大量程高灵敏度的光纤Bragg光栅低频振动传感器研究
发布时间：2022-01-13 13:29
振动存在于我们日常生活的方方面面,例如桥梁、高楼、矿井等大型建筑,飞机、高铁、船舶等交通工具,以及各种大型仪器设备等等。当这些工程结构中发生异常振动时,通常会造成振动对象的损伤,并有着一些潜在的危险。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、耐温性能好、波分复用能力强、耐腐蚀等诸多优点,是传统电磁振动传感器无法比拟的,因此成为了传感器研究领域的热门话题。对光纤传感原理和FBG低频振动传感器结构设计进行理论分析,测试所设计传感器的动态响应特性。主要工作内容如下:本文首先阐述了振动检测的重大意义,由于检测环境复杂,光纤传感器成为了最佳选择之一。详细介绍了光纤传感的发展历史,深入了解了光纤布拉格光栅在振动传感领域的发展历程,总结了大量适用于低频测量的基于悬臂梁结构和柔性铰链结构的FBG振动传感器,为设计FBG低频振动传感器的结构选择打下坚实基础。其次从麦克斯韦方程组出发,研究了FBG的耦合模理论,为FBG传感理论作出铺垫。介绍了FBG的工作原理以及应用在应变、温度和振动区域的传感原理。为后续章节设计两款不同结构FBG低频振动传感器的设计提供了理论基础指导。然后设计了一种基于悬臂梁式结...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
相位掩模法的简易原理图
第2章FBG振动传感器基本理论12与应变表达式相同，如式（2.12），所以通过对FBG中心波长变化规律进行研究计算就可以获得振动参数中的加速度和频率[44]。2.3FBG振动传感器理论模型本文研究的FBG振动传感器主要是根据惯性原理设计的，可简化为二阶单自由度受迫振动系统，如图2.2所示。图2.2悬臂梁式FBG振动传感器工作原理图在上图中所代表的具体含义为空间固定坐标，在上图中所代表的具体含义为外壳随体坐标，结构振动，与相对位移[45]。质量块质量块的运动表达式为22mxdydyckymadtdt++=................................（2.17）m在上述公式中所代表的具体含义为质量块所拥有的质量；xa在上述公式中所代表的具体含义为外壳伴随支座运动在x坐标系中所达到的加速度。因此xma在上述公式中所代表的具体含义为y坐标系中所存在惯性力。式（2.17）两边除以m得222002xdydyyadtdl++=...............................（2.18）式中，阻尼比=2ccc=cmK，cc为临界阻尼，0=Km为该二阶单自由度受迫振动系统的固有频率。振动传感器能够对外界振动物体加速度进行检测。FBG振动传感器将加速度信号进行了转换，此时也就可以呈现为FBG中心波长的变化，对波长信号进
第3章悬臂梁式FBG振动传感器的设计与实现153.2悬臂梁式FBG振动传感器理论分析图3.2悬臂梁式FBG振动传感器力学模型如图3.2所示将悬臂梁结构简化并进行受力分析。根据悬臂梁的机械原理，当质量块端受到向下的力F时，梁上每点的应变为26=LFKFEbh=.........................................（3.1）式中，L是悬臂梁的长度，E是梁的弹性模量，h是悬臂梁的厚度，b是悬臂梁的底部宽度。因为本章设计的悬臂梁式FBG低频振动传感器质量块的重量远远大于悬臂梁重量，所以可以忽略悬臂梁重量对传感器固有频率的影响。悬臂梁活动端L处的挠度值为2=hL................................................（3.2）根据公式（2.3）可以得到悬臂梁的等效弹簧刚度表达式33=6EbhKL...............................................（3.3）由公式（3.3）可知悬臂梁表面的应变与悬臂梁的材料的杨氏模量E和悬臂梁的几何尺寸有关。已知光纤光栅中心波长的变化量B与光纤轴向应变的关系为：()e1BB=P........................................（3.4）根据牛顿加速度定理F=ma，把式（3.1）代入式（3.4）得
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于柔性铰链的光纤光栅二维加速度传感器的优化设计[J]. 王赟,戴玉堂,刘文敏,魏禹. 光子学报. 2019(08)
[2]一种基于单一椭圆铰链的光纤光栅加速度传感器[J]. 梁磊,蔡彦璞,戴玉堂,韦御风,徐刚,涂彬. 光电子·激光. 2019(03)
[3]光纤传感用新型特种光纤的研究进展与展望[J]. 童维军,杨晨,刘彤庆,张心贲,杨坤,杨玉诚,唐明. 光电工程. 2018(09)
[4]光纤光栅传感器在结构健康监测中的应用[J]. 张潘恒. 通讯世界. 2018(05)
[5]基于光纤传感的航天器结构健康状态监测研究[J]. 邵飞,杨宁,孙维,申景诗,张建德. 航天器工程. 2018(02)
[6]基于柔性铰链结构的高灵敏度低频光纤光栅加速度传感器[J]. 张法业,姜明顺,隋青美,张雷,曹玉强,马国文,魏钧涛. 红外与激光工程. 2017(03)
[7]基于对称铰链的中低频光纤加速度传感器及其优化设计[J]. 董柯,戴玉堂,殷广林,胡鹏飞,邹猛. 光电子·激光. 2017(01)
[8]用于周界安防的光纤光栅振动传感系统研究[J]. 王蒙,孙志慧,张发祥,闵力,李淑娟. 半导体光电. 2016(03)
[9]一种基于WMUWD的液压泵振动信号预处理方法[J]. 孙健,李洪儒,王卫国,许葆华. 振动与冲击. 2015(21)
[10]高速传输系统用低损耗单模光纤的研究[J]. 贺作为,陈伟,张良,李亚东. 光通信研究. 2015(02)
博士论文
[1]井间地震中光纤光栅加速度检波技术研究[D]. 刘钦朋.西北工业大学 2015
[2]光纤光栅传感器的理论和技术研究[D]. 贾宏志.中国科学院西安光学精密机械研究所 2001
硕士论文
[1]基于FBG加速度传感器的振动检测系统[D]. 贾鹏.南昌航空大学 2018
[2]公路钢桥危桥加固实例研究[D]. 毕德鹏.国防科技大学 2017
[3]基于FBG传感器的振动检测系统开发与实现[D]. 葛婉宁.山东大学 2017
[4]光纤光栅振动加速度传感器的优化设计及振动体的振动模态分析[D]. 周浩强.西安石油大学 2013
本文编号：3586525
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
相位掩模法的简易原理图
第2章FBG振动传感器基本理论12与应变表达式相同，如式（2.12），所以通过对FBG中心波长变化规律进行研究计算就可以获得振动参数中的加速度和频率[44]。2.3FBG振动传感器理论模型本文研究的FBG振动传感器主要是根据惯性原理设计的，可简化为二阶单自由度受迫振动系统，如图2.2所示。图2.2悬臂梁式FBG振动传感器工作原理图在上图中所代表的具体含义为空间固定坐标，在上图中所代表的具体含义为外壳随体坐标，结构振动，与相对位移[45]。质量块质量块的运动表达式为22mxdydyckymadtdt++=................................（2.17）m在上述公式中所代表的具体含义为质量块所拥有的质量；xa在上述公式中所代表的具体含义为外壳伴随支座运动在x坐标系中所达到的加速度。因此xma在上述公式中所代表的具体含义为y坐标系中所存在惯性力。式（2.17）两边除以m得222002xdydyyadtdl++=...............................（2.18）式中，阻尼比=2ccc=cmK，cc为临界阻尼，0=Km为该二阶单自由度受迫振动系统的固有频率。振动传感器能够对外界振动物体加速度进行检测。FBG振动传感器将加速度信号进行了转换，此时也就可以呈现为FBG中心波长的变化，对波长信号进
第3章悬臂梁式FBG振动传感器的设计与实现153.2悬臂梁式FBG振动传感器理论分析图3.2悬臂梁式FBG振动传感器力学模型如图3.2所示将悬臂梁结构简化并进行受力分析。根据悬臂梁的机械原理，当质量块端受到向下的力F时，梁上每点的应变为26=LFKFEbh=.........................................（3.1）式中，L是悬臂梁的长度，E是梁的弹性模量，h是悬臂梁的厚度，b是悬臂梁的底部宽度。因为本章设计的悬臂梁式FBG低频振动传感器质量块的重量远远大于悬臂梁重量，所以可以忽略悬臂梁重量对传感器固有频率的影响。悬臂梁活动端L处的挠度值为2=hL................................................（3.2）根据公式（2.3）可以得到悬臂梁的等效弹簧刚度表达式33=6EbhKL...............................................（3.3）由公式（3.3）可知悬臂梁表面的应变与悬臂梁的材料的杨氏模量E和悬臂梁的几何尺寸有关。已知光纤光栅中心波长的变化量B与光纤轴向应变的关系为：()e1BB=P........................................（3.4）根据牛顿加速度定理F=ma，把式（3.1）代入式（3.4）得
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于柔性铰链的光纤光栅二维加速度传感器的优化设计[J]. 王赟,戴玉堂,刘文敏,魏禹. 光子学报. 2019(08)
[2]一种基于单一椭圆铰链的光纤光栅加速度传感器[J]. 梁磊,蔡彦璞,戴玉堂,韦御风,徐刚,涂彬. 光电子·激光. 2019(03)
[3]光纤传感用新型特种光纤的研究进展与展望[J]. 童维军,杨晨,刘彤庆,张心贲,杨坤,杨玉诚,唐明. 光电工程. 2018(09)
[4]光纤光栅传感器在结构健康监测中的应用[J]. 张潘恒. 通讯世界. 2018(05)
[5]基于光纤传感的航天器结构健康状态监测研究[J]. 邵飞,杨宁,孙维,申景诗,张建德. 航天器工程. 2018(02)
[6]基于柔性铰链结构的高灵敏度低频光纤光栅加速度传感器[J]. 张法业,姜明顺,隋青美,张雷,曹玉强,马国文,魏钧涛. 红外与激光工程. 2017(03)
[7]基于对称铰链的中低频光纤加速度传感器及其优化设计[J]. 董柯,戴玉堂,殷广林,胡鹏飞,邹猛. 光电子·激光. 2017(01)
[8]用于周界安防的光纤光栅振动传感系统研究[J]. 王蒙,孙志慧,张发祥,闵力,李淑娟. 半导体光电. 2016(03)
[9]一种基于WMUWD的液压泵振动信号预处理方法[J]. 孙健,李洪儒,王卫国,许葆华. 振动与冲击. 2015(21)
[10]高速传输系统用低损耗单模光纤的研究[J]. 贺作为,陈伟,张良,李亚东. 光通信研究. 2015(02)
博士论文
[1]井间地震中光纤光栅加速度检波技术研究[D]. 刘钦朋.西北工业大学 2015
[2]光纤光栅传感器的理论和技术研究[D]. 贾宏志.中国科学院西安光学精密机械研究所 2001
硕士论文
[1]基于FBG加速度传感器的振动检测系统[D]. 贾鹏.南昌航空大学 2018
[2]公路钢桥危桥加固实例研究[D]. 毕德鹏.国防科技大学 2017
[3]基于FBG传感器的振动检测系统开发与实现[D]. 葛婉宁.山东大学 2017
[4]光纤光栅振动加速度传感器的优化设计及振动体的振动模态分析[D]. 周浩强.西安石油大学 2013
本文编号：3586525
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