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光纖光柵加速度傳感器在民事和建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
（作者未知） 2010/3/25
光纖光柵加速度傳感器在民事和建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
摘要
加速度傳感器是關(guān)鍵部件在一個(gè)為民事和建設(shè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，特別是檢測由地震和風(fēng)力荷載所造成的損害。光學(xué)加速度傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)超過常規(guī)電器加速度傳感器，例如他們的避免電磁干擾能力和遠(yuǎn)距離無需任何額外的放大器傳送信號的能力。我們最近開發(fā)出一種新的光學(xué)加速度傳感器是使用光纖Bragg 光柵元素。在低頻率范圍內(nèi)，該加速度傳感器的高靈敏度達(dá)到1Pm/加爾。十字架軸敏感性減到了最小使用板簧。機(jī)制受聘為這個(gè)傳感器，確保在光柵的元素的統(tǒng)一的應(yīng)變分布，使該Bragg反射高峰期將不會惡化。在另一方面，光柵元素需要壓力，以吸引適當(dāng)?shù)钠姂?yīng)變。這種偏見應(yīng)變遠(yuǎn)高于光纖在通信業(yè)的業(yè)務(wù)限制。高應(yīng)變水平是有害的并且導(dǎo)致在短的周期的錯(cuò)誤。為了克服這一缺陷，可以考慮直接寫入程序和使用高篩選應(yīng)變。使用這些措施，布拉格因素的終身被發(fā)現(xiàn)延長至超過50年，即使在8000顯微應(yīng)用到光柵元素。多元化能力的優(yōu)勢是提出了液化傳感器構(gòu)成的光纖光柵加速度傳感器和光纖光柵壓力傳感器。
導(dǎo)言
在日本，1995年兵庫縣南部（神戶）大地震，其中超過6000人死亡， 40000建筑物被摧毀，在這之后，健康監(jiān)測系統(tǒng)開始越來越強(qiáng)烈的被關(guān)注。關(guān)注同樣發(fā)生在1994年northridge地震，許多鋼鐵建筑物遭受嚴(yán)重?fù)p害，主要是損害在他們的梁柱節(jié)點(diǎn)。這是一個(gè)令人驚訝的事實(shí)，即損害賠償沒有發(fā)現(xiàn)，直到對梁柱節(jié)點(diǎn)消除消防防護(hù)涂料。在大多數(shù)情況下，由一個(gè)簡單的眼科檢查的結(jié)構(gòu)面是不可能找到正確的程度的損害，因?yàn)楸砻嫔系姆阑鸨Ｗo(hù)材料沒有重大有形的損失。這個(gè)事實(shí)提示強(qiáng)烈要求在實(shí)時(shí)時(shí)間對鋼鐵的建筑物進(jìn)行無損檢測評估系統(tǒng)。其中一個(gè)目前正在研究可行的制度是利用動(dòng)力響應(yīng)分析某大廈。雖然這種方法是不適合檢測小的賠償，該方法在確定全球衛(wèi)生的建筑物方面是優(yōu)秀的。
在這種無損評估系統(tǒng)中加速度傳感器發(fā)揮關(guān)鍵作用。這種方法在檢測被大地震或風(fēng)荷載所造成的損害被認(rèn)為是可行的。然而申請這樣一個(gè)目的，目前電動(dòng)加速度傳感器有一定的限制。除此之外，沉重的布線勞動(dòng)和敏感性，電磁場往往成為一個(gè)障礙當(dāng)安裝他們到建筑里時(shí)。光學(xué)加速度傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)超過常規(guī)電器傳感器，如他們對電磁干擾的免疫能力和他們傳送遠(yuǎn)距離信號不需要任何附加放大器的能力。此外，光纖光柵有大幅降低布線勞動(dòng)力的能力。這項(xiàng)研究需要光學(xué)加速度傳感器具有高靈敏度，特別是在低頻率范圍內(nèi)（﹤100 赫茲）為民事和建設(shè)的應(yīng)用。
在早期開發(fā)階段，光學(xué)加速度傳感器已通常被配置了干涉建筑學(xué)。最近，在幾個(gè)加速度傳感器的光纖光柵的基礎(chǔ)上提出了結(jié)構(gòu)監(jiān)測。 berkoff等人提出了一項(xiàng)光纖光柵加速度傳感器。他們的嵌入式光柵元素成為一個(gè)在商業(yè)上可用的彈性體。固有頻率的傳感器是定于約2 kHz或更高的檢測高頻率組件。不過這個(gè)傳感器有交叉軸靈敏度和雙折射分裂的Bragg反射高峰。托德等人用梁式板改善了一光纖光柵加速度傳感器，他們能夠最大限度地減少交叉軸靈敏度以至交叉軸的靈敏度不到1％。雖然他們的系統(tǒng)有很多可取的特點(diǎn)，解決212.5顯微/克對于民事和建設(shè)設(shè)計(jì)的應(yīng)用是不夠的。
在本文中，討論了某些設(shè)計(jì)方面的一種新的光纖光柵為基礎(chǔ)的加速度傳感器。該系統(tǒng)由一懸臂梁和質(zhì)量塊構(gòu)成。一光柵的因素是沒有直接粘到懸臂，以避免可能的非均勻應(yīng)變的元素。相反，布拉格是被拉緊后放在系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)統(tǒng)一的應(yīng)變分布。交叉軸靈敏度盡量減少使用鋼板彈簧。原型光纖光柵加速度傳感器在它的自然頻率45赫茲下可以達(dá)到的敏感性為1Pm/加爾或0.83微/加爾。振動(dòng)臺試驗(yàn)，已廣泛開展以評估其動(dòng)態(tài)特性。把那些得到伺服型加速度傳感器的響應(yīng)值進(jìn)行比較，以找到一個(gè)好的協(xié)議。
以光纖光柵為基礎(chǔ)的加速度傳感器的研究，這里要求偏見應(yīng)變。水平相應(yīng)的應(yīng)變比通常用于光纖電纜的通信更高。允許應(yīng)變通常小于0.5％。在很短的服務(wù)期內(nèi)，高應(yīng)變水平是有害的并且導(dǎo)致失敗的結(jié)果。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，直接以沒有搬遷過程的書面程序和使用被認(rèn)為是高級篩選應(yīng)變在證明試驗(yàn)中。運(yùn)用這些措施，布拉格因素的壽命將擴(kuò)大到超過50年，即使在8000顯微應(yīng)用到光柵的元素。這些中有足夠的大部分應(yīng)用在民事和建筑結(jié)構(gòu)。一液化傳感器構(gòu)成的光纖光柵加速度傳感器和光纖光柵的壓力傳感器是作為一個(gè)例子。
設(shè)計(jì)光纖光柵加速度傳感器
圖1是一個(gè)光纖光柵加速度傳感器的示意圖。該加速度傳感器由1個(gè)L形剛性懸臂梁，集中質(zhì)量和彈簧組成。由于應(yīng)用加速度，光柵因素被放置在點(diǎn)A和B的中心。光纖光柵加速度傳感器的機(jī)制原理如圖1所示。布拉格的因素是后張法只使用張力側(cè)的應(yīng)力條件。運(yùn)用此配置，光柵要素是經(jīng)常受到沿其測量長度的均勻應(yīng)變分布，這會導(dǎo)致急劇反射特性沒有擴(kuò)大。此功能在很好的解決（未完，下一頁）
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