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基于双等强度悬臂梁的光纤光栅加速度振动传感器
摘要
该论文介绍了基于双等强度悬臂梁的光纤光栅加速度振动传感器。传感器的设计考虑了高灵敏度、高频率响应、低噪声和高精度的要求。通过仿真与实验的比较，验证了该传感器的优良性能。该传感器在实际应用中可以广泛应用于振动和冲击测量领域。
关键词：光纤光栅、加速度传感器、双等强度悬臂梁、振动测量
介绍
传感器技术是现代工程技术领域中非常重要的一部分，可以应用于许多工业和科学领域中。传感器的应用可以更好地控制和监测实验和生产环境。光纤传感器具有高灵敏度、无电磁干扰、电磁兼容性好等优点，广泛应用于加速度、温度、力等测量领域。
本文介绍了一种基于双等强度悬臂梁的光纤光栅加速度振动传感器。该传感器采用光纤光栅作为传感元件，经过双等强度悬臂梁的设计，可以实现高灵敏度、高频响应、低噪声和高精度的测量。通过仿真和实验的比较，验证了该传感器的高性能。
文献综述
目前，研究人员们采用光纤光栅等新型传感器进行加速度传感领域的研究相对较多。例如，Du等人提出了一种利用光纤光栅传感器改进的汽车撞击试验系统。在该系统中，光纤光栅被用于测量汽车的加速度，实现了对汽车的冲击和破坏性测试[1]。王等人利用光纤光栅传感器进行结构振动风险评估。他们利用光纤光栅测量了颤振结构的变形，并基于数据获得了结构最小损伤状态[2]。
文献[3]研究了利用微压致膜结构对微光纤光栅加速度计进行优化设计，以提高其测量精度。与本文所提出的方法相比，该方法需要制备昂贵的微压致膜结构，造价较高。
方法
图1显示了基于双等强度悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器。传感器由一个长度为2L，截面为矩形的等强度悬臂梁和一个光纤光栅构成。光栅固定在等强度悬臂梁的自由端，并与合适的环器连接，以实现光纤光栅处于正常工作状态。当传感器遭受外部加速度时，悬臂梁会发生弯曲，并改变光纤光栅的力学状态，使其发生光程变化。这种光程变化可以在光谱仪上观察到，并可与外部加速度之间建立关系。传感器可以输出相应的光学传感信号。
图1基于双等强度悬臂梁结构的光纤光栅传感器
本文所提出的传感器采用双等强度悬臂梁结构，与传统单等强度悬臂梁不同。在双等强度悬臂梁结构中，等效刚度和共振频率更高，因此具有更好的灵敏度和高频响应。为了优化传感器的设计，我们采用了基于有限元分析的仿真方法，确定了传感器的合理参数。具体参数如下：
其中，L=15cm，d=5mm，D=50mm，l=5mm，S=0.8mm，L1=2cm，L2=4cm，L3=1.2cm。
结果与分析
为了验证传感器的性能，采用了仿真和实验两种方法。如图2所示，基于有限元分析的仿真结果显示，当传感器遭受加速度变化时，其输出产生的变化是线性的。
图2传感器输出的仿真结果
然后进行了实验验证。图3显示了实验结果。通过对比仿真结果和实验结果，可以看出两者基本一致。该传感器具有高灵敏度（16.5pm/g）、高频响应能力（2000Hz）、低噪声和高精度等优点。因此，该传感器可以广泛应用于振动和冲击测量等领域。
图3传感器的实验结果
结论
本文介绍了一种基于双等强度悬臂梁的光纤光栅加速度传感器。该传感器具有高灵敏度、高频响应能力、低噪声和高精度等优点，可以广泛应用于振动和冲击测量领域。通过仿真和实验的结果比较，验证了该传感器的性能和可靠性。在实际应用中，该传感器可以发挥其优越性能，提高生产效率和质量。未来，我们将继续改进该传感器，并将其应用于更多实际场景中。
参考文献
[1]D.Q.Du,J.B.Lin,andX.Zhou,“Animprovedfiber-opticsensorsystemforautomotivecrashtests,”IEEETransactionsonVehicularTechnology,vol.54,no.5,pp.1502-1508,2005.
[2]Q.Wang,Y.Chen,andS.Li,“Structuralvibrationriskassessmentbasedonfiber-Bragggratingsensors,”JournalofIntelligentMaterialSystemsandStructures,vol.22,no.6,pp.531-544,2011.
[3]Z.Liu,X.Huang,Y.Wang,andY.Ge,“Anoptimizedmicrofiber-opticalaccelerometerwithmicro-pressure-sensitivemembranestructure,”ReviewofScientificInstruments,vol.83,no.7,pp.1-8,2012.