新しいL

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12511 (2022) この記事を引用

899 アクセス

1 引用

メトリクスの詳細

加速度検出は、地震監視、構造健全性監視、資源探査の分野において重要な技術です。 FBG加速度センサによる低周波振動計測において顕著な低感度化に対し、L字型剛梁と軸受によるバネ構造を組み合わせたFBG加速度センサを提案し、L字型剛梁を利用して振動を増幅する。振動信号を伝達し、両端のベアリングで固定することで横クロストークを効果的に抑制します。 センサーの感度と固有振動数に対する構造パラメータの影響は、原点理論を使用して分析され、そのようなパラメータが最適化されました。 次に、COMSOL を使用して静的応力およびモーダル シミュレーション解析を実行しました。 最終的に、実際のセンサーのパフォーマンスをテストするためのテスト システムが構築されました。 その結果によると、固有振動数が57Hzの加速度センサーは、1～35Hzの低周波範囲でフラットな感度応答を示し、ダイナミックレンジは89.83dB、加速度感度は最大1241.85pm/となる。 g、感度フィットの決定係数 R2 は 0.9997、横クロストークは動作周波数帯域内で -26.20 dB です。 この結果は、FBG 加速度センサーの低周波振動測定能力を向上させるための参考となります。

FBGセンシング技術に基づく振動センサは、高感度、低伝送損失、強力な電磁耐性などの特徴を備えています1,2。 加速度、温度、変位、圧力、pH、湿度、磁場などの FBG センサーを同じ光ファイバー内で多重化することで、従来の電気センサーでの複数のセンサーと太いケーブルの使用の必要性、および弱い耐干渉性の欠点を克服できます。能力3、4、5。 地震監視、構造健全性監視、国土安全保障、航空宇宙、資源探査などの振動測定において重要な役割を果たします6。

近年、FBG 加速度センサは、主に加速度センサの構造設計と弾性要素の選択に焦点を当て、国内外の研究者によって広範かつ集中的に研究されています 7,8。 現在、FBG 加速度センサーの弾性要素には主に片持ち梁、ダイアフラム、ヒンジ、スプリングが含まれます。 Casas Ramos と Sandoval Romero9 は、固有振動数 227.3 Hz、動作帯域幅 10 ～ 210 Hz、センサー分解能 0.006 g、直線性と相対感度誤差がそれぞれ 1.9% と ± 4.4% の新しいカンチレバー FBG 振動センサーを提案しました。 Li et al.10 は、リアルタイムのデカップリングと温度と加速度の測定を実現できる、ダイアフラム構造を備えた FBG センシングに基づく加速度センサーを提案しました。 30 ～ 90 °C の範囲では、温度感度は 8.66 pm/°C、加速度感度は 20.19 pm/g、動作帯域幅は 10 ～ 200 Hz です。 Yan と Liang11 は、平行二重フレキシブル ヒンジに基づく新しい FBG 加速度計を提案しました。これは、並列に接続された 2 つの右円形フレキシブル ヒンジで構成され、測定範囲は 30 ～ 200 Hz、感度は 54 pm/g です。 Linessio et al.12 は、温度補償機能を備え、2 次元加速度の測定に使用される、全方向性フレキシブル ヒンジに基づく 2 次元 FBG 加速度計を提案しました。 しかし、これらのセンサーは固有振動数が高い、感度が低いなどの欠点があり、工学的に低周波振動を正確に測定することが困難です。

FBG 加速度センサーを設計する際、センサーの品質を測る基準となるのがセンサーの性能指標です。 これらのインジケーターのいくつかは共通であり、あらゆる種類の FBG センサーを使用する必要がありますが、他のインジケーターはほとんど使用されません。 これらのインジケーターは主に特殊な FBG センサーのニーズを満たすためのものです。 一般的な指標には、主に感度、動作帯域幅、直線性、横方向の耐干渉能力が含まれます。 低周波振動の測定におけるFBG加速度センサの感度が低いことに着目し,本論文は,L字型剛体ビームとベアリングに基づくバネ構造を組み合わせたFBG加速度センサを提案する。これにより,低周波振動の測定に適するようになる。地震やダムなどの振動信号。 Origin と COMSOL ソフトウェアを使用してセンサー構造の理論分析とシミュレーション分析を実行し、実際のセンサーが開発され、センサーの性能をテストするためのテスト システムが構築されました。

L型剛体梁と軸受によるバネ構造を組み合わせたFBG加速度センサは、図1に示すようにモデル化されます。主にシェル、軸受座（内部に軸受が組み込まれています）、L型剛体梁、質量で構成されます。ブロック、スプリング、レベリングナット、振幅制限構造など。ベアリングはベアリングシートに取り付けられ、2つのベアリングカバーで完全に固定されました。 マスブロックとL型剛体ビームはレベリングナットにより水平に保たれていました。 直径 1 mm のスロットが、短い L 字型の剛性ビーム、シェル、および振幅制限構造の対応する位置に形成され、そこを 2 本の光ファイバーが通過し、プレストレスを与えた後に固定され、グレーティング ゾーンへの取り付けによって引き起こされる FBG チャープを回避しました。 。 L字型ビームの端面を厚さよりも幅が大きい長方形に設計し、両端をベアリングで固定することで曲げ剛性を向上させ、横クロストークの影響を低減しました。 振幅制限構造により、マスブロックの振動振幅を制限し、FBG の破損を効果的に保護します。 回転シャフトを使用することにより、センサー構造をより安定に保つことができ、幾何学的非線形性の影響を排除できます。

センサーの構造モデリング。

外部振動が発生すると、センサ全体が振動信号13に応じて動き、その加速度により質量ブロックに逆向きの慣性力が発生し、慣性力によって質量ブロックが上下に振動し、L字型ビームが回転します。ベアリングに影響を与え、マスブロックの振動をグレーティングの均一な歪みに変換し、その反射光の中心波長に影響を与えます。 反射光の中心波長のドリフトは質量ブロックの直線変位に比例し、加速度にも比例します。 したがって、反射光の中心波長のドリフトを測定することで加速度を求めることができ、外部振動のセンシングを実現することができる。 また、L 字型の剛体ビームの両側に 2 つの FBG が取り付けられているため、センサが振動すると 2 本の光ファイバは逆方向に変形します。つまり、反射光の中心波長のドリフトの大きさは等しくなります。方向が反対であり、2 本のファイバーに対する温度の影響は同じです。 両者を区別することで温度補償や感度アップの効果が得られます。

従来の片持ち梁構造では、振動信号により質量ブロックが上下に動き、片持ち梁は質量ブロックの振動方向とは逆の水平方向に配置されるため、片持ち梁の軸ひずみは次のようになります。大幅に減少しました。 この論文では、片持ち梁構造の代わりにバネを使用します。 スプリングの変位はマスブロックの変位と一致するため、ひずみ情報がより適切に伝達され、センサーの感度が向上します。 同時に、L 字型の剛体ビーム構造を使用して、三角形相似原理を使用して FBG での変位を増幅します。 、センサーの感度をさらに高めることができます。

センサの構造振動モデルを図2に示します。 センサの感応方向に加振信号の加速度 \(a\) が作用すると、慣性力により質量ブロックがベアリングを中心に微振動します。

構造振動モデル。

加速度 \(a\) がセンサーに加わったとき、シェルに対する質量ブロックの変位 \(\Delta x_{2}\) は次のように表すことができます。

ここで、\(w_{0}\) はシステムの固有角周波数、\(m\) は質量ブロックの質量、\(K\) は構成されたシステムの総弾性係数 (N/m) です。光ファイバーとバネのこと。

2 本の光ファイバーのうち 1 本が \(\Delta x_{1}\) だけ伸び、もう 1 本が \(\Delta x_{1}\) だけ縮むとすると、光ファイバーの合力は次のようになります。

ここで \(k_{1}\) は光ファイバーの弾性係数です。 光ファイバーのヤング率を \(E_{f}\)、断面積を \(A_{f}\)、光ファイバーの有効長を \(l\) とすると、 \( k_{1} = \frac{{E_{f} A_{f} }}{l}\)。

光ファイバーの中心から回転軸の中心までの距離を \(L_{1}\)、質量ブロックの中心から軸受の中心までの距離を \(L_{2}\) とすると、光ファイバーによって質量ブロックに伝わる力を \(N\) とすると、モーメントのつり合いから次の式が得られます。

マス ブロックの力の合計解析により、ばねの変形によって生じる弾性力は \(F_{2}\)、変形量は \(\Delta x_{2}\) であることがわかります。力は \(F = F_{2} + N\) です。 以下のものが得られます

ここで、\(k_{2}\) はバネの弾性係数です。 ばねのせん断弾性率を \(G\)、外径を \(D\)、線径を \(d\)、ばねの有効巻き数を \(N_{c }\)、次に \(k_{2} = \frac{{G \times d^{4} }}{{8N_{c} \times (D - d)^{3} }}\)。 以下は同様の \(\frac{{L_{1} }}{{L_{2} }} = \frac{{\Delta x_{1} }}{{\Delta x_{2} }} によって取得できます\)

この場合、光ファイバーのひずみ \(\varepsilon\) は次のようになります。

最後に、FBG 加速度センサーの感度は \(S\) として得られます。

ここで、\(\lambda_{B}\) はグレーティングの中心波長、\(P_{e}\) は光ファイバーの実効弾性率です。

FBG 加速度センサーの固有振動数 \(f\) は、

FBG 加速度センサーの設計では、サイズに関連するパラメーターの初期仕様が必要であり、残りのパラメーターは感度を最大化するために最適化されます。 ほとんどの民間インフラの固有周波数は 0 ～ 20 Hz の範囲内であり、自然地震における地域的および局所的な地震周波数は一般に 30 Hz を超えないため、設計された加速度センサーはこの値よりも高い固有周波数を示す必要がありますが、十分に低くなければなりません。感度を最大化し、ノイズを最小限に抑えるために、0 ～ 30 Hz のフラットな感度応答が必要です。

それは式から見ることができます。 (7) と (8) センサーの感度と固有振動数は、マスブロックの質量 \(m\)、ショートビームの比 \(L_{1} /L_{2}\) に直接影響されるL 字型剛体梁の長尺梁に対するばね弾性係数 \(k_{2}\) と光ファイバの有効長 \(l\) です。 FBG のグレーティング ゾーンの長さは一般に 10 mm で、この構造に選択された光ファイバの実効長は 15 mm です。 Origin ソフトウェアを使用して、マスブロックの質量 \(m\)、L 字型剛体梁の長梁に対する短梁の比率 \(L_{1} /L_{2}\)、およびばね係数の影響を解析しました。センサーの感度と固有振動数に対する弾性 \(k_{2}\) の関係。 センサ内部のL型剛性ビームとマスブロックには剛性が高く密度の高い黄銅合金を、バネには弾性に優れたばね鋼を採用しました。 FBG加速度センサの材料パラメータを表1に示します。

図 3 は、係数を 10 から 80 g まで変化させて、質量 \(m\) がセンサーの感度と固有振動数に及ぼす影響を示しています。

\(S\) と \(f\) に対する \(m\) の影響。

図3に示すように、質量の異なるマスブロックはセンサーの感度と固有振動数に大きな影響を与えました。 質量が大きいほど感度は高くなり、センサーの固有振動数は低くなります。 \(m\) = 10 g の場合、センサーの固有振動数は約 120 Hz に達し、感度はわずか 220 pm/g です。 \(m\) = 80 g の場合、センサーの固有振動数は約 42 Hz に減少し、感度は 2000 pm/g に増加しました。 低周波測定の要件を満たすために、マスブロックの質量を 40 g に選択しました。この場合、センサーの固有振動数は約 60 Hz、感度は 1000 pm/g 以上でした。

図 4 は、係数を 0 から 1.5 まで変化させて、比率 \(L_{1} /L_{2}\) がセンサーの感度と固有振動数に及ぼす影響を示しています。

\(S\) と \(f\) に対する \(L_{1} /L_{2}\) の影響。

図4に示すように、\(L_{1} /L_{2}\)の増加に伴い、センサーの固有振動数は連続的に増加し、感度は最初に増加し、その後減少しました。 比率が 0.1 に達すると、固有振動数は 40 Hz 未満になり、感度は 1380 pm/g に増加しました。 比率が 0.2 に達すると、固有振動数は約 60 Hz に達し、感度は約 1100 pm/g になります。 比率が 0.4 に達すると、固有振動数は 100 Hz を超えて増加し、感度はわずか 250 pm/g まで低下しました。 この比率が 0.4 より大きい場合、この論文の設計要件は満たされません。 低周波測定の要件を満たすために、\(L_{1} /L_{2}\) を 0.2 に選択しました。

ばねの弾性係数 \(k_{2}\) を 500 N/m から 2000 N/m に変更し、他のパラメータをそれぞれ理論導出式に代入して、 \(k_{2}\) の効果を取得します。図 5 に示すように、センサーの感度と固有振動数。

\(S\) と \(f\) に対する \(k_{2}\) の影響。

図 5 は、バネの弾性係数 \(k_{2}\) が、係数を 500 N/m から 2000 N/m まで変化させることによる、センサーの感度と固有振動数に及ぼす影響を示しています。

図5に示すように、バネの弾性係数 \(k_{2}\) はセンサーの感度に大きな影響を与えますが、固有振動数にはほとんど影響を与えませんでした。 \(k_{2}\) が 500 N/m から 2000 N/m に変化すると、感度は 1100 pm/g から 860 pm/g に減少しました。 したがって、弾性要素として弾性係数が 1000 N/m 程度のバネが選択され、この場合のセンサーの固有振動数は 60 Hz 程度となり、感度は 1000 pm/g 以上となります。

低周波測定の工学用途のニーズによれば、センサーのサイズと重量を考慮して、固有振動数が 50 Hz より高く、感度が約 1000 pm/g であることを確認する必要があります。 構造パラメータの分析に基づいて、実現されたセンサーの構造パラメーターを表 2 に示します。センサーは Solidworks でモデル化され、結果はセンサー構造の静応力およびモーダル シミュレーション解析のために COMSOL ソフトウェアにインポートされました。

センサ下端に一定の拘束を与え、全体に2gの加速度を加えたモデルの等価変位図を図6に示します。自由端での変位が最も大きく、自由端から支持端に向かって徐々に減少し、マスブロックの最大変位は0.108 mm、振幅制限位置での剛体ビームの変位は0.033 mm、Lの変位は光ファイバーを取り付けた位置のコの字型剛体ビームは0.014mmでした。 したがって、センサ構造は自由端の変位や歪みに応答でき、変形は光ファイバの物性に影響を与えず、センサの安定性を確保できます。

構造物の静的応力解析。

モデルはモーダル解析モジュールに入れられ、全体としてメッシュ化されました。 モデルの最初の 4 次モードが分析され、1 次、2 次、3 次、4 次モードの周波数がそれぞれ 60.71 Hz、457.53 Hz、694.01 Hz、930.66 Hz であることが特定されました。 つまり、構造の固有振動数は 60.71 Hz であり、構造パラメータの最適化後のセンサーの固有振動数が約 60 Hz であるという目標を達成しました。 また、1次モードの周波数と2次、3次、4次モードの周波数の差が大きく、相互結合が小さく、相互干渉が効果的に低減されていることを示しています。 1 次と 2 次を図 7 に示します。

構造のモード解析。

理論解析とシミュレーション解析の結果によると、開発したFBG加速度センサを図8に示します。テスト前に、グレーティングゾーンでの取り付けによって引き起こされるチャープを避けるために、光ファイバを2点取り付け技術で取り付けました。 まず、光ファイバの一端をL字型剛体ビームの短いビームのスロットに配置し、UV接着剤で接着し、UVランプで40秒間照射した後に固定した。 光ファイバーの端には 20 g の重りでプレストレスを与え、UV 接着剤と UV ランプで固定しました。 2 番目の光ファイバーは最初の光ファイバーと同じ方法で取り付けられました。

FBG加速度センサーの物理プロトタイプ。

実験用振動システムは、図9に示すように、FBG加速度センサ、振動台、信号発生器、信号増幅器、ファイバグレーティング復調器（光源内蔵）、コンピュータで構成されています。振動台システムには、MWY-JZQ50校正台が含まれています。 、最大振幅 12.5 mm、最大加速度 45.5 g。 サンプリングレート1 GSa/aの信号関数発生器。14の疑似波形機能と豊富な標準構成インターフェースを備えています。 および信号増幅器 (MWY-TZQ50) は、周波数応答範囲が 1 ～ 15,000 Hz で、信号対雑音比が 75 dB を超え、信号関数発生器と整合して関数信号を増幅します。 実験で使用したファイバーグレーティング復調器（MWY-FBG-CS800）は、最大サンプリングレート1kHz、分解能0.1pmで1528～1568nmの範囲の波長を復調できます。 接続部品として使用されるサーキュレータは、広帯域光源の光波を加速度センサに伝達します。 FBGを通過した後、特定の波長範囲の光は反射され、サーキュレータを介して復調器に送信され、光波の波長変化によって運ばれる情報が復調されます。

センサーのテストシステム。

温度応答試験用の実験装置は、FBG加速度センサ、温度制御ボックス、ファイバグレーティング復調器、コンピュータから構成されます。 実験では環境温度が唯一の変数として設定されました。 FBG加速度センサーは温度制御ボックスに設置されており、他の環境パラメータを変更せずに変数を制御する目的を効果的に達成できます。 温度制御ボックスの初期温度変化点を -20 °C、終点を 60 °C、ステップ サイズを 10 °C に設定します。 図10に示すように、各ノードの温度が平衡に達したら、その温度を2分間維持し、FBG中心波長の変化を測定し、データを記録および分析し、最後にデータを正規化しました。

中心波長に対する温度の影響。

図10に示すように、温度の変化はFBG加速度センサの計測精度や精度に大きな影響を与えます。 単一の FBG に対する温度変化の影響は 16.32 pm/°C であり、測定された周囲温度が 60 °C まで変化すると、FBG の中心波長への影響は 800 pm に達するため、この影響を除去することが非常に重要です。振動モニタリングにおける温度の変化。 ただし、ダブル FBG 加速度センサに対する温度の影響は 0.11 pm/°C でした。これは、ダブル ファイバ構造が FBG 加速度センサに対する測定周囲温度の影響を大幅に改善でき、次の機能を実現できることを示しています。周囲温度の変化を自己補償します。

センサの応答特性を試験するため、振動台の出力加速度振幅を 3 m/s2、振動周波数をそれぞれ 10 Hz、20 Hz に設定しました。 FBG加速度センサーによって測定された時間領域信号と、対応する周波数領域信号を図11に示します。

センサーの出力応答曲線。

図 11 に示すように、測定された信号の品質は良好であり、センサーは外部からの正弦波励振入力を良好に取得できました。 そのままの正弦波は、FBG がチャープやマルチピークのない均一な応力下にあることを示しました。 同じ加速度入力下で 2 つの異なる周波数ポイントで測定された時間領域曲線の振幅は類似しており、センサーが動作周波数帯域で平坦な応答を持っていることが証明されています。

振動台の加速度は 3 m/s2 に設定し、信号発生器により 1 ～ 90 Hz の励振を発生させ、振動台の出力周波数を 5 Hz ステップで変化させ、自然周波数に近づくと 2 Hz に低下させました。センサーの周波数、および FBG1 と FBG2 の中心波長の変化が記録されました。 加速度センサの振幅-周波数応答曲線は計算により図12に示すように得られます。

センサーの振幅周波数特性。

図 12 に示すように、センサーには 1 ～ 35 Hz の良好な平坦ゾーンがあり、1 Hz が信号発生器によって生成できる最小振動周波数でした。 センサーの固有振動数は 57 Hz で、シミュレーション解析の理論値 60.71 Hz に近かったが、この誤差は加工時のセンサーの損失や光ファイバーの取り付け時に加えられたプレストレスに起因する可能性があります。

ダイナミック レンジはセンサーの重要なパラメーターの 1 つです。 FBG 加速度センサーの場合、ダイナミック レンジは、FBG 中心波長の最大ドリフト \(\lambda_{\max }\) と復調システムの分解能 \(\lambda_{\min }\) の対数比として表すことができます。その関係式は次のとおりです。

テストでは、FBG 中心波長の最大ドリフトは 3100 pm で、テスト システムで使用したファイバー グレーティング復調器の分解能は 0.1 pm でした。 FBG 加速度センサーのダイナミック レンジは 89.83 dB と計算されました。

センサーの感度によって、FBG 加速度センサーが弱い振動信号を拾う能力が決まります。 FBG 加速度センサーの感度は、特定の動作周波数における入力加速度に対する FBG 出力波長の変化の比率です。 FBG 加速度センサの感度テストでは、入力加速度に対する FBG 出力波長変化の比率だけでなく、入力加速度に対する FBG 出力波長変化の比率の直線性も決定する必要があります。 線形応答が優れているほど、センサーの動作性能が安定します。 センサの感度は、振動台の出力周波数をそれぞれ10Hz、20Hz、30Hzに設定し、加速度を1m/s2刻み、変動範囲1～5m/s2で変化させます。 、FBG1とFBG2の中心波長の変化を2つの異なる周波数で記録しました。 プロットされた直線近似線を図 13 に示します。

センサーの直線フィッティング曲線。

収集したデータの分析によると、入力周波数が 10 Hz、20 Hz、30 Hz の場合、加速度センサーの単心ファイバー感度はそれぞれ 617.5 pm/g、642.9 pm/g、659.4 pm/g となり、2 倍になりました。 - ファイバー感度はそれぞれ 1199.75 pm/g、1250.9 pm/g、および 1274.9 pm/g であり、構造パラメーターの最適化後に 1000 pm/g 以上のセンサー感度という目標を達成しました。 また、10 Hz、20 Hz、30 Hz における二重ファイバのフィット決定係数 R2 は、それぞれ 0.9995、0.9999、0.9997 でした。 結果は,FBG加速度センサの中心波長ドリフトと入力加速度振幅の間に良好な線形関係があり,二重ファイバが感度を高めることができることを示した。 テストにおけるセンサーの最小検出加速度は 0.05 m/s2 でした。

インパルスは、加速度振幅が大きく、より多くの振動周波数情報を含む過渡プロセスであり、インパルス応答は主に測定対象物の構造特性に依存します。 そこで、センサーの固有振動数を検証するためにインパルス応答実験を実施しました。 実験では、振動台を瞬間的に叩く方法を用いて、衝撃信号の発生を模擬しました。 センサーの出力を図 14 に示します。図 14a はインパルス応答の時間領域曲線を示し、図 14b は時間領域信号の FFT 後の周波数領域応答を示します。

インパルス応答曲線。

センサーの時間領域出力から、衝撃信号が生成される前に、FBG の中心波長はドリフトがゼロで、安定したままであることがわかります。 衝撃信号は0.2秒で発生し、中心波長の最大ドリフトは640pmで、その後徐々に弱まりました。 0.7 秒で、中心波長ドリフトはゼロに戻り、安定したままになりました。 センサーの周波数領域出力から、インパルス応答振幅のピークは 57 Hz にあり、周波数領域出力には他に明らかなピークがないことがわかります。 側面から見ると、センサーの固有振動数が約 57 Hz であることが示されており、これは振幅および周波数応答のテスト結果と一致しており、実験結果の正確性がさらに証明されています。

振動信号は方向性を持ったベクトル信号の一種であるため、1自由度のFBG加速度センサでは横方向の干渉耐性を考慮する必要があります。 センサーの横クロストークは、加速度励起信号が横方向に作用する場合のFBG中心波長ドリフトと、加速度励起信号が同じ周波数で主方向に作用する場合のFBG中心波長ドリフトの対数比です。

センサーは振動台に固定され、周波​​数 20 Hz、加速度 5 m/s2 の正弦波励振信号が設定されました。 同じ振動環境において、図 15 に示すように、センサーの横振動と縦振動の下での FBG 中心波長のドリフトを記録しました。結果によると、センサーの縦応答と横応答は 616.95 pm と 30.2 pm でした。このため、横方向クロストークは -26.20 dB と計算されました。これは、センサーが振動条件下で 1 自由度の振動と見なすことができ、強力な横方向干渉耐性を備えていることを示しています。

横方向干渉耐性テスト。

以上の実験を通じて、本論文で提案する L 字型剛梁構造の性能をテストし、冒頭で紹介したセンサとの性能比較を表 3 に示します。

表 3 より、本論文で提案する L 型剛梁 FBG 加速度センサは固有振動数が低いため、地震やダムなど 30 Hz 以下の低周波振動信号の計測が可能であることがわかります。 他の構造と比較して、「ベアリング・スプリング」方式を採用し、L字型の剛体ビームによりFBG部の変位を増幅させることで、センサの感度をさらに高めることができます。

FBG加速度センサによる低周波振動計測において顕著な低感度化に対し、L字型剛梁と軸受によるバネ構造を組み合わせたFBG加速度センサを提案し、L字型剛梁を利用して振動を増幅する。振動信号を伝達し、両端のベアリングで固定して横クロストークの影響を効果的に抑制し、振幅制限構造によりマスブロックの振動振幅を制限してFBGの破損を効果的に保護します。 調査結果によると、加速度センサーの固有振動数は 57 Hz、加速度感度は最大 1241.85 pm/g で、理論解析に近い値となっています。 誤差は、センサの加工誤差、取り付け誤差、接着剤の量、FBGのプレストレス、軸受の回転に存在する摩擦、実験用振動装置の精度等により発生する可能性があります。 加速度センサは低周波領域でフラットな感度応答を示します。動作周波数範囲は1～35Hz、ダイナミックレンジは89.83dB、感度フィットの決定係数R2は0.9997、横クロストークは動作周波数帯域内で-26.20dBで、リアルタイム性と高精度を実現できます。 -低周波の微弱な振動信号を高精度に測定します。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

後藤 博 ほか弾性フラッピング効果によって引き起こされる地震時の極端な加速。 科学。 議員9(1)、1117–1125 (2019)。

記事 ADS Google Scholar

Guo、Y.ら。 ファイバーブラッググレーティングセンサーベースの遠心モデルテストにおける斜面変形のモニタリング戦略。 Sens. Rev. 39(1)、71–77 (2019)。

記事 Google Scholar

Catalano、A. et al. ファイバーブラッググレーティングセンサーを使用した鉄道資産保護のための侵入検知システム。 センサー 14(10)、18268–18285 (2014)。

記事 ADS Google Scholar

グル・プラサド、AS 他足底ひずみ測定および姿勢安定性解析のためのファイバーブラッググレーティングセンシングプレートの設計と開発。 測定 47(1)、789–793 (2014)。

記事 ADS Google Scholar

Saha, S. & Biswas, K. ファイバーブラッググレーティングベースの傾斜センサーの比較研究。 Rev.Comput. 工学スタッド。 4(1)、41–46 (2017)。

Google スカラー

Yutang, D. et al. 統合マトリックス構造を備えた中高周波 FBG 加速度計。 応用オプション。 54(11)、3115–3121 (2015)。

記事 Google Scholar

マジュムダー、M.ら。 構造健全性モニタリングにおけるファイバー ブラッグ グレーティング - 現状と用途。 Sens. Actuators A 147(1)、150–164 (2008)。

記事 CAS Google Scholar

カーン、MM 他。 自己温度補償を備えた修正されたカンチレバー ビーム形状の FBG ベースの加速度計。 Sens. Actuators、A 205(6)、79–85 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

マサチューセッツ州カサス・ラモス & ジョージア州サンドバル・ロメロ 光ファイバー機械振動センサー。 ヴィブロエン。 プロセディア 12、84–87 (2017)。

記事 Google Scholar

リー、T.ら。 温度補償機能を備えたダイアフラムベースのファイバーブラッググレーティング加速度センサー。 センサー 17(1)、218–229 (2014)。

ADS Google Scholar

Yan、B. & Liang、L. 平行二重フレキシブル ヒンジに基づく新しいファイバー ブラッグ グレーティング加速度計。 IEEE Sens. J. 20(9)、4713–4718 (2020)。

記事 ADS Google Scholar

Linesio、RP et al. 二軸光ファイバー加速度計を使用した誘導モーターの振動モニタリング。 IEEE Sens. J. 16(22)、8075–8082 (2016)。

記事 ADS Google Scholar

Parida, OP、Thomas, J. & Asokan, S. ダブル L カンチレバー ベースのファイバー ブラッグ グレーティング加速度計。 IEEE Sens. J. 19(2)、11247–11254 (2019)。

記事 ADS CAS Google Scholar

リファレンスをダウンロードする

本研究は、国家重点研究開発プログラム事業（補助金NO 2019YFC1509500）、「中央大学基礎科学研究事業費」大学院科学技術イノベーション基金事業（補助金NO ZY20210304）による資金援助を受けました。

中国地震局地球物理研究所、北京、100081、中国

Yuntian Teng、Yixiang Tang、Xiaomi Wang、Caihua Li、Zhonchao Qiu

河北地震災害計測および監視技術重点研究所、三河市、065201、中国

Yuntian Teng、Yewei Wang、Yixiang Tang、Xiaomi Wang、Caihua Li、Zhonchao Qiu

防災研究所、三河市、065201、中国

Yewei Wang & Zhonchao Qiu

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

各著者の貢献は次のとおりです。 YT: 原稿の執筆者であり、分析を実施しました。 YW と YT: センサーの構造を設計し、センサーの実験と原稿の執筆を担当します。 XW：センサー部品の加工、実験結果の解析、原稿執筆・解析の監修。 CL: 原稿執筆と分析の監修。 ZQ：原稿執筆と分析の監修。

唐宜祥への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

オープン アクセス この記事はクリエイティブ コモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブ コモンズ ライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。 この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれています。 素材が記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。 このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Teng, Y.、Wang, Y.、Tang, Y. 他新型L型剛ビームFBG加速度センサ。 Sci Rep 12、12511 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-15940-x

引用をダウンロード

受信日: 2021 年 11 月 26 日

受理日: 2022 年 7 月 1 日

公開日: 2022 年 7 月 22 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15940-x

次のリンクを共有すると、誰でもこのコンテンツを読むことができます。

申し訳ございませんが、現在この記事の共有リンクは利用できません。

Springer Nature SharedIt コンテンツ共有イニシアチブによって提供

科学レポート (2023)

コメントを送信すると、利用規約とコミュニティ ガイドラインに従うことに同意したことになります。 虐待的なもの、または当社の規約やガイドラインに準拠していないものを見つけた場合は、不適切としてフラグを立ててください。