一体化光学振动测量仪

发布时间：2020-08-25 05:39

【摘要】：高性能、高稳定性的振动加速度传感器一直是工程技术领域的研究热点,在机器运行状况监测中起到重要作用,传统的压电振动传感器性能强大、产品系列丰富,但是在自身重量上不占优势。近年来MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)振动传感器在市场上发展迅猛,在万物互联的大背景下取得了广泛关注和研究,但是MEMS传感器大多基于电学测量,在复杂的多电磁环境下性能容易受到干扰,而理想的MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems,微型光机电系统)振动传感器由于研发困难、精度不足或价格昂贵尚未能大量进入市场。从压电到MEMS再到MOEMS,振动传感器的测量原理、结构设计及加工工艺越来越丰富,尤其是拾振结构的设计越来越多样化。在借鉴了MEMS和MOEMS的拾振结构的基础上,本课题的研究,主要是为了研发一种基于光学测量的性能良好、高稳定性、价格经济的振动加速度传感器。根据振动加速度计力学模型,分析了决定加速度测量分辨率的两个关键因素:拾振结构的频响特性和绝对位移测量分辨率。其中,就拾振结构的频响特性,提出利用共振耦合结构对振动信息的放大来扩宽加速度测量的带宽;就位移测量分辨率,提出结构简单、稳定性强的光栅位移测量系统。在共振耦合结构的仿真中,首先分析了固有频率、耦合弹簧弹性系数等因素对双悬臂梁耦合频响效果的影响,并在双梁耦合的理论基础上,利用有限元分析软件ANSYS中理想弹簧实现了一组共振带宽为5Hz(109Hz-114Hz)的多梁共振耦合阵列的设计优化。最后,为了与平面加工工艺相结合,设计优化了一组测量带宽为19.8Hz(268Hz-287.8Hz)的平面耦合阵列梁结构,实现了振动测量带宽的拓展。在位移测量系统中,通过配置合适的光栅常数及激光汇聚系统,实验中验证了该位移测量系统能实现分辨率至少为1.5μm的精密测量。通过对光电信号的电子划分,可以达到更高分辨率。将位移测量系统与共振耦合结构相结合,理论上本文设计的振动加速度测量仪可以实现1mg左右(109Hz-114Hz)和11mg左右(268Hz-287.8Hz)的加速度测量分辨率。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74;TP212
【图文】：

机械振动分类阻尼振动：当振动系统的能量通过摩擦和其他阻力逐渐耗散时，振动被称为阻尼振

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本文编号：2803334