三分量全保偏光纤加速度传感器的研究

报道了三分量全保偏光纤加速度传感器的实验研究结果。传感器由6个弹性柱体共同支撑1个质量块构成三分量结构,由3个迈克尔逊全保偏光纤干涉仪共用一个光源组成。光学部分采用全保偏光纤干涉仪结构,消除了干涉光束偏振态随机变化引起的信号衰落,采用光频调制相位载波解调信号处理技术,消除了相位随机漂移引起的信号衰落,从而实现了对加速度信号的稳定检测。传感器的工作频带为5~500 Hz,加速度灵敏度达到660 rad/g,系统最小可测相位差为10-5rad,最小可测加速度达1.5×10-7m/s2,工作频带内加速度灵敏度变化小于2 dB。三轴加速度灵敏度和频率响应曲线与理论分析的结果基本一致。     

芯轴式干涉型保偏光纤加速度传感器研究

传感器采用全保偏光纤系统消除偏振态的影响,采用光频调制相位载波(PGC)解调信号处理技术消除干涉仪初始相位差变化带来的影响,同时实现探测单元的全光化,适于远距离的探测和传输。实验测得在5～200Hz频段内,传感器灵敏度达到350rad/g,与理论分析基本一致;最小可测相位为10-5rad,最小可测加速度为2.8×10-7m/s2。     

全保偏光纤加速度矢量传感器的设计与实验

阐述了全保偏光纤加速度矢量传感器的基本工作原理,进行了三维探头结构设计,对系统的谐振频率和加速度灵敏度进行了理论分析,并进行了一维光纤加速度传感器实验,验证了这种全保偏光纤加速度矢量传感器的谐振频率和加速度灵敏度理论分析和结构设计的合理性.     

金属环封装低频光纤布拉格光栅振动传感系统研制

研制了一种金属环封装的单柱体芯轴式光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器,搭建了基于非平衡迈克耳逊干涉仪相位载波调制(PGC)解调技术的FBG振动传感器解调系统,实现了低频振动信号的高精度实时解调,并分析了各参数对传感器谐振频率和灵敏度等特性的影响。实验结果表明,研制的FBG振动传感器谐振频率为388Hz,在10～200Hz频率范围内,传感器的加速度灵敏度约为81pm/g,且加速度响应平坦,起伏小于1dB,与理论分析结果基本一致。研制的振动传感器可实现200Hz以下低频振动信号的实时检测,解调系统的波长检测精度为1.07×10-3 pm,最小可检测加速度为1.3×10-5 g。     

一种可用于油藏监测的3分量光纤加速度传感器

研制了一种可用于油藏监测的3分量光纤加速度传感器。该传感器通过3个单方向传感单元分别获得3个正交方向上的被测加速度分量,每个传感单元是一质量-弹簧系统,通过波纹管与顺变材料构成复合弹性体,并采用光纤干涉结构将被测加速度通过解调光纤中的相位变化反映出来。实验数据表明,该加速度传感器具有良好的线性度、一致性和稳定性。系统的工作频带范围为10Hz至800Hz,其轴向灵敏度为38dB re rad／g,交叉法去敏度达到32dB re rad／g,最小可检测加速度为39．3μg／Hz^1／2。     

基于双金属膜片结构的海底地震勘探光纤加速度传感器研究

针对全光海底地震检波器技术的特殊应用需求,设计了一种基于双金属矩形膜片的缠绕式光纤加速度传感器。利用弹性力学理论对光纤加速度传感器的加速度灵敏度和一阶共振频率的特性进行了分析,制作了光纤加速度传感器样品并对其性能进行了测试。结果表明,本文加速度传感器的灵敏度为45dB re∶0dB=1rad/g,一阶共振频率在820Hz左右,与理论分析值很好吻合。在10～400Hz工作带宽中,交叉去敏度约为30dB。测试系统中,使用的相位生成载波(PGC)解调算法的最小相位检测精度为10-5 rad/Hz1/2,因此理论能探测的最小加速度信号为56ng/Hz1/2。由于采用全金属结构,本文类型光纤加速度传感器能够更好地满足海底永久布放检波器的特殊要求。     

基于双光纤光栅的高灵敏度低频加速度传感器

针对低频振动信号的高精度测量需求,设计了一种基于双光纤光栅的变宽度椭圆铰链式低频加速度传感器.首先建立传感器的结构模型,理论分析了传感器的振动响应特性,给出该传感器的谐振频率及灵敏度的公式.随后搭建了传感单元的数学模型,对传感单元结构的关键尺寸参数进行了优化.另外,利用有限元仿真验证了理论分析结果,最后加工制作了传感器样件,对其进行加速度性能测试.实验结果表明:传感器的谐振频率约为36 Hz,工作频带为0-10 Hz,灵敏度为1496 pm/g.所设计的传感器具有较高的灵敏度、良好的温度补偿能力,能够满足工程中低频振动检测的要求.     

基于柔性铰链的FBG三维加速度传感器

针对振动测量中三维振动信号测量需要,基于柔性铰链设计了一种光纤光栅(FBG)三维加速度传感器。构建了传感器拾振机构的振动模型,介绍了传感器的结构模型和测量原理,推导了传感器谐振频率和灵敏度理论公式,建立了拾振机构的数学模型,并用MATLAB对传感器拾振机构关键尺寸参数进行优化设计。根据优化后尺寸制作了传感器,通过振动实验对其进行性能测试。实验结果表明:该传感器在X轴、Y轴和Z轴方向的谐振频率分别为673,667和1376 Hz,工作频率区间分别为0~220 Hz,0~220 Hz和0~450 Hz,灵敏度分别为72.3,70.2和83.1 pm/g。所设计的传感器具有较好的横向抗干扰能力,能够满足三维振动信号测量的要求。     

基于相位载波调制解调技术的全保偏光纤水听器

报道了基于相位载波调制解调技术的全保偏光纤水听器研究结果.采用全保偏光纤干涉仪结构消除了偏振不稳定性,运用相位载波调制解调信号处理技术消除相位随机漂移引起的干涉信号衰落的影响,实现了对声信号的稳定检测和光纤水听器探头的全光纤化.实验测得在20～1 600 Hz频段,光纤水听器的相位灵敏度约为-162.5 dB,灵敏度的起伏为±0.7 dB,500 Hz单频点的灵敏度变化小于0.1 dB.     

基于L型悬臂梁的光纤光栅加速度传感器

为了测量低频小信号,提出了一种基于L型悬臂梁的光纤光栅(FBG)加速度传感器, 并进行了理论分析,推导出了其灵敏度及谐振频率表达公式。为了得出结构的最优参数,根 据理论公式进行了仿真分析得出仿真曲线。根据仿真曲线,选定传感器各个参数,制作出传 感器实物,分别对传感器灵敏度幅频响应,线性响应及横向抗干扰性进行了实验测试,实验 测试出传感器谐振频率280 Hz,在充装硅油阻尼后测量带宽为1Hz－ 240 Hz,测量带宽内响应 曲线平坦度在±1.5 dB以内,灵敏度可达到52 pm/g,线性相关性为99.97%,与理论谐振频 率290 Hz,灵敏度59 pm/g较吻合,表明了理 论分析的正确性,同时传感器具有较好的横向 抗干扰性,横向抗干扰性为4.2%,研究表明此传感器可以应用于低频 小信号场合的振动测试。     

高性能三维全保偏光纤矢量水听器研制

研制了高性能的三维光纤矢量听水器,采用全保偏光纤结构消除偏振不稳定性影响、光频调制相位载波（PGc）技术消除随机相位漂移,实现了探测单元的全光化。优化结构设计,采用薄壁空心刚性圆柱结构作为弹性柱体,大大拓展了光纤矢量水听器的工作频带,同时保证了水听器探测灵敏度。经权威机构检测,该光纤矢量水听器的工作频带为20～2000...     

高灵敏度加速度抵消型分布反馈有源光纤光栅水听器研究

研究了高灵敏度抗加速度型分布反馈(DFB)有源光纤光栅水听器。采用λ/4相移型掺铒光纤光栅构成DFB激光器,输出窄线宽激光,利用弹性膜片增敏方法封装有源光纤布拉格光栅,构成了高灵敏度有源光纤光栅水听器,并以两边对称的弹性膜片构成封装结构来抵消轴向加速度干扰,提高水听器在运动情况下的检测能力,并通过对结构的优化大大提高了光纤光栅水听器的耐静水压能力。研究结果表明水听器在100～1000Hz频率范围内声-相位灵敏度达到-132.7±0.7dB(0dB=1rad/μPa),加速度灵敏度可做到-20dB(0dB=1rad/g)以下,耐静水压可达2MPa。     

光纤Bragg光栅低频振动传感器的特性研究

设计了一种安装于双圆柱弹性环内并由多条弹性薄片条组装成的桶形骨架作为光纤Bragg光栅(FBG)振动传感器基底的传感结构,振动传感器的谐振频率为440Hz,加速度灵敏度约为76.4pm/g,采用相位载波调制式FBG振动传感器解调系统进行解调。实验结果表明,本文传感器经双圆柱弹性环对横向振动约束处理后,其幅频特性在20～300Hz频率范围内呈现出平坦的水平直线,对应于位相角φ=0处的相频特性曲线也呈现出平坦的水平直线,适合于工程技术中20～300Hz的振动信号实时检测。     

基于光纤Bragg光栅的地震检波器的理论与实验研究

提出了一种新型的基于光纤Bragg光栅(FBG)的地震检波器。FBG地震检波器传感头由平面弹簧片、质量块和FBG构成。给出了该检波器的力学模型,理论推导与分析了该检波器的幅频特性和加速度灵敏特性,并讨论了影响该检波器灵敏度的主要因素。实验结果表明,该检波器具有良好的线性度、稳定性和耐受性;检波器的频率响应范围为10～140 Hz,传感器灵敏度为25.9pm/g,共振频率为167 Hz,较符合理论值;最高可检测加速度值大于30g。     

双光纤-悬臂梁FBG加速度传感器研究

针对现有悬臂梁FBG加速度传感器光纤表面粘贴会造成FBG受力不均匀,并且无法在温度变化和振动等复杂的环境中工作的问题,提出一种双光纤-悬臂梁结构的FBG加速度传感器。理论分析了结构参数对传感器灵敏度和固有频率的影响,并采用ANSYS有限元分析软件进行了静应力和模态仿真分析,最后搭建了测试系统对传感器进行性能测试。结果表明,加速度传感器的固有频率为84.86Hz,在15~60Hz的低频段具有平坦的灵敏度响应,双光纤在增加传感器的灵敏度的同时有效消除了温度变化的影响,加速度灵敏度为156.70pm/g,线性度为99.38%,刚性梁有效增加了结构的稳定性,在工作频段内的横向串扰为-26.97dB。     

High-responsivity fiber-optic flexural disk accelerometers

This paper presents performance measurements of fiber-optic flexural disk accelerometers. The flexural disk acts as a mass-spring element to which the fiber is bonded, such that an acceleration causes a strain to be imposed on the fiber which is measured interferometrically. Simple analytical models have been written to calculate the responsivity and resonant frequency of disks under various boundary conditions and the results of the models have been shown to be in good agreement with the measured responsivity for the case of moderately thick disks. Six optical fiber accelerometers based on flexural disks of different thickness and supports have been demonstrated to exhibit a responsivity in the range from 28 to 39 dB re 1 rad/g with a resonant frequency between 2.4 kHz to greater than 5 kHz, respectively. Of the designs considered, the centrally supported disk is shown to give the highest combination of responsivity and bandwidth. A centrally supported disk has been demonstrated to exhibit a flat response up to 2 kHz and a responsivity of 37 dB re 1 rad/g which when combined with an interferometric phase resolution of 6 μrad/√Hz, would give a minimum detectable acceleration of 84 ng/√Hz. We have attempted to cover all aspects of the sensor design including responsivity, bandwidth, cross-responsivity, phase response and size and find that a complicated compromise between all of these design parameters is required to achieve the optimum performance