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光纤光栅悬臂梁测振传感器的研究

作者：逯春红 Publish: 2007-6-1 Hits:-

【中文题名】

光纤光栅悬臂梁测振传感器的研究

【英文题名】

Research on Fiber Bragg Grating Cantilever Vibration Sensor

【学科专业】

测试计量技术及仪器

【论文级别】

硕士论文

【投稿时间】

2007-6-1

【中关键词】

光纤光栅,布拉格反射波长,机械振动故障诊断,双金属悬臂梁,模态分析,

【英关键词】

fiber Bragg grating,Bragg reflection wavelength,mechanical vibration fault diagnosis,bimetallic cantilever,modal analysis,

【分类导航】

工业技术>自动化技术、计算机技术>自动化技术及设备>自动化元件、部件>发送器（变换器）、传感器>物理传感器

【论文摘要】

在机械设备故障诊断中,常常要分析该设备的机械振动频率、加速度等参数与故障的关系,因此,对振动各参数的精确测量尤其重要。但是目前的振动测试系统主要是由电磁类传感器组成,其灵敏度不高且抗电磁干扰能力差,已远远不能满足许多实际需要。因此,研究和开发新型的振动传感器是改善现有振动测试系统的关键。光纤光栅传感技术的出现为当前振动传感技术的发展提供了良好的技术手段,由于光纤光栅传感器具有灵敏度高、动态范围宽、不受电磁干扰、成本低、体积小等优点,使其在传感领域具有很好的应用前景。本论文设计了一种适用于机械振动故障检测的光纤光栅悬臂梁振动传感器,该传感器基于光纤光栅应变传感机理,具有灵敏度高、绝缘性好、抗电磁干扰、体积小、重量轻以及便于远程监测等优点,实测时只需将其安装在待测点上即可,使用安全、方便,实现了绝对式测量。传感头的主要结构是热双金属片悬臂梁,悬臂梁一端固定在机座上,另一端带有质量块M,光纤光栅粘贴在悬臂梁上。在测量机械振动时,把机座固定在振动源上,机座与振动源同时振动,从而引起质量块M的振动,在惯性力的作用下悬臂梁产生应变,带动光纤光栅伸长和收缩,从而引起其布拉格反射波长的变化,如果...

【论文题纲】

摘要	3-5
Abstract	5-10
1 绪论	10-15
1.1 光纤光栅传感器概述	10
1.2 振动传感器概述	10-11
1.2.1 振动测量一般方法概述	11
1.2.2 光纤加速度计	11
1.3 光纤光栅振动传感器的研究现状	11-14
1.4 本论文的主要研究内容与意义	14-15
2 光纤光栅光学传感特性	15-31
2.1 光纤光栅传感技术的研究与进展	15-17
2.1.1 光纤光栅的分类	15-16
2.1.2 光纤光栅的写入技术	16-17
2.2 FBG 的基本光学特性	17-19
2.2.1 光纤光栅（FBG）的波导结构	17-18
2.2.2 光纤光栅的基本光学参数	18-19
2.2.3 光纤光栅反射峰的特点	19
2.3 FBG 的基本传感原理	19-23
2.3.1 FBG 应变传感模型	19-21
2.3.2 FBG 温度传感模型	21-23
2.3.3 振动加速度传感模型	23
2.4 FBG 传感信号的检测	23-26
2.4.1 概述	23-24
2.4.2 FBG 常用解调方法	24-26
2.5 应用放大自发辐射光源（ASE）的解调方案	26-30
2.5.1 概述	26-27
2.5.2 解调原理	27-28
2.5.3 ASE 光源单调下降区域的确定	28
2.5.4 光纤布拉格光栅的选取	28-29
2.5.6 FBG 波长漂移的最大值	29-30
2.5.7 FBG 光功率/波长灵敏度的计算	30
2.5.8 应变和光功率的关系	30
2.5.9 温度变化和光功率的关系	30
2.6 本章小结	30-31
3 光纤光栅悬臂梁测振系统的构成和原理	31-41
3.1 光纤光栅悬臂梁测振传感器的结构	31
3.2 双金属悬臂梁的选取及其等效参数推导	31-33
3.2.1 等效密度	32
3.2.2 等效杨氏模量	32
3.2.3 等效弯曲刚度	32-33
3.3 悬臂梁的静态特性	33-36
3.3.1 悬臂梁的弯矩方程	33-34
3.3.2 横截面上的应力及其分布规律	34-35
3.3.3 最大应力计算公式	35
3.3.4 最大应变计算公式	35-36
3.4 振动加速度测量系统的动态模型	36-40
3.4.1 加速度计模型	36-38
3.4.2 振动传感器的幅频特性和相频特性	38-39
3.4.3 光纤光栅加速度计数学模型	39
3.4.4 光纤光栅悬臂梁测振传感器的振动频率和待测振动频率之间的关系	39-40
3.5 光纤光栅悬臂梁测振系统的固有频率	40
3.6 本章小结	40-41
4 传感头尺寸的优化及固有频率仿真分析	41-48
4.1 传感头尺寸的优化	41-42
4.1.1 对传感头进行优化的原因	41
4.1.2 优化原则	41
4.1.3 优化方法及结果	41-42
4.2 传感器加速度测量范围的确定	42
4.3 光纤光栅悬臂梁振动传感器的固有频率ANSYS 仿真分析	42-47
4.3.1 传感头的模态分析	43-46
4.3.2 等效为弹簧-质量系统的ANSYS 模态分析	46-47
4.4 本章小结	47-48
5 光纤光栅悬臂梁测振系统的光电检测电路设计	48-55
5.1 测振系统结构	48-49
5.1.1 系统结构及原理	48
5.1.2 光路中各参数的计算	48-49
5.2 光电信号检测电路设计	49-54
5.2.1 前置放大电路的设计	49-51
5.2.2 高通滤波电路的设计	51-52
5.2.3 后续放大电路和除法电路的设计	52-53
5.2.4 带通滤波电路的设计	53
5.2.5 调零电路和跟随电路的设计	53-54
5.2.6 示波器显示电压与待测加速度的关系	54
5.3 系统的灵敏度	54
5.4 本章小结	54-55
6 光纤光栅悬臂梁测振系统和温度传感特性的实验分析	55-67
6.1 传感头的制作	55-56
6.1.1 胶粘剂的选取	55
6.1.2 具体制作过程	55-56
6.2 光纤光栅悬臂梁测振系统的实验分析	56-61
6.2.1 传感头的初始反射中心波长和光功率的测量	56-57
6.2.2 光纤光栅悬臂梁振动传感头的固有频率测量实验	57-59
6.2.3 光纤光栅悬臂梁测振实验	59-61
6.3 温度传感特性的实验分析	61-66
6.3.1 裸光栅的波长-温度灵敏度理论值η_T	61
6.3.2 光纤光栅悬臂梁的温度特性	61-62
6.3.3 光纤光栅悬臂梁温度传感系统的解调	62-66
6.4 本章小结	66-67
7 总结和展望	67-70
7.1 光纤光栅悬臂梁测振系统实现双参数测量	67-69
7.1.1 振动和温度同时测量方案的提出	67
7.1.2 振动和温度同时测量的原理	67-68
7.1.3 利用匹配光栅消除温度变化的原理	68-69
7.2 多参数测量前景展望	69
7.3 本章小结	69-70
8 结论	70-71
致谢	71-72
参考文献	72-75
攻读硕士学位期间发表论文	75

【DOI】

LunWen.ID:2.2008.383407



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