvergleich mit dem in der Einleitung vorgestellten Sensor ist in Tabelle 3 dargestellt.

Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, dass der in diesem Artikel vorgeschlagene L-förmige FBG-Beschleunigungssensor mit starrem Balken eine niedrigere Eigenfrequenz aufweist, wodurch er niederfrequente Vibrationssignale unter 30 Hz wie Erdbeben und Staudämme messen kann. Im Vergleich zu anderen Strukturen nutzt die Struktur das „Lager-Feder“-System und der L-förmige starre Balken verstärkt die Verschiebung am FBG, was die Empfindlichkeit des Sensors weiter erhöhen kann.

Ein FBG-Beschleunigungssensor mit der Kombination aus L-förmigem starrem Balken und einer auf Lagern basierenden Federstruktur wird vorgeschlagen, um der geringen Empfindlichkeit entgegenzuwirken, die bei der Messung niederfrequenter Vibrationen durch FBG-Beschleunigungssensoren vorherrscht, bei denen ein L-förmiger starrer Balken zur Verstärkung verwendet wird Vibrationssignal und wird durch die Lager an beiden Enden fixiert, um den Effekt des transversalen Übersprechens effektiv zu unterdrücken, und die Amplitudenbegrenzungsstruktur kann die Vibrationsamplitude des Massenblocks begrenzen, um FBG effektiv vor Bruch zu schützen. Den Ergebnissen zufolge verfügt der Beschleunigungssensor über eine Eigenfrequenz von 57 Hz und eine Beschleunigungsempfindlichkeit von bis zu 1241,85 pm/g, was der theoretischen Analyse nahe kommt. Die Fehler können auf Verarbeitungs- und Installationsfehler des Sensors, Klebstoffmenge, FBG-Vorspannung, Reibung bei der Drehung des Lagers, Genauigkeit der experimentellen Vibrationsausrüstung usw. zurückzuführen sein. Der Beschleunigungssensor weist bei niedrigen Frequenzen eine flache Empfindlichkeitsreaktion auf Bereich von 1–35 Hz, wobei der Dynamikbereich 89,83 dB beträgt, das Bestimmtheitsmaß R2 für die Empfindlichkeitsanpassung 0,9997 beträgt und das Quernebensprechen innerhalb des Betriebsfrequenzbands -26,20 dB beträgt, wodurch Echtzeit- und Hochfrequenzsignale realisiert werden können -Präzisionsmessung des niederfrequenten schwachen Vibrationssignals.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

Goto, H. et al. Extreme Beschleunigungen bei Erdbeben durch elastische Schlagwirkung. Wissenschaft. Rep. 9(1), 1117–1125 (2019).

Artikel ADS Google Scholar

Guo, Y. et al. Sensorbasierte Überwachungsstrategie für Faser-Bragg-Gitter zur Hangverformung im Zentrifugalmodelltest. Sens. Rev. 39(1), 71–77 (2019).

Artikel Google Scholar

Catalano, A. et al. Ein Einbrucherkennungssystem zum Schutz von Eisenbahnanlagen mithilfe von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren. Sensoren 14(10), 18268–18285 (2014).

Artikel ADS Google Scholar

Guru Prasad, AS et al. Design und Entwicklung einer Faser-Bragg-Gitter-Sensorplatte zur Messung der Plantarbelastung und Haltungsstabilitätsanalyse. Messung 47(1), 789–793 (2014).

Artikel ADS Google Scholar

Saha, S. & Biswas, K. Eine vergleichende Studie zu Neigungssensoren auf der Basis von Faser-Bragg-Gittern. Rev. Comput. Ing. Zucht. 4(1), 41–46 (2017).

Google Scholar

Yutang, D. et al. Mittel-Hochfrequenz-FBG-Beschleunigungsmesser mit integrativer Matrixstruktur. Appl. Opt. 54(11), 3115–3121 (2015).

Artikel Google Scholar

Majumder, M. et al. Faser-Bragg-Gitter in der strukturellen Gesundheitsüberwachung – Aktueller Status und Anwendungen. Sens. Actuators A 147(1), 150–164 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Khan, MM et al. Modifizierter freitragender, balkenförmiger FBG-basierter Beschleunigungsmesser mit Selbsttemperaturkompensation. Sens. Actuators, A 205(6), 79–85 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Casas Ramos, MA & Sandoval Romero, GE Faseroptischer mechanischer Vibrationssensor. Vibroeng. Procedia 12, 84–87 (2017).

Artikel Google Scholar

Li, T. et al. Membranbasierter Faser-Bragg-Gitter-Beschleunigungssensor mit Temperaturkompensation. Sensoren 17(1), 218–229 (2014).

ADS Google Scholar

Yan, B. & Liang, L. Ein neuartiger Faser-Bragg-Gitter-Beschleunigungsmesser basierend auf parallelen doppelten flexiblen Scharnieren. IEEE Sens. J. 20(9), 4713–4718 (2020).

Artikel ADS Google Scholar

Linessio, RP et al. Vibrationsüberwachung von Induktionsmotoren mithilfe eines biaxialen optischen Faserbeschleunigungsmessers. IEEE Sens. J. 16(22), 8075–8082 (2016).

Artikel ADS Google Scholar

Parida, OP, Thomas, J. & Asokan, S. Double-L-Cantilever-basierter Faser-Bragg-Gitter-Beschleunigungsmesser. IEEE Sens. J. 19(2), 11247–11254 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

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Diese Studie wurde finanziell vom National Key Research and Development Program Project (Grant NO 2019YFC1509500) und dem Graduate Science and Technology Innovation Fund-Projekt „Basic Scientific Research Business Fees for Central Universitys“ (Grant NO ZY20210304) unterstützt.

Institut für Geophysik, China Earthquake Administration, Peking, 100081, China

Yuntian Teng, Yixiang Tang, Xiaomei Wang, Caihua Li und Zhongchao Qiu

Hebei Key Laboratory of Seismic Disaster Instrument and Monitoring Technology, Sanhe, 065201, China

Yuntian Teng, Yewei Wang, Yixiang Tang, Xiaomei Wang, Caihua Li und Zhongchao Qiu

Institut für Katastrophenvorsorge, Sanhe, 065201, China

Yewei Wang & Zhongchao Qiu

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Die Beiträge jedes Autors lauten wie folgt: YT: Verfasser des Manuskripts und Durchführung der Analysen. YW und YT: Entwerfen Sie die Sensorstruktur, sind Sie für das Sensorexperiment verantwortlich und schreiben Sie das Manuskript. XW: Bearbeitung von Sensorteilen, Analyse experimenteller Ergebnisse und Betreuung beim Verfassen von Manuskripten und Analysen. CL: Betreuung des Manuskriptschreibens und der Analysen. ZQ: Supervision beim Schreiben und Analysieren von Manuskripten.

Korrespondenz mit Yixiang Tang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Teng, Y., Wang, Y., Tang, Y. et al. Ein neuer L-förmiger FBG-Beschleunigungssensor mit starrem Balken. Sci Rep 12, 12511 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15940-x

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Eingegangen: 26. November 2021

Angenommen: 01. Juli 2022

Veröffentlicht: 22. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15940-x

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