基于FBG的新型加速度计研究

　　加速度计是惯性导航系统中的重要元件之一,它在航空、航天、航海、陆地等领域得到了广泛的应用。目前已有的加速度计多基于机械原理。这类加速度计精度较高, 但机械结构复杂、安装要求严格、寿命较短、成本较高。

　　光纤传感技术以其抗电磁干扰、体积小、质量轻、动态范围宽、精度高、能在恶劣环境下工作的优势得到了迅猛发展, 也使得光纤加速度计相对于其它类型的加速度计取得了长足的发展。FBG 加速度计是一种新型的波长调制型光纤加速度计, 除具有上述优点外, 还具有光路简单、检测方法灵活、对光源强度波动及外界干扰不敏感的特点, 是未来加速度计的重要发展方向, 已得到广泛的应用。另一方面, FBG 加速度计具有的分布式传感特点和可批量生产能力, 使得它在光纤传感领域倍受青睐。研究的焦点也向高精度、完善解调和复用技术以及降低成本等方向发展[ 1] 。

　　随着加速度计应用领域的扩大, 对其要求也越来越高。减小干扰力矩, 提高热稳定性, 改进结构材料, 提高轴对准稳定性、标度因数稳定性、偏值稳定性, 提高可靠性, 降低成本, 减小体积是未来加速度计的发展趋势[ 2-3] 。

　　1 差动式敏感结构设计

　　基于传统悬臂梁的光纤布拉格光栅加速度计谐振频率与灵敏度相互制约, 限制了其发展应用。本文设计这种新结构的特点是加速度计的灵敏度和谐振频率在结构设计时可以分开考虑, 增加了设计的灵活性, 即可以在不降低灵敏度的同时显著提高系统固有频率[ 4-5] 。

　　此种结构是悬臂梁- 质量块结构的一种改进,用高弹性刚度的主悬臂梁支撑质量块, 极低弹性刚度的微梁来感受应力。微梁对称的位于主悬臂梁的两边, 位置经过优化, 可取得最大灵敏度。加速度计的敏感结构如图1 所示。主要由边框、主梁、微梁和检测质量块组成。主悬臂梁两边对称的摆放2 个微梁。这个主悬臂梁和2 个微梁连着1 个可动质量块。

　　1. 1 结构力学分析

　　在两个微梁表面贴有光纤布拉格光栅。当器件受到加速度a, 质量块偏转时, 两根微梁会一根拉伸, 一根压缩。可采用简单的弹性模型来进行理论论述[ 6] , 如图2 所示。因为微梁的主要形变是轴向的拉伸和压缩, 并且他们的弯曲刚度要远小于主梁的, 所以将微梁简化成两个刚度系数为K S = EA P / lP 的弹簧。E, A P , lP 分别是微梁的杨氏模量、横截面积和长度。

　　当质量块受到Y 方向加速度时, 微梁与质量块相交处a 点的位移由两部分组成: 一是随主悬臂梁自由端b 沿Y 方向的移动, 二是绕主悬臂梁自由端b在X Y 平面的转动( 质量块的重心须在b 点的右边) 。而转动又可以分解为X 、Y 两个方向的平动。合理设计l m2 , 则a 点在Y 方向的平动就能被正负抵消,这样, a 点就只有X 方向的位移, 其Y 方向的运动为零, 微梁只有沿轴向的变形, 即沿X 方向直拉或直压, 没有Y 方向的扭曲。微梁感受到的应力是均匀分布的轴向应力。这就是微梁的直拉直压原理。理想情况下, 如上述微梁只有轴向的形变, 即意味着末端的纵向位移为零, 所以