基于布拉格光栅的直接拉伸压缩法设计一：该设计将质量块的振动传递到光纤光栅的轴向应变变化，质量块与检波器外壳通过横向限振片相连接，光纤穿过质量块，Bragg光栅刻在光纤中，外加涂覆层，在质量块上张拉一个Bragg光栅,此结构可以使质量块带动Bragg光栅仅产生相对外壳的轴向运动。图1.传感器结构设计图。图2.（a）传感器结构设计图(b)传感器结构封装图（c）限振片结构光纤光栅检波器所使用的光纤光栅的杨氏模量和普通光纤相同，在用于振动检测时，必须剥去包层，仅留下的纤芯。该检波系统中采用的各项常数如下：光纤的杨氏模量，纤芯直径为。质量块半径高光纤横截面积光纤有效长度铍青铜的杨氏模量限振片厚宽长灵敏度分析：由以上光纤光栅地震检波器的工作原理分析可知该传感器系统的灵敏度系数其中K为限振片的等效刚度系数根据成大先主编的《机械设计手册》第17-12页弹性构建的刚度可得代入数据可得灵敏度系数或固有频率分析：检波器的固有频率其中由以上分析可得检波器的固有频率动态范围为：结构中光纤的有效长度为,按对应计算，光栅最大漂移对应，则结构中光纤的长度变化量为而解调仪的分辨率可达到，所以此设计结构的动态范围为：加速度范围分析：Bragg光栅的中心波长变化量为，当质量块取，灵敏度时，最大可测得频谱特性分析：光纤光栅振动传感探头模型由惯性质量没m，弹性元件k和阻尼器c组成，质量块m受到与运动方向相反的惯性力以及横向限振片和光纤对它的拉力作用。假设检波器工作时，弹簧片和光栅的形变量相等。当振子与大地同时振动的瞬间：假设外壳的振动量为光纤光栅的长度变化为，根据牛顿第二定律：得探测系统的微分方程为：(1)其中，K为弹簧片的刚度系数；E为光纤的杨氏模量；A为光纤的横截面积；L为光纤有效长度。将(1)式的两边对t进行傅立叶变换，并整理得：(2)对上式进行变形可写为（3）系统的固有频率阻尼比均由由系统本身确定，因此系统的传递函数可写成：（4）频率响应特性：（5）幅频特性：（6）相频特性：（7）图4.传感器的幅频特性、相频特性曲线由式（5）可知，当ω=0时，H(iω)=1，光纤光栅检波器理想地再现外界振动随时间的变化规律；当时，H(iω)在该范围内的变化不超过11%，因此这个范围是检波器的理想工作范围；当时，H(iω)>1.1，检波器误差较大不能实现线性工作；当时，H(iω)的误差小于10%，在数据处理过程中将被测信号反相，则该范围亦可当成检波器的理想工作范围。其它情况下频率响应的误差都比较大，检波器不能正常地工作。因此，检波器有两个线性工作范围和，当光纤光栅地震检波器将产生机械共振，即系统的固有频率影响检波器的频率使用范围。有以上分析可得：当固有频率时，系统的工作频率是:温度自补偿分析：假设外界温度变化为ΔT，两光纤光栅的波长漂移量分别为式中为FBG1受压力后输出的中心波长;为FBG2受拉力后输出的中心波长;μ为FBG横向泊松比;ε为轴向应变(当光栅受拉力时取“+”,反之取“-”)。则FBG1和FBG2的中心波长差为因此其中为光纤光栅相对波长应变.灵敏度系数，波长变化只与应变有关与温度无关。所以该传感器利用双光纤光栅的结构能很好地进行温度补偿。但同时该结构还存在一些需要进一步考虑和改进的技术问题，若要进入实用化则其封装和光纤引出线的保护都是急需解决的问题。通过改进最终实现光纤Bragg光栅地震检波器的实用化。原有三梁设计结构的改进方案：为了消除横向应变对测量结果的影响,结构中的质量-弹簧系统应不与传感器外壳接触,并采用等截面悬臂梁,且其宽度远大于厚度,这样可以通过提高抗弯刚度而减少横向干扰的影响。在振动质量块处设计了机械停止（限振结构），具有一定程度的过载保护作用,避免了传感器在工作过程中因过大激励超出光纤应变而损坏器件。光纤Bragg光栅加速度传感器传感头结构矩形悬臂梁结构示意图对于上图所示的悬臂梁模型（长，宽，高）假设其自由端受集中应力作用，我们可以利用挠曲线近似微分方程求得梁的挠度方程。以梁的左端点为坐标原点，建立如图所示坐标系，根据材料力学知识【铁摩辛柯S,盖.尔J著,胡人礼译.材料力学[M].北京:科技出版社,1978年3月第1版:215~218】，悬臂梁的挠度曲线...
