振动/温度光纤光栅传感器技术研究

论文摘要

针对检测机械振动故障需要分析设备的机械振动频率、加速度等参数,本论文设计出一种振动/温度双参数光纤光栅传感器。该传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、动态范围大、体积小等优点,并能够有效地解决在工程结构中各种因素的互相影响及交叉敏感问题。本论文采用等强度悬臂梁进行振动传感测试,设计出一种基于长周期光纤光栅的新型解调系统。该系统可以实现温度与振动信号的解调,并能有效消除光源波动及外界环境干扰。系统测量范围达到:动态信号频率20Hz～160Hz,加速度0～140g,温度0℃～100℃;温度分辨力为0.1℃,加速度分辨力为0.1g。论文主要内容包括:(1)介绍光纤光栅传感器及多参数传感器的应用及发展现状。概述光纤光栅基本传感原理及其基本特性、振动传感器基本原理,研究光纤光栅温度、振动传感特性,并介绍光纤光栅传感系统组成。(2)分析几种常用光纤光栅解调方案的解调原理及其优缺点,利用长周期光纤光栅的边缘滤波效应,设计出一种新型解调方案。详细介绍方案解调原理、光路设计,并理论计算出传感光强/FBG谐振波长灵敏度。(3)设计等强度梁式振动传感器结构,分析振动悬臂梁静态特性、动态特性及悬臂梁的固有频率等。根据系统测量要求,对悬臂梁尺寸进行优化设计。利用ANSYS软件对振动悬臂梁固有频率进行仿真分析,验证理论计算的正确性。(4)设计光电转换电路、滤波电路、差动电路、数据采集电路、动态显示电路等,并通过系统软件设计实现传感信号的检测与显示。(5)实验研究光纤光栅传感系统的温度传感特性、应变传感特性、振动传感特性,并对实验结果进行分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 光纤光栅传感器的应用与发展现状
• 1.2 光纤光栅振动传感器
• 1.2.1 振动测试技术发展现状
• 1.2.2 光纤光栅振动加速度传感器
• 1.3 多参数光纤光栅传感器概述
• 1.4 课题研究意义及主要内容
• 2 振动/温度光纤光栅传感特性研究
• 2.1 光纤光栅的基本特性与传感原理
• 2.1.1 光纤光栅的传感原理
• 2.1.2 光纤Bragg光栅的基本特性
• 2.2 光纤Bragg光栅温度特性研究
• 2.3 光纤Bragg光栅的应变传感特性
• 2.4 光纤光栅振动加速度传感器基本原理
• 2.5 光纤光栅传感系统基本组成
• 2.6 本章小结
• 3 基于长周期光纤光栅的新型解调方案设计
• 3.1 光纤光栅传感器解调方案研究
• 3.2 基于长周期光纤光栅的新型解调方案设计
• 3.2.1 长周期光纤光栅特性
• 3.2.2 解调原理
• 3.2.3 传感系统光路设计
• 3.3 本章小结
• 4 振动/温度光纤光栅传感器结构设计及分析
• 4.1 光纤光栅振动传感器的结构设计
• 4.2 振动悬臂梁的特性分析
• 4.2.1 振动传感系统的静态特性分析
• 4.2.2 振动传感系统的动态特性分析
• 4.2.3 振动传感系统固有频率理论分析
• 4.3 光纤光栅传感系统加速度灵敏度分析
• 4.4 振动悬臂梁尺寸优化
• 4.5 振动传感系统固有频率的仿真分析
• 4.6 传感系统参数理论分析
• 4.6.1 温度/振动灵敏度分析
• 4.6.2 光纤光栅传感系统测量范围确定
• 4.7 本章小结
• 5 振动/温度光纤光栅传感器系统整体设计与实现
• 5.1 传感系统整体结构及其组成
• 5.2 传感信号检测电路设计
• 5.2.1 光电探测器工作原理及选择
• 5.2.2 前置放大电路的设计及分析
• 5.2.3 滤波电路设计
• 5.2.4 差动放大电路设计
• 5.2.5 调零电路设计
• 5.3 数据采集及测试系统的硬件电路设计
• 5.3.1 系统总体电路设计
• 5.3.2 动态显示电路及数据采集设计
• 5.3.3 键盘接口电路设计
• 5.3.4 硬件抗干扰设计
• 5.4 测试系统软件设计
• 5.5 本章小结
• 6 振动/温度光纤光栅传感系统实验及分析
• 6.1 实验系统的组成及设备测试
• 6.2 光纤光栅传感系统的温度传感特性实验分析
• 6.2.1 裸光纤布拉格光栅温度传感特性测试实验
• 6.2.2 传感系统温度传感特性测试实验
• 6.2.3 传感系统的温度解调性能测试
• 6.2.4 实验结果分析
• 6.3 悬臂梁应变传感特性实验分析
• 6.4 光纤光栅传感系统振动特性实验分析
• 6.4.1 振动传感悬臂梁固有频率实验分析
• 6.4.2 传感系统振动传感特性实验分析
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文