全光纤低频振动传感器关键技术研究

  低频振动测量技术在大型建筑物、机械设备、航空航天、地球活动等领域起着举足轻重的作用,而将主结构、传感器和控制器集于一体,形成具有自检测、自诊断、自适应以及自愈合等功能的“智能结构”是测量技术发展的主要趋势。光纤传感技术因其抗电磁干扰、易组网和可远距离测量等优点,已成为低频振动测量技术中最具潜力的传感技术之一,但是对于构成“智能结构”现有的光纤振动传感器还存在一些问题,比如体积大、可探测振动频率范围下限偏高、温度交叉敏感等。本文针对现有光纤振动传感器存在的问题,按照传感器的微型化、可探测振动频率的低频化和消除温度交叉敏感的的思路进行研究,分析了振动响应结构的理论模型,研究了振动响应结构的阻尼和谐振频率特性及其优化方法,在此基础之上,提出了三种不同类型的全光纤微型化低频振动传感器,并在传感器的设计、制作、优化和环境响应特性测试等方面做了比较系统的工作。论文的核心内容包括:①研究了惯性式低频振动传感器的振动模型及其阻尼和谐振频率对传感器的灵敏度和可探测频率范围的影响,分析了阻尼损耗的原因并给出了优化方法。分析表明基于微光纤的振动梁,由于其表面积体积比小,支座和振动梁一体化,退火后表面光滑,无塑性等特点,非常适合于加工小阻尼振动梁,实现高灵敏度的低频振动测量,因此,基于微光纤梁的低频振动传感器具有重要的学术研究意义和实际应用前景。②提出并设计制作了一种基于空心光纤(Hollow Core Fiber,HCF)和微结构光纤(Micro Structure Fiber,MSF)的全光纤点式简支梁型低频振动传感器。该传感器的优点为:(1)体积小,通过将传统机械振动梁和质量块集成在光纤上,有效的减小了传感器的体积,使其适合于构建“智能结构”;(2)灵敏度高,传统的Fabry-Perot(FP)型光纤振动传感器通过测量机械振动梁某一点位置的形变量来测量振动,而该传感器中整个振动梁的形变都体现在FP腔腔长变化量内,因此其灵敏度高于传统FP型光纤振动传感器;(3)降低了温度交叉敏感,通过选择不同热膨胀系数的毛细管,设计不同的长度,理论上可以完全消除温度交叉敏感,实验中也验证了当温度从20°C增大到120°C时,其导致的最大误差仅为2.5%。③提出并设计制作了一种基于微结构光纤布拉格光栅(Micro Structure Fiber Bragg Grating,MSFBG)的摆锤型全光纤点式低频振动传感器。该传感器的优点为:(1)可探测振动频率低,传统的单自由度质量-弹簧-阻尼器型惯性式振动传感器是通过测量惯性加速度导致梁的形变量来探测振动,而该传感器是通过测量惯性力引起的FBG弯曲特性来实现振动的测量,实验证明该传感器可以探测一定振幅内振动频率任意低的振动,甚至是静态的倾斜。(2)易解调,通过直接测量MSFBG的反射光强来测量振动,解调系统非常简单,有效地降低了传感器的成本。(3)该传感器还解决了传统光纤振动传感器的温度交叉敏感问题。④提出并设计制作了一种基于微结构光纤布拉格光栅(Micro Structure Fiber Bragg Gratings,MSFBGs)的振动和温度同时准分布式测量的全光纤传感器,有效地解决了点式振动传感器复用难的问题。同时,该传感器具有微型化和无温度交叉敏感等优点。论文的主要创新点为:①提出并设计制作了一种基于HCF和MSF的简支梁型全光纤点式低频振动传感器,实验分别测试了传感器的低频振动和温度响应特性。通过将传统机械振动梁和质量块集成在光纤上,有效地实现了传感器的微型化,同时也降低了该传感器的温度交叉敏感度。②提出并设计制作了一种基于MSFBG的摆锤型全光纤点式低频振动传感器,实验分别测试了传感器的低频振动、静态倾斜及温度响应特性。该传感器的特点是可探测的振动频率低、易解调和无温度交叉敏感。③提出并设计制作了一种基于MSFBGs的全光纤准分布式振动和温度同时测量的传感器,可以有效地解决点式振动传感器复用难的问题。同时,该传感器具有微型化和无温度交叉敏感等优点。

【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212
【目录】：

【参考文献】

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