全光纖低頻振動傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、低頻振動測量技術(shù)在大型建筑物、機械設(shè)備、航空航天、地球活動等領(lǐng)域起著舉足輕重的作用，而將主結(jié)構(gòu)、傳感器和控制器集于一體，形成具有自檢測、自診斷、自適應(yīng)以及自愈合等功能的“智能結(jié)構(gòu)”是測量技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。光纖傳感技術(shù)因其抗電磁干擾、易組網(wǎng)和可遠距離測量等優(yōu)點，已成為低頻振動測量技術(shù)中最具潛力的傳感技術(shù)之一，但是對于構(gòu)成“智能結(jié)構(gòu)”現(xiàn)有的光纖振動傳感器還存在一些問題，比如體積大、可探測振動頻率范圍下限偏高、溫度交叉敏感等。本文針對現(xiàn)有光

2、纖振動傳感器存在的問題，按照傳感器的微型化、可探測振動頻率的低頻化和消除溫度交叉敏感的的思路進行研究，分析了振動響應(yīng)結(jié)構(gòu)的理論模型，研究了振動響應(yīng)結(jié)構(gòu)的阻尼和諧振頻率特性及其優(yōu)化方法，在此基礎(chǔ)之上，提出了三種不同類型的全光纖微型化低頻振動傳感器，并在傳感器的設(shè)計、制作、優(yōu)化和環(huán)境響應(yīng)特性測試等方面做了比較系統(tǒng)的工作。
　　論文的核心內(nèi)容包括：
　　①研究了慣性式低頻振動傳感器的振動模型及其阻尼和諧振頻率對傳感器的靈敏度和可探

3、測頻率范圍的影響，分析了阻尼損耗的原因并給出了優(yōu)化方法。分析表明基于微光纖的振動梁，由于其表面積體積比小，支座和振動梁一體化，退火后表面光滑，無塑性等特點，非常適合于加工小阻尼振動梁，實現(xiàn)高靈敏度的低頻振動測量，因此，基于微光纖梁的低頻振動傳感器具有重要的學(xué)術(shù)研究意義和實際應(yīng)用前景。
　　②提出并設(shè)計制作了一種基于空心光纖(Hollow Core Fiber，HCF)和微結(jié)構(gòu)光纖(Micro Structure Fiber，MSF

4、)的全光纖點式簡支梁型低頻振動傳感器。該傳感器的優(yōu)點為：(1)體積小，通過將傳統(tǒng)機械振動梁和質(zhì)量塊集成在光纖上，有效的減小了傳感器的體積，使其適合于構(gòu)建“智能結(jié)構(gòu)”；(2)靈敏度高，傳統(tǒng)的Fabry-Perot(FP)型光纖振動傳感器通過測量機械振動梁某一點位置的形變量來測量振動，而該傳感器中整個振動梁的形變都體現(xiàn)在FP腔腔長變化量內(nèi)，因此其靈敏度高于傳統(tǒng)FP型光纖振動傳感器；(3)降低了溫度交叉敏感，通過選擇不同熱膨脹系數(shù)的毛細管，設(shè)

5、計不同的長度，理論上可以完全消除溫度交叉敏感，實驗中也驗證了當溫度從20°C增大到120°C時，其導(dǎo)致的最大誤差僅為2.5％。
　　③提出并設(shè)計制作了一種基于微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵(Micro Structure Fiber Bragg Grating，MSFBG)的擺錘型全光纖點式低頻振動傳感器。該傳感器的優(yōu)點為：(1)可探測振動頻率低，傳統(tǒng)的單自由度質(zhì)量-彈簧-阻尼器型慣性式振動傳感器是通過測量慣性加速度導(dǎo)致梁的形變量來探測振動

6、，而該傳感器是通過測量慣性力引起的FBG彎曲特性來實現(xiàn)振動的測量，實驗證明該傳感器可以探測一定振幅內(nèi)振動頻率任意低的振動，甚至是靜態(tài)的傾斜。(2)易解調(diào)，通過直接測量 MSFBG的反射光強來測量振動，解調(diào)系統(tǒng)非常簡單，有效地降低了傳感器的成本。(3)該傳感器還解決了傳統(tǒng)光纖振動傳感器的溫度交叉敏感問題。
　　④提出并設(shè)計制作了一種基于微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵(Micro Structure Fiber Bragg Gratings，M

7、SFBGs)的振動和溫度同時準分布式測量的全光纖傳感器，有效地解決了點式振動傳感器復(fù)用難的問題。同時，該傳感器具有微型化和無溫度交叉敏感等優(yōu)點。
　　論文的主要創(chuàng)新點為：
　?、偬岢霾⒃O(shè)計制作了一種基于HCF和MSF的簡支梁型全光纖點式低頻振動傳感器，實驗分別測試了傳感器的低頻振動和溫度響應(yīng)特性。通過將傳統(tǒng)機械振動梁和質(zhì)量塊集成在光纖上，有效地實現(xiàn)了傳感器的微型化，同時也降低了該傳感器的溫度交叉敏感度。
　?、谔岢霾⒃O(shè)