FBG振动传感器的研究

论文摘要

随着信息化水平的提高,各种工程结构、机械结构和地震自然灾害等的监测对分析和解决复杂的振动提出更高的要求.传统的机械和电学振动传感器在灵敏度、精度、动态范围、抗电磁干扰等方面已经不能满足应用需求。光纤Bragg光栅振动传感技术通过对传感信号的波长调制可以实现对物理量的绝对测量。该技术具有抗电磁干扰能力强、易于同波分复用技术结合,质量轻、体积小等优点,现已成为传感技术研究领域的热点。本文主要围绕FBG振动传感器技术展开理论和实验研究,设计了一种三脚支架体和等强度悬臂梁结构的FBG振动传感器,其固有频率为101.5Hz、灵敏度系数分别为28.5pm／m·s-2,并应用体光栅和感光线阵列等结构实现了波长分辨率为1pm的解调。论文所做的主要内容和获得的研究结果如下：1.通过对光纤Bragg光栅成栅机理及折射率分布的研究,模拟了FBG的光传输特性。研究了温度、轴向压力、横向压力对FBG的影响以及FBG的温度压力的交叉敏感特性等。2.从振动力学角度分析了等截面和等强度两种悬臂梁的力学特性,建立了振动传感器的力学理论模型。通过研究幅频和相频特性曲线,得到了位移和加速度振动传感器最佳的固有频率和阻尼比等结构参数。3.设计了微挠度控制测试仪、放大电路和8位精度的数据采集卡,编写了数据处理程序。设计了可实现大振幅振动简单测量的电阻应变式传感器。4.研究了光栅粘贴工艺,自制了用于FBG振动传感器的设计的光纤微拉控制平台和12.2Hz的低频振动平台,并在正弦激振的方式下的获得了较理想的实验结果。通过位移传感实验,验证了FBG传感器与电阻应变传感器具有较高的精度。最后对设计的三维振动传感器模型进行了理论分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 传感器的发展
• 1.2 传感器的分类
• 1.3 光纤光栅传感器的发展
• 1.4 振动传感测量技术的发展概况[24-38]
• 1.5 本课题研究的目的和意义
• 1.6 本课题研究的主要内容
• 第二章 FBG振动传感的基本理论与特性
• 2.1 FBG的原理
• 2.2 均匀FBG传输特性仿真模拟
• 2.3 FBG振动传感的基本理论分析
• 2.3.1 FBG的温度传感特性
• 2.3.2 FBG的轴向应力传感特性
• 2.3.3 FBG的横向压力传感特性
• 2.3.4 FBG的应变、温度的交叉灵敏度问题研究
• 2.4 本章小结
• 第三章 振动力学理论分析
• 3.1 等截面梁的弯曲振动理论
• 3.1.1 动力学方程的建立
• 3.1.2 固有频率和模态函数的确定
• 3.2 等截面悬臂梁自由端受力情况分析
• 3.2.1 建立弯矩方程
• 3.2.3 利用边界条件确定积分常数
• 3.2.4 建立转角方程和挠度方程
• 3.2.5 计算最大挠度、最大转角和固有频率
• 3.2.6 求解轴向应变
• 3.3 等强度悬臂梁受应力情况分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 FBG振动传感器的设计
• 4.1 振动传感器的数学建模理论分析
• 4.2 电阻应变振动传感器的设计
• 4.2.1 电阻应变振动传感器的测量原理
• 4.2.2 电阻应变振动传感器的电路设计及数据处理
• 4.2.3 电阻应变振动传感器的实验研究
• 4.3 FBG的粘贴和FBG振动传感器的制作
• 4.3.1 FBG的粘贴
• 4.3.2 基于FBG的悬臂梁结构传感器的制作
• 4.3.3 FBG传感器的静态位移实验
• 4.4 简易振动台设计
• 4.5 振动解调方案的选择
• 4.6 实验结果及分析
• 4.6.1 灵敏度分析
• 4.6.2 幅频特性分析
• 4.6.3 横向抗干扰分析
• 4.6.4 FBG振动传感器的频率测量试验
• 4.7 三维振动传感器的设计和理论分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的文章及所获奖励
• 致谢