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光纤低频振动传感器的研究

王刚  
【摘要】:进入二十一世纪以来,信息化水平飞速提高,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问题提出更高的要求,传统的电磁类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。所以研制和开发新型的更高质量的振动传感器变得格外重要。光纤振动传感器除具有传统电磁类传感器的功能外,还具有抗电磁干扰和原子辐射、灵敏度高、测量速度快、稳定性好等优点,因此,被广泛应用于航空、航天、桥梁、土木建筑等领域。 本文在总结了目前国内外光纤振动传感器的发展现状后,提出了一种新型的基于光纤布拉格光栅(FBG,Fiber Bragg Grating)的振动传感器结构。该结构的创新主要在于匹配光纤布拉格光栅的自解调方案应用于光纤振动传感器,及将边孔封装技术方案应用于匹配光纤布拉格光栅的封装上。论文的主要内容如下: (1)简要介绍了振动测试技术、一般光纤传感器的优点、FBG传感器的特点,并对几种常见的FBG振动传感器作了简单介绍。 (2)阐述了光纤传感器的原理及FBG振动传感器的原理,并分别对均匀轴向应力作用下的FBG应变传感模型、均匀横向应力作用下的FBG应变传感模型作了理论推导分析;对目前国内外各种光纤光栅振动传感器的增敏技术及解调方案分别作了对比分析;依据FBG振动传感器原理和现有振动传感器模型的增敏技术及封装技术,提出了一种新型FBG振动传感器结构方案,对该结构方案的设计原理进行了详细论述,并通过数学公式推导及推导结果的Matlab仿真对结构方案进行了理论分析。 (3)利用OptiAmplifier软件对本文提出的结构方案进行了仿真分析。由于在软件中无等同于振动信号的激励源,无法实现对传感探头—匹配光纤光栅的直接作用,因此,在仿真过程中通过手动输入两光纤光栅中心波长的值来改变两光纤光栅中心波长的间隔,以此来模拟外界振动激励源的作用效果。将仿真获得的数据进行列表,然后利用Matlab软件将数据进行处理,得到两光纤光栅中心波长的相对偏移量与输出光强的关系曲线图,该曲线与对本文提出的结构方案进行理论推导得到的关系曲线基本一致,因此,从软件仿真方面验证了方案的正确性。 (4)对本文提出的结构方案进行了实验验证。在目前实验条件下,无法将边孔封装技术应用于光纤布拉格光栅,因此,在实验中只能采用两个裸光纤光栅。利用一个悬臂梁系统,将两个匹配的光纤布拉格光栅分别用光学胶固定于悬臂的上下两侧,实现在同一应力作用下,两个光纤光栅的中心波长分别向长波长和短波长两个方向移动,然后利用光谱仪在后端探测输出的光强值。将实验所得的数据进行列表,可以得到应力值、中心波长的偏移量与输出光强三者之间的数值关系列表,然后利用Matlab软件将数据进行处理,得到光纤光栅中心波长偏移量与输出光强的关系曲线图,该曲线与对本文提出的结构方案进行理论推导得到的关系曲线基本一致,因此,从实验方面验证了方案的可行性。 本文中提到的对光纤光栅的封装技术将在下一阶段进行,希望本文提出的新型光纤振动传感器结构方案及目前所得到的结论对光纤振动传感技术的进一步研究和发展提供有价值的理论和技术支持。


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