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Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 12511 (2022) Citar este artículo

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Detalles de métricas

La detección de aceleración es una tecnología importante en los campos de monitoreo sísmico, monitoreo de salud estructural y exploración de recursos. Se propone un sensor de aceleración FBG con la combinación de una viga rígida en forma de L y una estructura de resorte basada en cojinetes contra la baja sensibilidad que predomina en la medición de vibraciones de baja frecuencia por parte de los sensores de aceleración FBG, donde se utiliza una viga rígida en forma de L para amplificar la Señal de vibración, y está fijada por los rodamientos en ambos extremos para suprimir eficazmente la diafonía transversal. Los efectos de los parámetros estructurales sobre la sensibilidad y la frecuencia natural de los sensores se analizaron utilizando la teoría del origen y dichos parámetros se optimizaron; a continuación, se realizó un análisis de simulación modal y de tensiones estáticas utilizando COMSOL; al final, se construyó un sistema de prueba para probar el rendimiento de los sensores reales. Según los hallazgos, el sensor de aceleración, cuya frecuencia natural es de 57 Hz, tiene una respuesta de sensibilidad plana en el rango de baja frecuencia de 1 a 35 Hz, con un rango dinámico de 89,83 dB, siendo la sensibilidad de aceleración de hasta 1241,85 pm/ g, el coeficiente de determinación R2 para el ajuste de sensibilidad es 0,9997, y la diafonía transversal es -26,20 dB dentro de la banda de frecuencia operativa. Los hallazgos ofrecen una referencia para mejorar la capacidad de medición de vibraciones de baja frecuencia de los sensores de aceleración FBG.

El sensor de vibración basado en la tecnología de detección FBG presenta alta sensibilidad, baja pérdida de transmisión, fuerte inmunidad electromagnética, etc.1,2. La multiplexación de sensores FBG como aceleración, temperatura, desplazamiento, presión, pH, humedad y campo magnético en la misma fibra óptica puede superar la necesidad de usar múltiples sensores y cables pesados en sensores eléctricos tradicionales, así como las deficiencias de anti-interferencia débil. capacidad3,4,5. Desempeña un papel importante en las mediciones de vibraciones para el monitoreo sísmico, el monitoreo de la salud estructural, la seguridad nacional, la industria aeroespacial, la exploración de recursos, etc.6.

En los últimos años, los sensores de aceleración FBG han sido estudiados extensa e intensamente por investigadores nacionales y extranjeros, que se centran principalmente en el diseño estructural y la selección de elementos elásticos de los sensores de aceleración7,8. En la actualidad, los elementos elásticos del sensor de aceleración FBG incluyen principalmente la viga en voladizo, el diafragma, la bisagra y el resorte. Casas Ramos y Sandoval Romero9 propusieron un nuevo sensor de vibración FBG en voladizo con frecuencia natural de 227,3 Hz, ancho de banda operativo de 10-210 Hz, resolución del sensor de 0,006 g, linealidad y error relativo de sensibilidad de 1,9 % y ± 4,4 %, respectivamente. Li et al.10 propusieron un sensor de aceleración basado en la detección FBG con estructura de diafragma, que puede realizar el desacoplamiento y la medición de la temperatura y la aceleración en tiempo real. En el rango de 30 a 90 °C, la sensibilidad a la temperatura es de 8,66 pm/°C, la sensibilidad a la aceleración es de 20,19 pm/g y el ancho de banda operativo es de 10 a 200 Hz. Yan y Liang11 propusieron un nuevo acelerómetro FBG basado en bisagras flexibles dobles paralelas, que consta de dos bisagras flexibles circulares rectas conectadas en paralelo, con un rango de medición de 30 a 200 Hz y una sensibilidad de 54 pm/g. Linessio et al.12 propusieron un acelerómetro FBG bidimensional basado en bisagras flexibles omnidireccionales, que tiene la función de compensación de temperatura y se utiliza para la medición de la aceleración bidimensional. Sin embargo, estos sensores tienen las desventajas de una alta frecuencia natural, baja sensibilidad, etc., que dificultan la medición precisa de vibraciones de baja frecuencia en la práctica de la ingeniería.

Al diseñar el sensor de aceleración FBG, el índice de rendimiento del sensor es el estándar para medir la calidad del sensor. Varios de estos indicadores son comunes y es necesario utilizar todo tipo de sensores FBG, mientras que otros indicadores apenas se utilizan. Estos indicadores principalmente para satisfacer las necesidades de sensores FBG especiales. Los indicadores comunes incluyen principalmente la sensibilidad, el ancho de banda operativo, la linealidad y la capacidad antiinterferente lateral. Teniendo como objetivo la baja sensibilidad del sensor de aceleración FBG en la medición de vibraciones de baja frecuencia, este documento propone un sensor de aceleración FBG con la combinación de una viga rígida en forma de L y una estructura de resorte basada en cojinetes, lo que lo hace adecuado para la medición de vibraciones de baja frecuencia. señales de vibración como terremotos y represas. Se utilizaron los software Origin y COMSOL para realizar análisis teóricos y de simulación de la estructura del sensor, se desarrollaron los sensores reales y se construyó un sistema de prueba para probar el rendimiento del sensor.

El sensor de aceleración FBG con la combinación de viga rígida en forma de L y estructura de resorte basada en cojinetes se modela como se muestra en la Fig. 1. Está compuesto principalmente por carcasa, asiento de cojinete (con cojinetes instalados en el interior), viga rígida en forma de L, masa bloque, resorte, tuerca de nivelación, estructura limitadora de amplitud, etc. Los rodamientos se instalaron en el asiento del rodamiento y se fijaron completamente mediante dos cubiertas de rodamiento. El bloque de masa y la viga rígida en forma de L se mantuvieron horizontales mediante la tuerca de nivelación. Se formaron ranuras con un diámetro de 1 mm en las posiciones correspondientes de la viga rígida corta en forma de L, la carcasa y la estructura limitadora de amplitud, a través de las cuales pasaron dos fibras ópticas y se fijaron después del pretensado, para evitar el chirrido de FBG causado por la unión en la zona de rejilla. . La cara del extremo de la viga en forma de L fue diseñada para ser rectangular, con un ancho mucho mayor que su grosor, y fue fijada por cojinetes en ambos extremos, lo que puede reducir el impacto de la diafonía transversal al mejorar la rigidez a la flexión. La estructura limitadora de amplitud puede limitar la amplitud de vibración del bloque de masa para proteger efectivamente a FBG de que se rompa. Al usar un eje giratorio, la estructura del sensor se puede mantener más estable y se puede eliminar el impacto de la no linealidad geométrica.

Modelado estructural del sensor.

Cuando se produce una vibración externa, el sensor en su conjunto se moverá con la señal de vibración13, y su aceleración producirá una fuerza de inercia opuesta en el bloque de masa que luego vibrará hacia arriba y hacia abajo con fuerza de inercia, para impulsar el haz en forma de L para que gire alrededor. el rodamiento, y transforma la vibración del bloque de masa en una tensión uniforme de rejilla, afectando así la longitud de onda central de su luz reflejada. La deriva de la longitud de onda central de la luz reflejada es proporcional al desplazamiento lineal del bloque de masa y también proporcional a la aceleración. Por lo tanto, la aceleración se puede obtener midiendo la deriva de la longitud de onda central de la luz reflejada, para realizar la detección de la vibración externa. Además, dado que dos FBG están unidos a ambos lados del haz rígido en forma de L respectivamente, las dos fibras ópticas se deforman en direcciones opuestas cuando el sensor vibra, es decir, la deriva de la longitud de onda central de la luz reflejada es igual en magnitud y dirección opuesta, y el efecto de la temperatura en las dos fibras es el mismo. Al diferenciar los dos, se pueden lograr los efectos de compensación de temperatura y aumento de sensibilidad.

En la estructura de viga en voladizo tradicional, la señal de vibración hace que el bloque de masa se mueva hacia arriba y hacia abajo, y la viga en voladizo se coloca horizontalmente, lo que es opuesto a la dirección de vibración del bloque de masa, por lo que la tensión axial de la viga en voladizo será significativamente reducido. En este documento, el resorte se usa para reemplazar la estructura de viga en voladizo. El desplazamiento del resorte es consistente con el desplazamiento del bloque de masa, que puede transmitir mejor la información de deformación y aumentar la sensibilidad del sensor. Al mismo tiempo, la estructura de viga rígida en forma de L se usa para amplificar el desplazamiento en el FBG usando el principio de similitud triangular. , lo que puede aumentar aún más la sensibilidad del sensor.

El modelo de vibración estructural del sensor se muestra en la Fig. 2. Cuando la aceleración \(a\) de la señal de excitación de vibración actúa en la dirección sensible del sensor, el bloque de masa vibrará levemente alrededor del rodamiento bajo la fuerza de inercia.

Modelo de vibraciones estructurales.

Cuando se aplica la aceleración \(a\) al sensor, el desplazamiento \(\Delta x_{2}\) del bloque de masa en relación con la carcasa se puede expresar como

donde \(w_{0}\) es la frecuencia angular natural del sistema,\(m\) es la masa del bloque de masa,\(K\) es el coeficiente de elasticidad total (N/m) del sistema compuesto de fibra óptica y muelle.

Si una de las dos fibras ópticas se extiende por \(\Delta x_{1}\), y la otra se comprime por \(\Delta x_{1}\), la fuerza resultante de las fibras ópticas es la siguiente

donde \(k_{1}\) es el coeficiente elástico de la fibra óptica. Suponiendo que el módulo de Young de la fibra óptica es \(E_{f}\), el área de la sección transversal es \(A_{f}\), y la longitud efectiva de la fibra óptica es \(l\), entonces \( k_{1} = \frac{{E_{f} A_{f} }}{l}\).

Se supuso que la distancia desde el centro de la fibra óptica hasta el centro del eje giratorio es \(L_{1}\), la distancia desde el centro del bloque de masa hasta el centro del cojinete es \(L_{2}\), y la fuerza transmitida por la fibra óptica al bloque de masa es \(N\), se puede obtener lo siguiente mediante balance de momentos

El análisis de suma de fuerzas del bloque de masa muestra que la fuerza elástica producida por la deformación del resorte es \(F_{2}\), y la cantidad de deformación es \(\Delta x_{2}\), por lo que la resultante fuerza es \(F = F_{2} + N\). Se puede obtener lo siguiente

donde \(k_{2}\) es el coeficiente elástico del resorte. Supongamos que el módulo de corte del resorte es \(G\), el diámetro exterior es \(D\), el diámetro del alambre es \(d\) y el número efectivo de vueltas del resorte es \(N_{c }\), entonces \(k_{2} = \frac{{G \times d^{4} }}{{8N_{c} \times (D - d)^{3} }}\). Lo siguiente se puede obtener por similar \(\frac{{L_{1} }}{{L_{2} }} = \frac{{\Delta x_{1} }}{{\Delta x_{2} }} \)

Entonces la tensión \(\varepsilon\) de la fibra óptica es

Finalmente, la sensibilidad del sensor de aceleración FBG se obtiene como \(S\)

donde \(\lambda_{B}\) es la longitud de onda central de la red y \(P_{e}\) es el módulo de elasticidad efectivo de la fibra óptica.

La frecuencia natural \(f\) del sensor de aceleración FBG es

En el diseño de sensores de aceleración FBG, se necesitan algunas especificaciones iniciales de parámetros relacionados con el tamaño, y los parámetros restantes se optimizarán para maximizar la sensibilidad. Dado que la frecuencia característica de la mayoría de las infraestructuras civiles se encuentra entre 0 y 20 Hz, y las frecuencias sísmicas regionales y locales en los terremotos naturales generalmente no superan los 30 Hz, el sensor de aceleración diseñado debe exhibir una frecuencia natural superior a este valor, pero debe ser lo suficientemente baja. para maximizar su sensibilidad y minimizar el ruido, y debe tener una respuesta de sensibilidad plana de 0 a 30 Hz.

Se puede ver a partir de las Ecs. (7) y (8) que la sensibilidad y la frecuencia natural del sensor se ven directamente afectadas por la masa \(m\) del bloque de masa, la relación \(L_{1} /L_{2}\) del haz corto a una viga larga de una viga rígida en forma de L, el coeficiente de elasticidad del resorte \(k_{2}\) y la longitud efectiva \(l\) de la fibra óptica. La longitud de la zona de rejilla de FBG es generalmente de 10 mm, y la longitud efectiva de la fibra óptica seleccionada para esta estructura es de 15 mm. Se utilizó el software Origin para analizar los efectos de la masa \(m\) del bloque de masa, la relación \(L_{1} /L_{2}\) de la viga corta a la viga larga de la viga rígida en forma de L y el coeficiente de resorte de elasticidad \(k_{2}\) sobre la sensibilidad y frecuencia natural del sensor. La viga rígida en forma de L y el bloque de masa en el sensor están hechos de aleación de latón con buena rigidez y alta densidad, y el resorte está hecho de acero para resortes con buena elasticidad. Los parámetros materiales del sensor de aceleración FBG se muestran en la Tabla 1.

La Figura 3 describe el efecto de la masa \(m\) sobre la sensibilidad y frecuencia natural del sensor cambiando el coeficiente de 10 a 80 g.

Efecto de \(m\) sobre \(S\) y \(f\).

Como se muestra en la Fig. 3, los bloques de masa con diferentes masas tuvieron un gran efecto sobre la sensibilidad y la frecuencia natural del sensor. Cuanto mayor era la masa, mayor era la sensibilidad y menor la frecuencia natural del sensor. Cuando \(m\) = 10 g, la frecuencia natural del sensor alcanzó alrededor de 120 Hz y la sensibilidad fue de solo 220 pm/g; Cuando \(m\) = 80 g, la frecuencia natural del sensor disminuyó a alrededor de 42 Hz y la sensibilidad aumentó a 2000 pm/g. Para cumplir con los requisitos de medición de baja frecuencia, la masa del bloque de masa se seleccionó como 40 g, en cuyo caso la frecuencia natural del sensor era de alrededor de 60 Hz y la sensibilidad era superior a 1000 pm/g.

La figura 4 describe el efecto de la relación \(L_{1} /L_{2}\) sobre la sensibilidad y la frecuencia natural del sensor cambiando el coeficiente de 0 a 1,5.

Efecto de \(L_{1} /L_{2}\) sobre \(S\) y \(f\).

Como se muestra en la Fig. 4, con el aumento de \(L_{1} /L_{2}\), la frecuencia natural del sensor aumentó continuamente y la sensibilidad primero aumentó y luego disminuyó. Cuando la relación alcanzó 0,1, la frecuencia natural fue inferior a 40 Hz y la sensibilidad aumentó a 1380 pm/g; cuando la relación llegó a 0,2, la frecuencia natural alcanzó alrededor de 60 Hz y la sensibilidad fue de alrededor de 1100 pm/g; cuando la relación alcanzó 0,4, la frecuencia natural aumentó por encima de 100 Hz y la sensibilidad disminuyó a solo 250 pm/g; cuando la relación fuera superior a 0,4, no se cumplirían los requisitos de diseño de este documento. Para cumplir con los requisitos de medición de baja frecuencia, \(L_{1} /L_{2}\) se seleccionó como 0.2.

Cambió el coeficiente de elasticidad del resorte \(k_{2}\) de 500 N/m a 2000 N/m, y sustituyó otros parámetros en la fórmula de derivación teórica respectivamente, para obtener el efecto de \(k_{2}\) en la sensibilidad y la frecuencia natural del sensor, como se muestra en la Fig. 5.

Efecto de \(k_{2}\) sobre \(S\) y \(f\).

La figura 5 describe el efecto del coeficiente de elasticidad del resorte \(k_{2}\) sobre la sensibilidad y la frecuencia natural del sensor cambiando el coeficiente de 500 N/m a 2000 N/m.

Como se muestra en la Fig. 5, el coeficiente de elasticidad del resorte \(k_{2}\) tuvo un efecto significativo en la sensibilidad del sensor, pero tuvo poco efecto en la frecuencia natural. Cuando \(k_{2}\) cambió de 500 N/m a 2000 N/m, la sensibilidad disminuyó de 1100 pm/ga 860 pm/g. Por lo tanto, se seleccionó como elemento elástico el resorte con coeficiente de elasticidad de alrededor de 1000 N/m, en cuyo caso la frecuencia natural del sensor estaba alrededor de 60 Hz y la sensibilidad estaba por encima de 1000 pm/g.

De acuerdo con las necesidades de la aplicación de ingeniería de medición de baja frecuencia, se debe garantizar que la frecuencia natural sea superior a 50 Hz y que la sensibilidad sea de alrededor de 1000 pm/g, teniendo en cuenta el tamaño y el peso del sensor. Con base en el análisis de los parámetros estructurales, los parámetros estructurales realizados del sensor se muestran en la Tabla 2. El sensor se modeló con Solidworks y los resultados se importaron al software COMSOL para el análisis de simulación modal y de tensión estática de la estructura del sensor.

Se aplicó una restricción fija al extremo inferior del sensor, y se aplicó una aceleración de 2 g en el conjunto para obtener el diagrama de desplazamiento equivalente del modelo, como se muestra en la Fig. 6. Se pudo saber que el desplazamiento de deformación en el extremo libre fue el más grande, que disminuyó gradualmente desde el extremo libre hasta el extremo de apoyo, el desplazamiento máximo del bloque de masa fue de 0,108 mm, el desplazamiento de la viga rígida en la posición límite de amplitud fue de 0,033 mm y el desplazamiento de L El haz rígido de forma plana en la posición en la que se unió la fibra óptica fue de 0,014 mm. Por lo tanto, la estructura del sensor puede responder al desplazamiento y la tensión en el extremo libre, y la deformación no afecta las propiedades físicas de la fibra óptica, lo que puede garantizar la estabilidad del sensor.

Análisis de tensiones estáticas de la estructura.

El modelo se colocó en el módulo de análisis modal y se mallado como un todo. Se analizaron los primeros modos de cuatro órdenes del modelo y las frecuencias de los modos de primer, segundo, tercer y cuarto orden identificados fueron 60,71 Hz, 457,53 Hz, 694,01 Hz y 930,66 Hz, respectivamente. Es decir, la frecuencia natural de la estructura fue de 60,71 Hz, con lo que se logra el objetivo de que la frecuencia natural del sensor después de la optimización de los parámetros de la estructura sea de unos 60 Hz. Y la diferencia entre la frecuencia del modo de primer orden y las frecuencias de los modos de segundo, tercer y cuarto orden fue grande, lo que indica que su acoplamiento cruzado fue pequeño y la interferencia cruzada se redujo efectivamente. Los de primer y segundo orden se muestran en la Fig. 7.

Análisis modal de la estructura.

De acuerdo con los resultados del análisis teórico y de simulación, el sensor de aceleración FBG desarrollado se muestra en la Fig. 8. Antes de la prueba, las fibras ópticas se unieron mediante la técnica de conexión de dos puntos, para evitar el chirrido causado por la conexión en la zona de rejilla. Al principio, un extremo de la fibra óptica se colocó en la ranura del haz corto del haz rígido en forma de L, se adhirió con pegamento UV y se fijó después de la irradiación con una lámpara UV durante 40 s. El extremo de la fibra óptica se pretensó con un peso de 20 gy luego se fijó con pegamento UV y lámpara UV. La segunda fibra óptica se unió de la misma manera que la primera.

Prototipo físico del sensor de aceleración FBG.

El sistema de vibración experimental consiste en un sensor de aceleración FBG, una mesa vibratoria, un generador de señales, un amplificador de señales, un demodulador de rejilla de fibra (fuente de luz incorporada) y una computadora, como se muestra en la Fig. 9. El sistema de mesa vibratoria incluye una mesa de calibración MWY-JZQ50 , con una amplitud máxima de 12,5 mm y una aceleración máxima de 45,5 g; generador de funciones de señal con tasa de muestreo de 1 GSa/a, que tiene 14 funciones de cuasi-forma de onda y abundantes interfaces de configuración estándar; y amplificador de señal (MWY-TZQ50), cuyo rango de respuesta de frecuencia es de 1 a 15 000 Hz, y la relación señal-ruido es superior a 75 dB, combinado con un generador de función de señal para amplificar las señales de función. El demodulador de red de fibra (MWY-FBG-CS800) utilizado en el experimento puede demodular longitudes de onda en el rango de 1528 a 1568 nm, con una frecuencia de muestreo máxima de 1 kHz y una resolución de 0,1 pm. El circulador, que se utiliza como pieza de conexión, transmite la onda de luz de la fuente de luz de banda ancha al sensor de aceleración. Después de pasar por el FBG, la luz en un determinado rango de longitud de onda se refleja y luego se transmite al demodulador a través del circulador para demodular la información transportada por el cambio de longitud de onda de la onda de luz.

Sistema de prueba del sensor.

El dispositivo experimental para la prueba de respuesta de temperatura consta de un sensor de aceleración FBG, una caja de control de temperatura, un demodulador de rejilla de fibra y una computadora. La temperatura ambiental se fijó como única variable en el experimento; El sensor de aceleración FBG se colocó en la caja de control de temperatura, lo que podría garantizar que otros parámetros ambientales no cambiaran para lograr efectivamente el propósito de controlar las variables. Establezca el punto de cambio de temperatura inicial de la caja de control de temperatura en -20 °C, el punto final en 60 °C y el tamaño del paso en 10 °C. Cuando la temperatura de cada nodo alcanzó el equilibrio, se mantuvo durante 2 minutos, luego se midió la variación de la longitud de onda central de FBG, se registraron y analizaron los datos y finalmente se normalizaron los datos, como se muestra en la Fig. 10.

Efecto de la temperatura en la longitud de onda central.

Como se muestra en la Fig. 10, el cambio de temperatura afectaría seriamente la precisión y exactitud de la medición del sensor de aceleración FBG. El efecto del cambio de temperatura en un solo FBG fue de 16,32 pm/°C, y cuando la temperatura ambiente medida cambió hasta 60 °C, el efecto en la longitud de onda central de FBG alcanzó las 800 pm, por lo que es muy importante eliminar el efecto. de temperatura en el monitoreo de vibraciones. Sin embargo, el efecto de la temperatura en el sensor de aceleración FBG doble fue de 0,11 pm/°C, lo que indica que la estructura de doble fibra puede mejorar significativamente el efecto de la temperatura ambiente medida en el sensor de aceleración FBG y puede realizar la función de autocompensación por el cambio de temperatura ambiente.

Para probar las características de respuesta del sensor, la amplitud de aceleración de salida de la mesa vibratoria se fijó en 3 m/s2 y las frecuencias de vibración fueron 10 Hz y 20 Hz, respectivamente. Las señales en el dominio del tiempo medidas por el sensor de aceleración FBG y las señales correspondientes en el dominio de la frecuencia se muestran en la Fig. 11.

Curva de respuesta de salida del sensor.

Como se muestra en la Fig. 11, la señal medida era de buena calidad y el sensor bien podía obtener una entrada de excitación sinusoidal desde el exterior. La onda sinusoidal intacta mostró que FBG estaba bajo estrés uniforme, sin chirridos ni picos múltiples. Las amplitudes de las curvas en el dominio del tiempo medidas en dos puntos de frecuencia diferentes bajo la misma entrada de aceleración fueron similares, lo que prueba que el sensor tiene una respuesta plana en la banda de frecuencia operativa.

La aceleración de la mesa vibratoria se fijó en 3 m/s2, el generador de señales generó una excitación de 1 a 90 Hz, la frecuencia de salida de la mesa vibratoria se cambió en un paso de 5 Hz, que disminuyó a 2 Hz cuando se acercaba a la frecuencia natural. Se registraron la frecuencia del sensor y las variaciones en las longitudes de onda centrales de FBG1 y FBG2. La curva de respuesta de amplitud-frecuencia del sensor de aceleración se obtuvo mediante cálculo, como se muestra en la Fig. 12.

Características amplitud-frecuencia del sensor.

Como se muestra en la Fig. 12, el sensor tenía una buena zona plana entre 1 y 35 Hz, y 1 Hz era la frecuencia de vibración mínima que puede generar el generador de señales. La frecuencia natural del sensor fue de 57 Hz, que está cerca del valor teórico de 60,71 Hz en el análisis de simulación, el error podría deberse a las pérdidas del sensor durante el procesamiento y el pretensado aplicado cuando se conectaba la fibra óptica.

El rango dinámico es uno de los parámetros importantes del sensor. Para el sensor de aceleración FBG, el rango dinámico se puede expresar como la relación logarítmica de la deriva máxima \(\lambda_{\max }\) de la longitud de onda central FBG a la resolución \(\lambda_{\min }\) del sistema de demodulación, y su expresión relacional es la siguiente

En la prueba, la desviación máxima de la longitud de onda central de FBG fue de 3100 pm y la resolución del demodulador de red de fibra utilizado en el sistema de prueba fue de 0,1 pm. El rango dinámico del sensor de aceleración FBG se calculó en 89,83 dB.

La sensibilidad del sensor determina la capacidad del sensor de aceleración FBG para captar señales de vibración débiles. La sensibilidad del sensor de aceleración FBG es la relación entre la variación de la longitud de onda de salida del FBG y la aceleración de entrada a una determinada frecuencia de funcionamiento. Durante la prueba de sensibilidad del sensor de aceleración de FBG, es necesario determinar no solo la relación entre la variación de la longitud de onda de salida de FBG y la aceleración de entrada, sino también la linealidad de la relación entre la variación de la longitud de onda de salida de FBG y la aceleración de entrada. Cuanto mejor sea la respuesta lineal, más estable será el rendimiento operativo del sensor. Para determinar la sensibilidad del sensor, establezca las frecuencias de salida de la mesa vibratoria en 10 Hz, 20 Hz y 30 Hz respectivamente, cambie la aceleración en un paso de 1 m/s2, con un rango de variación de 1–5 m/s2 , y registró las variaciones de las longitudes de onda centrales de FBG1 y FBG2 en dos frecuencias diferentes. La línea de ajuste lineal trazada se muestra en la Fig. 13.

Curva de ajuste lineal del sensor.

Según el análisis de los datos recopilados, cuando la frecuencia de entrada era de 10 Hz, 20 Hz y 30 Hz, la sensibilidad de fibra única del sensor de aceleración era de 617,5 pm/g, 642,9 pm/g y 659,4 pm/g respectivamente, el doble -la sensibilidad de la fibra fue de 1199,75 pm/g, 1250,9 pm/gy 1274,9 pm/g, respectivamente, lo que logra el objetivo de la sensibilidad del sensor por encima de 1000 pm/g después de la optimización de los parámetros estructurales. Y el coeficiente de determinación de ajuste R2 de doble fibra a 10 Hz, 20 Hz y 30 Hz fue 0.9995, 0.9999 y 0.9997, respectivamente. Los resultados muestran que existe una buena relación lineal entre la deriva de longitud de onda central del sensor de aceleración FBG y la amplitud de aceleración de entrada, y la fibra doble puede aumentar la sensibilidad. La aceleración mínima detectable del sensor en la prueba fue de 0,05 m/s2.

El impulso es un proceso transitorio con una gran amplitud de aceleración y que contiene más información sobre la frecuencia de vibración, y la respuesta del impulso depende principalmente de las propiedades estructurales del objeto medido. Por lo tanto, se realizó un experimento de respuesta de impulso para verificar la frecuencia natural del sensor. En el experimento, se utiliza el método de golpear instantáneamente la mesa vibratoria para simular la generación de una señal de choque. La salida del sensor se muestra en la figura 14. La figura 14a muestra la curva de dominio del tiempo de la respuesta al impulso, y la figura 14b muestra la respuesta en el dominio de la frecuencia después de la FFT de la señal en el dominio del tiempo.

Curva de impulso respuesta.

A partir de la salida del sensor en el dominio del tiempo, se puede ver que antes de que se genere la señal de choque, la longitud de onda central del FBG tiene desviación cero y permanece estable. La señal de choque se generó a los 0,2 s y la desviación máxima de la longitud de onda central fue de 640 pm y luego se debilitó gradualmente. A los 0,7 s, la desviación de la longitud de onda central volvió a cero y se mantuvo estable. A partir de la salida del sensor en el dominio de la frecuencia, se puede ver que el pico de la amplitud de la respuesta de impulso es de 57 Hz, y no hay otros picos obvios en la salida del dominio de la frecuencia. Desde el lado, indica que la frecuencia natural del sensor es de aproximadamente 57 Hz, lo cual es consistente con los resultados de las pruebas de amplitud y respuesta de frecuencia, lo que verifica aún más la exactitud de los resultados experimentales.

La señal de vibración es un tipo de señal vectorial con direccionalidad, por lo que para el sensor de aceleración FBG de un solo grado de libertad, se debe considerar su inmunidad a la interferencia transversal. La diafonía transversal del sensor es la relación logarítmica de la deriva de la longitud de onda central de FBG cuando la señal de excitación de aceleración actúa en la dirección transversal y la deriva de la longitud de onda central de FBG cuando la señal de excitación de aceleración actúa en la dirección principal a la misma frecuencia.

El sensor se fijó en la mesa vibratoria y se fijó una señal de excitación sinusoidal con una frecuencia de 20 Hz y una aceleración de 5 m/s2. En el mismo entorno de vibración, se registraron las derivas de la longitud de onda central de FBG bajo vibración transversal y vibración longitudinal del sensor, como se muestra en la Fig. 15. Según los resultados, la respuesta longitudinal y la respuesta transversal del sensor fueron 616,95 pm y 30,2 pm, respectivamente, por lo que la diafonía transversal se calculó como -26,20 dB, lo que indica que el sensor se puede considerar como una vibración de un solo grado de libertad en condiciones de vibración y tiene una fuerte inmunidad a la interferencia transversal.

Prueba de inmunidad a interferencias transversales.

A través de los experimentos anteriores, se prueba el rendimiento de la estructura de viga rígida en forma de L propuesta en este documento, y su comparación de rendimiento con el sensor presentado en la introducción se muestra en la Tabla 3.

Se puede ver en la Tabla 3 que el sensor de aceleración FBG de viga rígida en forma de L propuesto en este documento tiene una frecuencia natural más baja, lo que le permite medir señales de vibración de baja frecuencia por debajo de 30 Hz, como terremotos y represas. En comparación con otras estructuras, la estructura adopta el sistema de "cojinete-resorte" y la viga rígida en forma de L amplifica el desplazamiento en el FBG, lo que puede aumentar aún más la sensibilidad del sensor.

Se propone un sensor de aceleración FBG con la combinación de una viga rígida en forma de L y una estructura de resorte basada en cojinetes contra la baja sensibilidad que predomina en la medición de vibraciones de baja frecuencia por parte de los sensores de aceleración FBG, donde se utiliza una viga rígida en forma de L para amplificar la señal de vibración, y está fijada por los rodamientos en ambos extremos para suprimir efectivamente el efecto de la diafonía transversal, y la estructura limitadora de amplitud puede limitar la amplitud de vibración del bloque de masa para proteger efectivamente a FBG de que se rompa. Según los hallazgos, el sensor de aceleración tiene una frecuencia natural de 57 Hz y una sensibilidad de aceleración de hasta 1241,85 pm/g, lo que se acerca al análisis teórico. Los errores pueden deberse a errores de procesamiento e instalación del sensor, cantidad de adhesivo, pretensado FBG, fricción existente en la rotación del rodamiento, precisión del equipo de vibración experimental, etc. El sensor de aceleración tiene una respuesta de sensibilidad plana en la baja frecuencia. rango de 1 a 35 Hz, con un rango dinámico de 89,83 dB, el coeficiente de determinación R2 para el ajuste de sensibilidad es de 0,9997 y la diafonía transversal es de -26,20 dB dentro de la banda de frecuencia operativa, que puede realizar el tiempo real y alto -Medición de precisión de señal de vibración débil de baja frecuencia.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este estudio fue apoyado financieramente por el Proyecto del Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave (Subvención NO 2019YFC1509500), el proyecto de fondo de innovación en ciencia y tecnología para graduados "Tarifas comerciales de investigación científica básica para universidades centrales" (Subvención NO ZY20210304).

Instituto de Geofísica, Administración de Terremotos de China, Beijing, 100081, China

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

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

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

Instituto de Prevención de Desastres, Sanhe, 065201, China

Yewei Wang y Zhongchao Qiu

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Las contribuciones de cada autor son las siguientes: YT: Redactor del manuscrito y realizado los análisis. YW y YT: Diseñar la estructura del sensor, ser responsable del experimento del sensor y escritor del manuscrito. XW: Procesamiento de partes de sensores, análisis de resultados experimentales y supervisión de redacción y análisis de manuscritos. CL: Supervisión de redacción y análisis de manuscritos. ZQ: Supervisión de redacción y análisis de manuscritos.

Correspondencia a Yixiang Tang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Teng, Y., Wang, Y., Tang, Y. et al. Un nuevo sensor de aceleración FBG de haz rígido en forma de L. Informe científico 12, 12511 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15940-x

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Recibido: 26 noviembre 2021

Aceptado: 01 julio 2022

Publicado: 22 julio 2022

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

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