振子型光纤光栅加速度计关键技术研究

发布时间：2019-04-25 10:23

【摘要】：随着矢量声学理论和矢量水声探测系统的飞速发展,作为水声探测领域一类重要的传感器,光纤矢量水听器越来越显现出巨大的优越性。其中,干涉型光纤矢量水听器在近十几年得到了快速发展,已经走向阵列测试阶段,但其基元尺寸受限于干涉仪器件尺寸和探头结构等因素无法进一步减小。光纤光栅以其小型化、低成本和易波分复用的优点使小型化光纤光栅矢量水听器及超大规模光纤光栅矢量水听器阵列成为可能。本文针对矢量水听器拖曳阵的应用需求,以小型化和高灵敏度为光纤光栅加速度计和光纤光栅矢量水听器的研制目标,对弹簧振子型光纤光栅加速度计的关键技术展开了一系列研究。论文以光纤光栅加速度计为主要研究对象,针对光纤光栅加速度计传感模型、光纤光栅加速度计信号解调技术、光纤光栅加速度计探头技术以及光纤光栅矢量水听器水声应用技术四部分开展了深入研究。对弹簧振子型光纤光栅加速度计进行了理论和仿真分析,得到了灵敏度和谐振频率的理论公式,理论分析了灵敏度的影响因素;设计了基于非平衡Michelson干涉仪的光纤光栅加速度计解调系统,理论分析了解调系统关键参数之间的制约关系,在此基础上优化设计了解调干涉仪,对光纤光栅进行了仿真和应用分析,对系统的动态范围进行了理论分析;设计了可增敏变径弹性柱结构的光纤光栅加速度计,实现了加速度计的结构增敏;研制了基于不同弹性壳结构的质量块内嵌式小型化光纤光栅加速度计,在不改变加速度计性能的前提下将加速度计轴向尺寸降低了一半,实现了加速度计小型化;在一维加速度计研究的基础上,研制了分立式三维光纤光栅加速度计和光纤光栅矢量水听器,实验研究了其振动传感特性和水声传感特性;针对矢量水听器拖曳阵应用中存在的水听器三轴信号相位不一致问题,理论和实验分析了悬挂系统对水听器三轴信号相位一致性的影响;理论分析了非零浮力状态对系统响应的影响。本论文的主要研究成果和创新如下:1、提出了一种基于变径弹性柱的光纤光栅加速度计增敏结构。理论和仿真分析表明,该结构可以实现加速度计的结构增敏。在所给限定条件下,理论上可将加速度计灵敏度提高至原来的1.5～2倍。2、提出了一种质量块内嵌式结构的光纤光栅加速度计小型化设计思想。该结构针对基于弹性壳的光纤光栅加速度计,有效利用了弹性壳内部空间,在不影响加速度计性能的前提下,将其轴向尺寸缩小了一半。研制的灯笼形镂空铝壳结构加速度计尺寸为Φ24mm×17mm,灵敏度为43.6pm/g,谐振频率为1000Hz,正交串扰为-15.3dB。3、理论分析了悬挂系统对拖曳阵用矢量水听器三轴相位一致性的影响。对不同悬挂方式下的矢量水听器进行了驻波管中和开放水声环境中的响应测试,证明了悬挂系统对矢量水听器相位一致性会产生一定影响。突破传统设计方法,提出了具有工程适用性的新的悬挂结构,为矢量水听器拖曳阵设计提供了新的思路。
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【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH824.4;TB565

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本文编号：2465008