高频响应光纤布喇格光栅加速度传感器的研究

论文摘要

在航空航天、机电工程、石油等大型结构系统中,存在着复杂的动力学问题,必须对它们进行高质量的振动测试与分析,以保证工程结构的安全运行。因此,研制一种新型的加速度传感器用于振动领域的安全监测有着重大的经济意义与社会意义。自从1978年光纤光栅问世以来,研究人员便开始了对光纤光栅传感器的研究。与电类传感器比较,光纤光栅传感器具有频率响应范围大、本质防电、抗电磁干扰、信号传输距离远等优势。由于光栅的栅格结构嵌于光纤内部,与其它干涉类光纤传感器比较,具有体积小、重量轻、结构简单、容易组网等特点,因此,光纤光栅传感器一经出现,便受到世界范围的普遍关注。经过近二十年的研究和发展,人们研制了温度、应力、应变、压力、振动、位移等传感器,其中有些技术(如温度、应力应变、压力等传感器)已经发展成熟,并取得了很好的工程应用效果。人们在光纤光栅振动传感器方面也开展了大量研究工作,解决了诸如“高速波长解调”和“温度补偿”等关键技术问题,但是,频率响应指标一直无法满足机电与航空领域的应用要求。目前,研制的光纤光栅振动类传感器大多采用悬臂梁结构,这种结构传感器的响应频率受到灵敏度的制约,谐振频率局限在几百赫兹以内。本文在一般振动加速度传感器的设计方法上,结合光纤光栅传感技术,提出了光纤光栅加速度传感器的一般设计方法,并通过深入的研究,研制出了一种高频响应的光纤光栅加速度传感器,并从理论上详细分析和解决了影响光纤光栅加速度传感器性能的因素,通过结构参数的优化设计,设计了一种高频响应的新型光纤Bragg光栅加速度传感器,且对所研制的光纤光栅加速度传感器进行了系统的实验研究,实验结果表明我们研制的光纤光栅加速度传感器具有谐振频率3232Hz、量程0.1～4g、线性灵敏度669mv/g的较好特性,实验结果与理论研究具有良好的一致性,通过对传感器结构参数的进一步优化,还可将传感器的特性参数进一步提高。本文通过对所研制的高频响应光纤布喇格光栅加速度传感器从理论和实验上进行的可行性研究,可以认为本文设计的光纤光栅加速度传感器是比较成功的,本文的研究成果具有广阔的市场前景,将发挥巨大的经济与社会意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题确立的目的与意义
• 1.2 光纤Bragg光栅加速度传感器的研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容以及创新点
• 第二章 光纤Bragg光栅的传感机理及其解调方案
• 2.1 光纤Bragg光栅的基本原理
• 2.1.1 光纤光栅的温度特性
• 2.1.2 光纤光栅的轴向应力特性
• 2.1.3 光纤光栅的横向应力特性
• 2.2 光纤Bragg光栅传感系统和传感网络基本构成
• 2.2.2 传感系统
• 2.2.3 传感网络
• 2.3 光纤Bragg光栅传感常用解调技术
• 2.3.1 光谱仪检测法
• 2.3.2 匹配光栅法
• 2.3.3 可调谐法布里—珀罗腔法
• 2.3.4 边缘滤波器法
• 2.3.5 可调谐光源法
• 2.4 本文的解调方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 光纤光栅加速度传感器的结构设计
• 3.1 加速度传感器设计的一般方法
• 3.1.1 力学模型和特性方程
• 3.1.2 加速度传感器动态特性分析
• 3.2 光纤Bragg光栅加速度传感器理论分析与设计方法
• 3.2.1 光纤Bragg光栅加速度传感器的一般结构设计
• 3.2.2 光纤Bragg光栅加速度传感器的动态特性分析
• 3.2.3 光纤Bragg光栅加速度传感器的主要性能参数分析
• 3.3 一种高频响应的光纤Bragg光栅加速度传感器的设计
• 3.3.1 传感器结构设计以及工作原理
• 3.3.2 传感器的结构尺寸确定
• 3.3.3 传感器的解调原理
• 3.4 传感器的性能分析
• 3.4.1 传感器的谐振特性分析
• 3.4.2 传感器的灵敏度特性分析
• 3.4.3 传感器的温度特性分析
• 3.4.4 传感器的横向特性分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 光纤光栅加速度计的实验研究与性能测试
• 4.1 传感探头的制作过程
• 4.2 传感器的振动测试实验
• 4.2.1 实验平台的搭建
• 4.2.2 振动实验及实验结果分析
• 4.2.3 与压电加速度传感器的对比实验
• 4.3 钢管线性测试实验
• 4.4 传感器频率响应与线性实验
• 4.5 传感器温度自补偿实验
• 4.6 传感器横向响应实验
• 4.7 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文的主要结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢