um novo L

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 12511 (2022) Citar este artigo

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A detecção de aceleração é uma tecnologia importante nas áreas de monitoramento sísmico, monitoramento de saúde estrutural e exploração de recursos. Um sensor de aceleração FBG com a combinação de feixe rígido em forma de L e estrutura de mola baseada em rolamentos é proposto contra a baixa sensibilidade que predomina na medição de vibração de baixa frequência por sensores de aceleração FBG, onde o feixe rígido em forma de L é utilizado para amplificar o sinal de vibração e é fixado pelos rolamentos em ambas as extremidades para suprimir efetivamente a diafonia transversal. Os efeitos dos parâmetros estruturais sobre a sensibilidade e frequência natural dos sensores foram analisados ​​utilizando a teoria da Origem, e tais parâmetros foram otimizados; em seguida, foi feita análise de tensão estática e simulação modal usando COMSOL; ao final, foi construído um sistema de teste para testar o desempenho dos sensores reais. De acordo com os resultados, o sensor de aceleração, cuja frequência natural é de 57 Hz, tem uma resposta de sensibilidade plana na faixa de baixa frequência de 1 a 35 Hz, com faixa dinâmica de 89,83 dB, sensibilidade de aceleração de até 1241,85 pm/ g, o coeficiente de determinação R2 para o ajuste de sensibilidade é 0,9997, e o crosstalk transversal sendo -26,20 dB dentro da faixa de frequência operacional. As descobertas oferecem uma referência para melhorar a capacidade de medição de vibração de baixa frequência dos sensores de aceleração FBG.

O sensor de vibração baseado na tecnologia de detecção FBG apresenta alta sensibilidade, baixa perda de transmissão, forte imunidade eletromagnética, etc.1,2. A multiplexação de sensores FBG como aceleração, temperatura, deslocamento, pressão, pH, umidade e campo magnético na mesma fibra óptica pode superar a necessidade de usar vários sensores e cabos pesados ​​em sensores elétricos tradicionais, bem como as deficiências de anti-interferência fraca capacidade3,4,5. Desempenha um papel importante nas medições de vibração para monitoramento sísmico, monitoramento de saúde estrutural, segurança nacional, aeroespacial, exploração de recursos, etc.6.

Nos últimos anos, os sensores de aceleração FBG têm sido extensa e intensivamente estudados por pesquisadores nacionais e estrangeiros, que se concentram principalmente no projeto estrutural e na seleção de elementos elásticos de sensores de aceleração7,8. Atualmente, os elementos elásticos do sensor de aceleração FBG incluem principalmente viga cantilever, diafragma, dobradiça e mola. Casas Ramos e Sandoval Romero9 propuseram um novo sensor de vibração FBG cantilever com frequência natural de 227,3 Hz, largura de banda operacional de 10–210 Hz, resolução do sensor de 0,006 g, linearidade e erro de sensibilidade relativa de 1,9% e ± 4,4%, respectivamente. Li et al.10 propuseram um sensor de aceleração baseado na detecção FBG com estrutura de diafragma, que pode realizar desacoplamento em tempo real e medição de temperatura e aceleração. Na faixa de 30 a 90 °C, a sensibilidade à temperatura é de 8,66 pm/°C, a sensibilidade à aceleração é de 20,19 pm/g e a largura de banda operacional é de 10 a 200 Hz. Yan e Liang11 propuseram um novo acelerômetro FBG baseado em dobradiças flexíveis duplas paralelas, que consiste em duas dobradiças flexíveis circulares retas conectadas em paralelo, com faixa de medição de 30 a 200 Hz e sensibilidade de 54 pm/g. Linessio et al.12 propuseram um acelerômetro FBG bidimensional baseado em dobradiças flexíveis omnidirecionais, que tem a função de compensação de temperatura e é utilizado para medição de aceleração bidimensional. No entanto, esses sensores têm as desvantagens de alta frequência natural, baixa sensibilidade, etc., o que os torna difíceis de medir com precisão a vibração de baixa frequência na prática da engenharia.

Ao projetar o sensor de aceleração FBG, o índice de desempenho do sensor é o padrão para medir a qualidade do sensor. Vários desses indicadores são comuns e todos os tipos de sensores FBG precisam ser usados, enquanto outros indicadores dificilmente são usados. Esses indicadores atendem principalmente às necessidades de sensores FBG especiais. Indicadores comuns incluem principalmente sensibilidade, largura de banda operacional, linearidade e capacidade anti-interferência lateral. Visando a baixa sensibilidade do sensor de aceleração FBG na medição de vibração de baixa frequência, este trabalho propõe um sensor de aceleração FBG com a combinação de feixe rígido em forma de L e estrutura de mola baseada em rolamentos, o que o torna adequado para a medição de vibração de baixa frequência sinais de vibração, como terremotos e barragens. Os softwares Origin e COMSOL foram usados ​​para realizar análises teóricas e de simulação na estrutura do sensor, os sensores reais foram desenvolvidos e um sistema de teste foi construído para testar o desempenho do sensor.