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基于双圆柱增敏结构的热丝式MEMS矢量水听器研制

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仪表技术与传感器 2018年第12期 105-110页

作者：张虹郭世旭王月兵赵鹏武珺中国计量大学计量测试工程学院浙江杭州310018 国网辽宁省电力有限公司计量中心辽宁沈阳110168

针对热丝式MEMS质点振速传感器应用到水下时,其灵敏度严重衰减的问题,提出了一种双圆柱增敏结构,通过流体仿真分析,优化了增敏结构设计,并设计了一种水下应用的封装结构。在空气半消声室及矢量水听器水下驻波场校准装置中的测试表明,其... 详细信息

针对热丝式MEMS质点振速传感器应用到水下时,其灵敏度严重衰减的问题,提出了一种双圆柱增敏结构,通过流体仿真分析,优化了增敏结构设计,并设计了一种水下应用的封装结构。在空气半消声室及矢量水听器水下驻波场校准装置中的测试表明,其在20～2 000 Hz频段内,增敏结构对声波信号放大约10 dB,研制的矢量水听器工作频段为20～800 Hz,灵敏度达到-199 dB。

关键词：热丝 MEMS矢量水听器增敏结构频率

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基片式光纤光栅应变传感器增敏结构研究

光通信技术 2018年第6期42卷 21-24页

作者：李忠玉张志勇张信普杨顺智王鹏西南交通大学信息科学与技术学院信息光子与通信研究中心成都610031

改变光纤光栅(FBG)传感器的封装结构在提高传感器的测量灵敏度、保护传感器方面具有重要的作用。在传统应变片封装结构的基础上,设计了一种具有新型增敏结构的基片式封装结构。对新型封装的结构参数与传感器应变灵敏度之间的关系进行了... 详细信息

改变光纤光栅(FBG)传感器的封装结构在提高传感器的测量灵敏度、保护传感器方面具有重要的作用。在传统应变片封装结构的基础上,设计了一种具有新型增敏结构的基片式封装结构。对新型封装的结构参数与传感器应变灵敏度之间的关系进行了仿真分析,并与一般封装结构的特性进行了对比。仿真结果表明,在整体尺寸相同的情况下,采用新型增敏结构应变片的应变灵敏度为463με/N,是一般封装结构应变片的3.4倍。对FBG传感器进行了封装处理和对比测试实验,实验结果与理论设计相符合。

关键词：光纤布喇格光栅基片式增敏结构应变传感器灵敏度

FBG增敏结构及其在管道泄漏检测中的应用研究

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FBG增敏结构及其在管道泄漏检测中的应用研究

作者：李广智天津大学

学位级别：硕士

管道作为天然气最主要的运输方式,越来越得到广泛应用。随着天然气管道建设规模的不断扩大和服役时间的增长,天然气管道运输的安全性成为业内重点关注的突出问题。天然气具有易燃易爆的特性,一旦发生泄漏,不仅造成经济损失,还严重危及... 详细信息

管道作为天然气最主要的运输方式,越来越得到广泛应用。随着天然气管道建设规模的不断扩大和服役时间的增长,天然气管道运输的安全性成为业内重点关注的突出问题。天然气具有易燃易爆的特性,一旦发生泄漏,不仅造成经济损失,还严重危及人民生命财产安全。由于天然气的可压缩性,天然气管道泄漏难以产生明显的弹性振动波信号,且泄漏激发的弹性振动波传播距离有限,这对检漏传感器灵敏度提出了更高要求。本文将光纤光栅(FBG)动态振动传感方式与振动增敏结构相结合,对管道突发和连续泄漏引起的振动信号进行检测,探讨了管道泄漏检测应用中改善FBG检测灵敏度的方法。主要创新性工作包括:设计以材料添附方式代替传统的材料裁剪方式的高频倒置声学黑洞传感结构,使其得以在振动检测方面得到应用。通过建立倒置声学黑洞的高频弹性波传感模型,仿真分析宽频弹性波在声学黑洞区域内的汇聚放大效果,利用激光测振仪扫描实验对仿真结果进行验证。提出并设计基于倒置声学黑洞光纤光栅传感器,开展FBG+PZT强度解调弹性波检测实验,检验倒置声学黑洞结构对光纤光栅振动传感的增敏效果。设计单悬臂梁、背靠背悬臂梁、六边形梁低频传感结构,对三种结构的共振频率与时频特性进行了仿真分析,通过振动台光纤光栅FBG+PZT强度解调实验对仿真结果进行验证,计算传感器敏感频率下的加速度灵敏度。开展管道泄漏检测实验,采用低频、高频增敏结构的FBG传感器进行不同距离、不同泄漏孔径的泄漏实验测试,实验结果说明FBG增敏结构传感器可以对不同条件下的管道泄漏事件进行高灵敏检测,验证了FBG增敏结构在管道泄漏检测方面的有效性。

关键词：光纤光栅增敏结构管道泄漏检测振动检测

基于增敏结构的热丝式MEMS矢量水听器研究

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基于增敏结构的热丝式MEMS矢量水听器研究

作者：张虹中国计量大学

学位级别：硕士

矢量水听器因其偶极子指向性及强抗干扰能力,是声纳系统研究的热点之一。本文设计并制作一种基于MEMS纳米线结构的热丝式矢量水听器,具有“8”字指向性,可以广泛应用于水声学测量的各个领域。通过对热丝式MEMS质点振速传感器的灵敏度与... 详细信息

矢量水听器因其偶极子指向性及强抗干扰能力,是声纳系统研究的热点之一。本文设计并制作一种基于MEMS纳米线结构的热丝式矢量水听器,具有“8”字指向性,可以广泛应用于水声学测量的各个领域。通过对热丝式MEMS质点振速传感器的灵敏度与两根热丝间距、热丝耗散功率和质点振速等关键因素的理论和仿真分析,确定了传感器的最优几何尺寸和工作条件。针对热丝式MEMS质点振速传感器应用到水下时,其灵敏度严重衰减的问题,提出了一种双圆柱增敏结构,通过流体仿真分析,优化了增敏结构设计,并设计了一种水下应用的封装结构。设计了热丝式MEMS矢量水听器的信号处理电路,包括电源模块、R/V转换电路模块和仪表放大电路模块。文中对三种R/V转换电路方案—差分电桥电路、惠斯通电桥电路和镜像电流源电桥电路进行了比较分析,选择了可控性强、信噪比高的镜像电流源电桥电路作为转换电路的主要部分。对设计的热丝式MEMS矢量水听器进行了性能测试。在空气半消声室及矢量水听器水下驻波场校准装置中的测试表明:其在20～2000Hz频段内,增敏结构对声波信号放大约10dB,研制的矢量水听器工作频段为20～800Hz,灵敏度达到-199dB@800Hz;具有良好的“8”字指向性,且指向性曲线平滑,横向抑制比约为30dB。

关键词：热丝 MEMS矢量水听器增敏结构频率

应用于隔震支座变形位移监测的三维位移传感器研究

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应用于隔震支座变形位移监测的三维位移传感器研究

作者：王晨旭防灾科技学院

学位级别：硕士

21世纪以来地震频发,因地震造成的建筑结构震害带来大量人员伤亡和经济损失。为提高结构的抗震能力,国家积极推广隔震技术,隔震支座作为隔震技术的核心构件,其健康状态直接关系到整个结构的抗震性能,因此,隔震支座健康状态监测成为隔震... 详细信息

21世纪以来地震频发,因地震造成的建筑结构震害带来大量人员伤亡和经济损失。为提高结构的抗震能力,国家积极推广隔震技术,隔震支座作为隔震技术的核心构件,其健康状态直接关系到整个结构的抗震性能,因此,隔震支座健康状态监测成为隔震技术能否发挥作用的关键。实际中,隔震支座监测手段主要采用传感器技术,传感器的精度、灵敏度和量程隔震支座监测的核心指标。但是,一方面,隔震支座因水平位移变形较大,需要传感器兼具宽量程和高灵敏度,然而两者在传感器设计中相互制约;另一方面,隔震支座监测一般采用三个位移传感器同步测量,这使得传感器固定端在克服其他方向位移干扰时产生多轴累积误差,降低传感器测量精度。因此,为进一步提高传感器的灵敏度和精度,并确保其量程,以提供精确的数据评估隔震支座的健康状况,论文展开了如下研究工作:(1)隔震支座三维位移传感器设计。针对位移传感器在隔震支座宽量程测量时灵敏度不足及位移传递机构偏移引起的测量误差问题,提出一种L型杠杆结构悬臂梁式可旋转三维位移传感器。L型杠杆利用其放大原理可将监测位移放大传递至悬臂梁上,增大梁表面弯曲应变,提高传感器灵敏度;通过在传感器外壳底部设计带角度传感器的旋转机构,可实现通过对一个传感器的监测位移和角度信息进行矢量分解运算便可获取三维空间位移信息的目的,大幅度降低采用多个传感器对监测精度带来的不利影响。对位移传感器测量原理进行理论分析,理论公式表明,L型杠杆结构悬臂梁式传感器灵敏度大小可通过自主调整L型杠杆A臂和B臂长度的比值确定。进一步用ANSYS软件确定传感器结构的最优尺寸,并进行静应力仿真分析验证其增敏效果,模拟仿真确定L型杠杆A臂和B臂的长度的最佳比值为1.625,传感器灵敏度提高1.585倍,满足实际隔震支座监测需求。(2)三维位移传感器温度漂移与补偿研究。针对三维位移传感器温度漂移问题,提出一种硬件与软件相结合的的补偿方法。在硬件补偿方面,设计了温度自补偿的测量电路,实现对温度漂移的有效抑制。考虑到,硬件补偿不能完全消除温度影响,且补偿调试过程比较繁琐,进一步设计了基于遗传算法优化反向传播(Genetic Algorithm-Back Propagation,GA-BP)神经网络的位移传感器温度补偿方法,通过遗传算法对神经网络初始参数进行全局搜索并优化,筛选出理想的权重和阈值,然后应用反向传播算法细化参数调整,以此实现对不同温度下输出电压数据的精准预测。使用MQTH1000F-2N型温控箱搭建温度漂移测试系统,对其温度漂移指标进行测试,测试结果表明,在-30℃～50℃温度变化范围内,软、硬件结合方式零位温度系数和灵敏度温度系数均提高了3个数量级,满量程的相对误差由14.3%降低到0.74%,相较于未采用温度补偿,效果显著提升。(3)三维位移传感器性能测试及分析。搭建隔震支座三维位移传感器测试系统,对其静态、动态和环境性能进行测试。(1)使用旋转平台表搭建静态性能测试系统,对其灵敏度、精度等静态指标进行测试分析,测试结果表明:位移传感器在0-120mm的测量范围内,灵敏度为50.28m V/mm,精度为0.49%F.S,静态三维位移误差小于2mm,各项静态指标符合实际监测需求。(2)使用旋转平台和垂直振动台搭建传感器动态测试系统,对其动态性能进行测试分析,测试结果表明:动态位移测量误差小于0.4mm,满足隔震支座位移监测需求。(3)搭建环境性能测试系统,对其蠕变性和长期温度稳定性进行测试,测试结果表明:电压的上下波动量在8mv内,相对总量程误差为0.13%,室外长期温度漂移误差为0.6%,传感器具有良好的蠕变性和稳定性。(4)实际工程建筑物隔震支座监测应用研究。为了测试三维位移传感器在实际建筑工程中监测的性能,将研发的传感器应用于某教学楼的隔震支座实际建筑物的工程监测中,通过为期3天的持续监测结果表明:(1)隔震支座的位移变化以水平移动为主,而垂直位移则保持稳定。(2)X方向最大测量误差为0.13mm,Y方向最大测量误差为0.14mm,Z方向最大测量误差为0.08mm,满足实际建筑物隔震支座的健康监测需求(3)对比温度补偿前后的位移测量误差,三个方向补偿后的测量误差分别减小了0.51mm、0.53mm、0.46mm,证明了补偿方法的有效性。

关键词：三维位移传感器增敏结构温度补偿隔震支座位移监测

表面式FBG应变传感器及其在高速公路桥梁工程中的应用

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光电子．激光 2014年第3期25卷 435-441页

作者：郭永兴张东生周祖德李立彤朱方东武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室湖北武汉430070 武汉理工大学光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室湖北武汉430070

报道一种表面安装式光纤布喇格光栅(FBG)应变传感器及其在高速公路高架桥的车辆载荷压力试验中的应用。提出了一种具备应变放大能力且可调节的不锈钢封装的应变感测弹性结构,布设有FBG的弹性圆筒结构位于传感器中间部分,其横截面积小于... 详细信息

报道一种表面安装式光纤布喇格光栅(FBG)应变传感器及其在高速公路高架桥的车辆载荷压力试验中的应用。提出了一种具备应变放大能力且可调节的不锈钢封装的应变感测弹性结构,布设有FBG的弹性圆筒结构位于传感器中间部分,其横截面积小于传感器其他部分,传感器的应变测量放大系数可通过改变圆筒结构的长度和横截面积来调节。将24个经过测试标定后的应变传感器和6个FBG温度补偿传感器安装在甬台温高速吊水沿大桥箱梁底部,并对大桥实施一系列车辆载荷作用下的静态和动态试验,传感器表现出了良好的测量能力,3种静态载荷工况下的桥梁底部应变大小以及3种动态载荷工况下的应变变化情况被清晰地展现出来,理论分析与实验结果一致。

关键词：光纤布喇格光栅(FBG) 应变传感器增敏结构桥梁工程

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增敏型级联双参量测量的光纤传感器

激光与红外 2022年第7期52卷 1048-1053页

作者：彭进侯俊勇陈刚陈贞屹黄馨月西南石油大学信息学院四川南充637001 重庆理工大学材料科学与工程学院重庆400054

旨在有效解决液体折射率检测中温度和折射率交叉敏感的问题,研制了一种增敏型光纤光栅(FBG)级联马赫-曾德尔(M-Z)结构的温度、折射率双参量测量的光纤传感器。通过多次熔接实验,调节相应参数将单模光纤(SMF)和薄芯光纤(TCF)进行拉锥熔接... 详细信息

旨在有效解决液体折射率检测中温度和折射率交叉敏感的问题,研制了一种增敏型光纤光栅(FBG)级联马赫-曾德尔(M-Z)结构的温度、折射率双参量测量的光纤传感器。通过多次熔接实验,调节相应参数将单模光纤(SMF)和薄芯光纤(TCF)进行拉锥熔接;然后在TCF的另一端熔接无心光纤(NCF),制备出M-Z光纤干涉仪;再在NCF末端级联上铝制毛细管增敏封装后的光纤光栅(FBG),最终完成双参量测量的光纤传感器的制备。根据M-Z干涉原理及FBG模式理论,计算了增敏FBG理论的温度灵敏度,给出了传感器的灵敏度系数矩阵与温度、折射率与透射谱的波长漂移量的理论公式。搭建了温度、折射率传感测试系统,实验结果表明:在15~85℃温度范围内,随着温度增加,该传感器的透射谱逐渐红移,封装后的FBG和M-Z结构的温度与波长偏移量线性相关系数分别为0.96323和0.91577,温度灵敏度分别为33.71 pm/℃和11.58 pm/℃;在室温下(25℃),液体折射率在1.333RIU~1.34235RIU范围内,随着折射率增加,FBG透射谱不发生偏移,M-Z透射谱逐渐蓝移,折射率与波长偏移量线性相关系数分别为0和0.98761,折射率灵敏度分别为0 nm/RIU和-493.51322 nm/RIU。该传感器可以有效提高温度、折射率的检测精度和灵敏度,可应用于环境、生物、石油化工和食品生产等领域。

关键词：光纤传感双参量测量光纤光栅马赫-曾德尔干涉增敏结构

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超短FBG的高灵敏度温度传感器

激光与红外 2021年第8期51卷 1057-1064页

作者：吴昊张洋王帅刘瀚霖辛璟焘北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室北京100192 北京信息科技大学光纤传感与系统北京实验室北京100016 中国建筑材料科学研究总院有限公司绿色建筑材料国家重点实验室北京100024 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院安徽合肥230009

为了研究一种适用于人造卫星环境温度监测的高灵敏度温度传感器,利用超短光纤光栅的小尺寸优点并结合双金属增敏结构研究设计小尺寸高灵敏度温度传感器。采用1 mm超短光纤光栅作为测量敏感元件,以热膨胀系数大的铝材作为基底、热膨胀系... 详细信息

为了研究一种适用于人造卫星环境温度监测的高灵敏度温度传感器,利用超短光纤光栅的小尺寸优点并结合双金属增敏结构研究设计小尺寸高灵敏度温度传感器。采用1 mm超短光纤光栅作为测量敏感元件,以热膨胀系数大的铝材作为基底、热膨胀系数小的殷钢为热应变传递梁,将30 mm的铝材基底热应变转化为1 mm超短光纤光栅上的弹性应变,达到高效的温度增敏效果,实现了高灵敏度的温度测量。经测试,高灵敏度温度传感器的温度灵敏度系数为292.59 pm/℃,分辨率优于0.004℃,线性度为99.93%。该传感器可用于温度的精确测量,具有尺寸小和分辨率高等优点。

关键词：超短光纤光栅温度传感增敏结构

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基于多模干涉型光纤振动传感器的研究

基于多模干涉型光纤振动传感器的研究

作者：殷焱煊哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

振动探测与监控是对建筑、桥梁、公路人行道和水坝等基础设施进行无损检测的重要手段。振动传感器不仅可以对发动机、舰船、航天器进行结构健康检测,还可以对地震活动和火山喷发进行环境监测。光纤振动传感器能很好的避免传统压电式传... 详细信息

振动探测与监控是对建筑、桥梁、公路人行道和水坝等基础设施进行无损检测的重要手段。振动传感器不仅可以对发动机、舰船、航天器进行结构健康检测,还可以对地震活动和火山喷发进行环境监测。光纤振动传感器能很好的避免传统压电式传感器受电磁干扰的缺点,它尺寸小、重量轻,而且可以长距离分布测试。鉴于它有上述优点,光纤传感技术被广泛研究,发展迅速。本文主要从传感结构中光的传输、传感结构的振动特性、声音振动测试以及传感结构的增敏几方面对基于多模干涉型光纤振动传感器进行了研究。(1)简要阐述了课题的研究背景和意义,从理论上介绍了多模干涉和梁的弯曲振动,为基于多模干涉的光纤振动传感器奠定理论基础。最后介绍了基于多模干涉的振动检测原理,确定了本文的检测方法,这种方法成本低而且容易实现。(2)对悬臂梁型单模-多模-单模(SMS)光纤振动传感器进行了研究,首先我们对悬臂梁的光传输进行了模拟,然后从理论计算和模拟上对悬臂梁进行了振动特性分析。最后对悬臂梁进行音频振动测试,分析了声压级与悬臂梁振动幅值的关系、悬臂梁长度对振动响应的影响和悬臂梁中多模光纤的长度对结构灵敏度的影响。实验结果显示,熔接了多模光纤的悬臂梁可以实现对声音振动的测量,而且声压级越大悬臂梁振幅越大,悬臂梁的长度影响了梁的固有频率,也决定了最强响应位置,梁中的多模光纤的长度越短灵敏度越高。(3)对标准SMS结构的光纤振动传感器进行了研究,首先对SMS结构进行了光传输模拟,然后从理论计算和模拟两方面对两端固定的梁进行了振动特性分析。最后对SMS结构进行声音振动测试,以及提出了几种提高结构灵敏度的方案。在对SMS结构进行测试的结果显示,在50Hz-1000Hz范围内,SMS结构对频率的识别度很高。最后我们对结构提出了三种增敏方案,一种是薄膜增敏,这种方案不改变SMS本身的结构,只是将SMS结构贴在薄膜上,通过实验发现,将SMS结构贴在薄膜上可以实现部分频率范围的增敏,而且利用赫姆霍兹共振器的增敏更加明显。一种是利用飞秒激光将SMS结构中间部分的多模光纤部分刻蚀掉,实验发现,刻蚀深度对振动的响应有影响,最后一种是将SMS结构中间部分的多模光纤进行拉锥处理,实验表明,这种处理可以明显提高结构的灵敏度,而且在保证出射光的情况下,锥区越细长越好。

关键词：光纤传感器多模干涉 SMS结构振动传感增敏结构