基于光纤光栅的小型化振动传感器特性研究

作     者：孙睿 

作者单位：防灾科技学院 

学位级别：硕士

导师姓名：洪利;滕云田

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：光纤布拉格光栅 加速度 小型化 传感器特性 

摘      要：地震、泥石流等自然灾害会劣化我国大型基础设施的健康状况,导致工程安全风险加剧,时刻威胁着人民生命健康安全和经济平稳有序发展。因此靠振动传感器时时拾取大型结构的自振频率、不良振动等特征参数,开展基于低频工程振动的结构损伤识别,是对大型工程结构健康进行趋势研判和安全预警最直接、最有效的方式。相较于传统的电学振动传感器,光纤布拉格光栅作为一种新型无源传感器件,具有体积小、灵敏度高、分布式测量、传输损耗低等优点及传感部分电磁绝缘,本质安全等独特优势,使其能够在恶劣的环境条件下替代电子加速度计,在保证低频振动信号高保真采集的同时能够提高远程在线监测的能力。本文以采集工程振动为应用场景,将基于光纤光栅的小型化加速度传感器特性作为研究目标,以光纤布拉格光栅传感原理、加速度传感器振动模型以及封装方式为基础,设计适用于采集低频振动数据的两类光纤加速度传感器,其一为三悬臂梁结构的低频光纤光栅加速度传感器,其二为双倾斜悬臂梁低频光纤光栅加速度传感器,对其结构设计展开研究,并搭建低频振动测试实验系统,测试两类传感器的低频振动特性。本文主要内容如下:(1)分析光纤布拉格光栅应变与温度传感原理以及两种易于实现的温度补偿方式;在传统电学加速度传感原理基础上,推导出FBG加速度传感器的灵敏度理论公式,为后续的研究工作提供了理论支撑,提出两点粘贴轴向封装FBG传感模型和两点粘贴径向封装FBG传感模型,利用ANSYS Workbench仿真软件研究光纤长度及预应力对其自振特性的影响,为后续FBG加速度传感器的设计与封装提供理论依据。(2)针对低频地震数据采集的实际需求,提出一种三悬臂梁结构的低频光纤光栅加速度传感器。建立传感器的理论模型并优化其参数,优化后传感器探头质量约为138 g,体积约为19.56 cm,符合小型化的设计目标;利用ANSYS Workbench软件对其进行仿真分析,随后通过实验研究其传感特性。实验结果表明,该传感器的固有频率约为64 Hz,可用于监测16-54 Hz频率范围内的振动信号,灵敏度约为87.955 pm/m·s,抗横向干扰度小于2.58%,动态范围可达86 d B。(3)为分析悬臂梁倾斜角度对传感器特性的影响,提出一种双倾斜悬臂梁低频光纤光栅加速度传感器。建立传感器的理论模型,推导倾斜悬臂梁传感器灵敏度理论公式;仿真并优化传感器的结构参数,优化后传感器探头质量约为32 g,体积约为3.96 cm。制作水平梁加速度传感器,并设计对照实验。实验结果表明,双倾斜悬臂梁传感器固有频率约为46 Hz,可用于监测6-30 Hz频率范围内的振动信号。传感器灵敏度约为4.16 pm/m·s,抗横向干扰度小于5.62%。相较于水平悬臂梁FBG加速度传感器,双倾斜悬臂梁FBG加速度传感器的平坦响应区增加了约30%,但灵敏度减小了约1倍,基本满足低频振动信号采集的需要。