机械振动的双光栅传感理论与实验研究

发布时间：2020-07-12 04:07

【摘要】：针对机械设备中存在的部件线振动、转轴角振动和轮齿振动,基于现有光纤光栅传感技术研究现状以及存在的问题,利用双光栅监测的优势,本文开展如下研究工作:1.利用FBG耦合方程的数值积分方法,探讨非均匀温变和非均匀应变对FBG光谱的影响。计算结果表明,在线性温变和线性应变下,FBG反射谱是关于中心波长对称的,中心波长漂移决定于光栅中点的温变和应变,当梯度项增加时,峰值强度下降。当光纤光栅受到二次温变和应变时,其反射谱关于中心波长是不对称的,二次温变和应变系数的正负和大小决定反射谱左右旁瓣的强弱,反射谱旁瓣越大,光栅受到的非线性应变越大。2.设计了对线振动的双FBG强度测量方法。模拟计算表明,在一定的范围内两个普通FBG反射谱主瓣面积与它们的中心波长差成良好线性关系,据此提出了双FBG中心波长差的工作区间。线振动监测实验表明,输出电压信号的幅值与加速度的幅值呈良好的线性关系,电压信号的幅值还与传感器倾斜角度的余弦函数成线性关系,当角度小于15°时,电压幅值的变化不到传感器水平放置时电压幅值的5%。3.将双光纤光栅按照一定角度安装在转轴表面,建立了双光栅中心波长差与转轴的转矩和扭转角的定量关系,双光栅中心波长差随时间的振动曲线可以分解为“直流”分量与“交变”分量之和,其中“直流”分量决定于负载扭矩,而“交变”分量揭示了扭转角振动的存在。将双啁啾光纤光栅安装在转轴表面,建立了双啁啾光栅监测转轴转矩和扭转角的理论表达,监测实验表明,输出电压信号可以分解为“直流”分量与“交变”分量之和,电压信号的“直流”分量反应了负载转矩和对应的扭转角,电压信号的“交变”分量反应了扭转角的振动。4.将双光纤光栅粘贴在轮齿两边缘,通过波长解调方法对轮齿边缘的拉伸和压缩变形及其轮齿角振动进行在线监测实验。结果表明:双FBG的特征波长存在不同的整体波长漂移,显示了齿轮啮合时的温度升高现象;FBG的振动峰值波长与负载力矩在小力矩范围内存在较好线性关系,显示了齿轮啮合时轮齿两边缘的拉伸和压缩变形与负载力矩的依赖关系。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH74
【图文】：

具备普通光纤的优点外，因为自身传感信号是波长调制起伏，光纤弯曲损耗及不受光源功率波动影响的众多优感器作为一种新型的振动传感器也逐步被更多学者所早采用光纤光栅进行振动信号测量的学者[12]，他采用的行封装，然后固定在铝块中。从此，国内外相关学者开光栅进行了广泛研究，Todd 设计了基于双挠性梁结构的度进行了很大的提升。光纤光栅加速度传感器属于惯性梁结构作为弹性体，其基本原理如图 1-1 所示。悬臂梁的块，采用胶粘的方式来固定光纤光栅或其他方法固定在到外界振动时，质量块会由于惯性力随振动方向往复运生弯曲，进而对光栅进行测量其变形产生的应变。在此了多种结构多种形式的光纤光栅加速度传感器，其特点是单，但是存在光栅容易啁啾及测量频率范围较窄的问题等低频振动测量领域[15-18]。

图 1-2 膜片式加速度传感器结构示意图和丹麦 BK 公司还报道了基于铰链结构的光纤点是可以进行高频率的测量，其测量频率超过 的是戴玉堂课题组，达到了 200 pm/g，但在产K 公司明显领先。，存在一些特殊领域，一维测量已经不能满足信息，比如航空，汽车碰撞检测等。为此，在提出了多维传感器的设计方案并取得了不错的实生课题组提出了一种二维振动测量方案[33]，他一侧的钢管表面应变的最大处，如图 1-3 所示，0°方位角的位置上，这个方案还同时实现了温度

图 1-2 膜片式加速度传感器结构示意图光公司和丹麦 BK 公司还报道了基于铰链结构的光纤光构的优点是可以进行高频率的测量，其测量频率超过 10得较好的是戴玉堂课题组，达到了 200 pm/g，但在产品丹麦 BK 公司明显领先。应用中，存在一些特殊领域，一维测量已经不能满足需振动的信息，比如航空，汽车碰撞检测等。为此，在单多学者提出了多维传感器的设计方案并取得了不错的实学张东生课题组提出了一种二维振动测量方案[33]，他们质量块一侧的钢管表面应变的最大处，如图 1-3 所示，光周呈 90°方位角的位置上，这个方案还同时实现了温度补

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本文编号：2751395