全光纖低頻振動(dòng)傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、低頻振動(dòng)測(cè)量技術(shù)在大型建筑物、機(jī)械設(shè)備、航空航天、地球活動(dòng)等領(lǐng)域起著舉足輕重的作用，而將主結(jié)構(gòu)、傳感器和控制器集于一體，形成具有自檢測(cè)、自診斷、自適應(yīng)以及自愈合等功能的“智能結(jié)構(gòu)”是測(cè)量技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。光纖傳感技術(shù)因其抗電磁干擾、易組網(wǎng)和可遠(yuǎn)距離測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，已成為低頻振動(dòng)測(cè)量技術(shù)中最具潛力的傳感技術(shù)之一，但是對(duì)于構(gòu)成“智能結(jié)構(gòu)”現(xiàn)有的光纖振動(dòng)傳感器還存在一些問(wèn)題，比如體積大、可探測(cè)振動(dòng)頻率范圍下限偏高、溫度交叉敏感等。本文針對(duì)現(xiàn)有光

2、纖振動(dòng)傳感器存在的問(wèn)題，按照傳感器的微型化、可探測(cè)振動(dòng)頻率的低頻化和消除溫度交叉敏感的的思路進(jìn)行研究，分析了振動(dòng)響應(yīng)結(jié)構(gòu)的理論模型，研究了振動(dòng)響應(yīng)結(jié)構(gòu)的阻尼和諧振頻率特性及其優(yōu)化方法，在此基礎(chǔ)之上，提出了三種不同類型的全光纖微型化低頻振動(dòng)傳感器，并在傳感器的設(shè)計(jì)、制作、優(yōu)化和環(huán)境響應(yīng)特性測(cè)試等方面做了比較系統(tǒng)的工作。
　　論文的核心內(nèi)容包括：
　?、傺芯苛藨T性式低頻振動(dòng)傳感器的振動(dòng)模型及其阻尼和諧振頻率對(duì)傳感器的靈敏度和可探

3、測(cè)頻率范圍的影響，分析了阻尼損耗的原因并給出了優(yōu)化方法。分析表明基于微光纖的振動(dòng)梁，由于其表面積體積比小，支座和振動(dòng)梁一體化，退火后表面光滑，無(wú)塑性等特點(diǎn)，非常適合于加工小阻尼振動(dòng)梁，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的低頻振動(dòng)測(cè)量，因此，基于微光纖梁的低頻振動(dòng)傳感器具有重要的學(xué)術(shù)研究意義和實(shí)際應(yīng)用前景。
　?、谔岢霾⒃O(shè)計(jì)制作了一種基于空心光纖(Hollow Core Fiber，HCF)和微結(jié)構(gòu)光纖(Micro Structure Fiber，MSF

4、)的全光纖點(diǎn)式簡(jiǎn)支梁型低頻振動(dòng)傳感器。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)為：(1)體積小，通過(guò)將傳統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)梁和質(zhì)量塊集成在光纖上，有效的減小了傳感器的體積，使其適合于構(gòu)建“智能結(jié)構(gòu)”；(2)靈敏度高，傳統(tǒng)的Fabry-Perot(FP)型光纖振動(dòng)傳感器通過(guò)測(cè)量機(jī)械振動(dòng)梁某一點(diǎn)位置的形變量來(lái)測(cè)量振動(dòng)，而該傳感器中整個(gè)振動(dòng)梁的形變都體現(xiàn)在FP腔腔長(zhǎng)變化量?jī)?nèi)，因此其靈敏度高于傳統(tǒng)FP型光纖振動(dòng)傳感器；(3)降低了溫度交叉敏感，通過(guò)選擇不同熱膨脹系數(shù)的毛細(xì)管，設(shè)

5、計(jì)不同的長(zhǎng)度，理論上可以完全消除溫度交叉敏感，實(shí)驗(yàn)中也驗(yàn)證了當(dāng)溫度從20°C增大到120°C時(shí)，其導(dǎo)致的最大誤差僅為2.5％。
　　③提出并設(shè)計(jì)制作了一種基于微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵(Micro Structure Fiber Bragg Grating，MSFBG)的擺錘型全光纖點(diǎn)式低頻振動(dòng)傳感器。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)為：(1)可探測(cè)振動(dòng)頻率低，傳統(tǒng)的單自由度質(zhì)量-彈簧-阻尼器型慣性式振動(dòng)傳感器是通過(guò)測(cè)量慣性加速度導(dǎo)致梁的形變量來(lái)探測(cè)振動(dòng)

6、，而該傳感器是通過(guò)測(cè)量慣性力引起的FBG彎曲特性來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)證明該傳感器可以探測(cè)一定振幅內(nèi)振動(dòng)頻率任意低的振動(dòng)，甚至是靜態(tài)的傾斜。(2)易解調(diào)，通過(guò)直接測(cè)量 MSFBG的反射光強(qiáng)來(lái)測(cè)量振動(dòng)，解調(diào)系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，有效地降低了傳感器的成本。(3)該傳感器還解決了傳統(tǒng)光纖振動(dòng)傳感器的溫度交叉敏感問(wèn)題。
　?、芴岢霾⒃O(shè)計(jì)制作了一種基于微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵(Micro Structure Fiber Bragg Gratings，M

7、SFBGs)的振動(dòng)和溫度同時(shí)準(zhǔn)分布式測(cè)量的全光纖傳感器，有效地解決了點(diǎn)式振動(dòng)傳感器復(fù)用難的問(wèn)題。同時(shí)，該傳感器具有微型化和無(wú)溫度交叉敏感等優(yōu)點(diǎn)。
　　論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為：
　?、偬岢霾⒃O(shè)計(jì)制作了一種基于HCF和MSF的簡(jiǎn)支梁型全光纖點(diǎn)式低頻振動(dòng)傳感器，實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了傳感器的低頻振動(dòng)和溫度響應(yīng)特性。通過(guò)將傳統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)梁和質(zhì)量塊集成在光纖上，有效地實(shí)現(xiàn)了傳感器的微型化，同時(shí)也降低了該傳感器的溫度交叉敏感度。
　?、谔岢霾⒃O(shè)