Una nuova l

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12511 (2022) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

Il rilevamento dell’accelerazione è una tecnologia importante nei campi del monitoraggio sismico, del monitoraggio della salute strutturale e dell’esplorazione delle risorse. Un sensore di accelerazione FBG con la combinazione di trave rigida a forma di L e struttura a molla basata su cuscinetti viene proposto contro la bassa sensibilità che predomina nella misurazione delle vibrazioni a bassa frequenza da parte dei sensori di accelerazione FBG, dove la trave rigida a forma di L viene utilizzata per amplificare la segnale di vibrazione ed è fissato dai cuscinetti su entrambe le estremità per sopprimere efficacemente la diafonia trasversale. Gli effetti dei parametri strutturali sulla sensibilità e sulla frequenza naturale dei sensori sono stati analizzati utilizzando la teoria dell'Origine e tali parametri sono stati ottimizzati; successivamente, è stata effettuata l'analisi delle sollecitazioni statiche e della simulazione modale utilizzando COMSOL; alla fine è stato costruito un sistema di test per testare le prestazioni dei sensori reali. Secondo i risultati, il sensore di accelerazione, la cui frequenza naturale è 57 Hz, ha una sensibilità piatta nella gamma delle basse frequenze di 1–35 Hz, con una gamma dinamica di 89,83 dB, una sensibilità di accelerazione fino a 1241,85 pm/ g, il coefficiente di determinazione R2 per l'adattamento della sensibilità è 0,9997 e la diafonia trasversale è -26,20 dB all'interno della banda di frequenza operativa. I risultati offrono un riferimento per migliorare la capacità di misurazione delle vibrazioni a bassa frequenza dei sensori di accelerazione FBG.

Il sensore di vibrazioni basato sulla tecnologia di rilevamento FBG presenta elevata sensibilità, bassa perdita di trasmissione, forte immunità elettromagnetica, ecc.1,2. Il multiplexing di sensori FBG come accelerazione, temperatura, spostamento, pressione, pH, umidità e campo magnetico nella stessa fibra ottica può superare la necessità di utilizzare più sensori e cavi pesanti nei sensori elettrici tradizionali, nonché le carenze di deboli anti-interferenze capacità3,4,5. Svolge un ruolo importante nelle misurazioni delle vibrazioni per il monitoraggio sismico, il monitoraggio della salute strutturale, la sicurezza nazionale, l'aerospaziale, l'esplorazione delle risorse, ecc.6.

Negli ultimi anni, i sensori di accelerazione FBG sono stati ampiamente e intensamente studiati da ricercatori nazionali e stranieri, che si concentrano principalmente sulla progettazione strutturale e sulla selezione degli elementi elastici dei sensori di accelerazione7,8. Allo stato attuale, gli elementi elastici del sensore di accelerazione FBG comprendono principalmente trave a sbalzo, diaframma, cerniera e molla. Casas Ramos e Sandoval Romero9 hanno proposto un nuovo sensore di vibrazioni FBG a sbalzo con frequenza naturale di 227,3 Hz, larghezza di banda operativa di 10–210 Hz, risoluzione del sensore di 0,006 g, linearità e errore di sensibilità relativa rispettivamente di 1,9% e ± 4,4%. Li et al.10 hanno proposto un sensore di accelerazione basato sul rilevamento FBG con struttura a diaframma, in grado di realizzare il disaccoppiamento e la misurazione in tempo reale della temperatura e dell'accelerazione. Nell'intervallo 30–90 °C, la sensibilità alla temperatura è 8,66 pm/°C, la sensibilità all'accelerazione è 20,19 pm/g e la larghezza di banda operativa è 10–200 Hz. Yan e Liang11 hanno proposto un nuovo accelerometro FBG basato su doppie cerniere flessibili parallele, che consiste di due cerniere flessibili circolari destre collegate in parallelo, con il campo di misurazione di 30–200 Hz e la sensibilità di 54 pm/g. Linessio et al.12 hanno proposto un accelerometro FBG bidimensionale basato su cerniere flessibili omnidirezionali, che ha la funzione di compensazione della temperatura e viene utilizzato per la misurazione dell'accelerazione bidimensionale. Tuttavia, questi sensori presentano gli svantaggi di elevata frequenza naturale, bassa sensibilità, ecc., che rendono difficile la misurazione accurata delle vibrazioni a bassa frequenza nella pratica ingegneristica.

Quando si progetta il sensore di accelerazione FBG, l'indice di prestazione del sensore è lo standard per misurare la qualità del sensore. Molti di questi indicatori sono comuni e devono essere utilizzati tutti i tipi di sensori FBG, mentre altri indicatori sono difficilmente utilizzati. Questi indicatori servono principalmente per soddisfare le esigenze dei sensori FBG speciali. Gli indicatori comuni includono principalmente sensibilità, larghezza di banda operativa, linearità e capacità anti-interferenza laterale. Puntando alla bassa sensibilità del sensore di accelerazione FBG nella misurazione delle vibrazioni a bassa frequenza, questo documento propone un sensore di accelerazione FBG con la combinazione di trave rigida a forma di L e struttura a molla basata su cuscinetti, questo lo rende adatto per la misurazione di vibrazioni a bassa frequenza segnali di vibrazione come terremoti e dighe. Sono stati utilizzati i software Origin e COMSOL per effettuare analisi teoriche e di simulazione sulla struttura del sensore, sono stati sviluppati i sensori reali ed è stato costruito un sistema di test per testare le prestazioni del sensore.