双光纤光栅推挽式加速度传感器设计与研究

论文摘要

从上世纪九十年代开始,国内外许多科研机构与学者在光纤光栅传感技术领域当中的努力研究,开辟了一个光纤光栅传感的新纪元。在诸多的光纤光栅传感器当中,发展比较迅速的就是基于光纤光栅的振动加速度传感器。进入21世纪,世界各个国家的科研机构展开了对海洋海底板块地震波以及地壳的地震监测新型传感系统的研究,基于光纤光栅的加速度传感器由于其结构简单,低功耗而备受青睐。在整个监测传感系统中,目前主要的工作还是制作一种基于光纤光栅的具有简单机械结构及低复杂度解调系统的加速度传感器。本文在对光纤光栅传感技术以及实现加速度测量原理和技术的系统分析的基础上,提出了一种新型的双光纤光栅推挽式加速度传感器设计与解调方案。论文的主要内容有：首先,从光纤光栅传感理论入手,分析了光纤光栅的应变传感特性,提出了一种新型的光纤光栅加速度传感器设计,该设计采用两个光纤光栅作为传感部件,并对这种新型FBG加速度传感器建立数学模型,分析了它的力学特性以及特征方程,并进行理论推导与有限元分析,证实了所设计的新型FBG加速度传感器能够实现加速度测量。详细介绍了新型FBG加速度传感器的机械结构设计与加工组装。其次,系统分析对比目前较成熟的光信号解调技术,针对双光纤光栅结构的特殊性以及其光谱特性,提出了与其相适应的光强直接调制-解调（IM-DD）系统。理论推导出双光纤光栅反射光强与其相对应变的关系,仿真出其理论曲线。最终证实了光强度直接调制-解调技术可以用来作为新型加速度传感器的解调方法。详细介绍了整个传感光路以及信号解调单元。最后,设计实验方案,利用实验室资源搭建实验平台。进行所设计的传感器与电磁式加速度传感器的稳态正弦激励的对比试验,验证了系统的稳定性与可靠性,综合对比分析两种加速度传感器的实验数据,检验所设计的传感器存在的不足；同时利用LabView上位机软件存储实验数据,方便后续数据分析工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景与意义
• 1.2 光纤光栅振动传感器的研究现状
• 1.3 论文的内容安排
• 第二章 光纤光栅传感特性研究
• 2.1 光纤光栅的传感原理
• 2.1.1 光纤光栅模式耦合理论
• 2.1.2 光纤光栅传感器基础
• 2.1.3 光纤光栅的轴向应变传感特性
• 2.1.4 光纤光栅的横向应变传感特性
• 2.1.5 光纤光栅传感器交叉敏感问题及解决方法
• 2.2 基于FBG的加速度传感器的传感模型及其分析
• 2.2.1 光纤光栅加速度传感器原理性结构
• 2.2.2 原理性结构的有限元分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 双光纤光栅加速度传感器的设计与研究
• 3.1 双光纤光栅加速度传感器的设计
• 3.1.1 双光纤光栅加速度传感器的基础结构
• 3.1.2 传感模型
• 3.1.3 动态特性分析
• 3.2 两分量加速度传感器原理分析
• 3.2.1 传感模型与受力分析
• 3.2.2 温度隔离与横向灵敏度
• 3.3 双光纤光栅加速度传感器机械结构设计
• 3.4 双光纤光栅机械结构的有限元分析
• 3.4.1 实体建模
• 3.4.2 双光纤光栅加速度传感器的力学特性分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 双光纤光栅加速度传感器信号解调系统
• 4.1 光信号解调技术
• 4.1.1 边缘滤波器法
• 4.1.2 可调谐滤F-P滤波器
• 4.1.3 基于干涉扫描法的信号解调系统
• 4.2 双光纤光栅加速度传感器光信号解调系统
• 4.2.1 光强度调制—直接检测技术
• 4.2.2 双光纤光栅加速度传感器解调系统原理
• 4.2.3 温度补偿以及横向灵敏度隔离
• 4.3 光信号解调系统
• 4.3.1 宽带光源
• 4.3.2 光纤隔离器
• 4.3.3 光纤耦合器
• 4.3.4 光电探测器
• 4.4 双光路光电转换电路设计
• 4.4.1 前置放大电路设计
• 4.4.2 主放大电路与滤波电路
• 4.4.3 供电系统设计
• 4.4.4 双光路差分电路
• 4.4.5 整个电路设计中注意的问题
• 4.5 本章小结
• 第五章 加速度传感器实验与数据分析
• 5.1 实验准备工作
• 5.1.1 传感器组装
• 5.1.2 光学器件的规格
• 5.2 加速度传感器的振动实验
• 5.2.1 稳态正弦激振实验原理
• 5.2.2 数据采集系统设计
• 5.2.3 上位机软件系统设计
• 5.2.4 实验结果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间参与的项目与发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表