（光学专业论文）fbg振动传感器的研究.pdf

摘要 随着信息化水平的提高，各种工程结构、机械结构和地震自然灾害等的监测对分析 和解决复杂的振动提出更高的要求传统的机械和电学振动传感器在灵敏度、精度、动 态范围、抗电磁干扰等方面已经不能满足应用需求。光纤b r a g g 光栅振动传感技术通过 对传感信号的波长调制可以实现对物理量的绝对测量。该技术具有抗电磁干扰能力强、 易于同波分复用技术结合，质量轻、体积小等优点，现已成为传感技术研究领域的热点。 本文主要围绕f b g 振动传感器技术展丌理论和实验研究，设计了一种三脚支架体和 等强度悬臂梁结构的f b g 振动传感器，其固有频率为1 0 1 5 h z 、灵敏度系数分别为 2 8 5 p m m s - 2 ，并应用体光栅和感光线阵列等结构实现了波长分辨率为l p m 的解调。 论文所做的主要内容和获得的研究结果如下： 1 通过对光纤b r a g g 光栅成栅机理及折射率分布的研究，模拟了f b g 的光传输特 性。研究了温度、轴向压力、横向压力对f b g 的影响以及f b g 的温度压力的交叉敏感 特性等。 2 从振动力学角度分析了等截面和等强度两种悬臂梁的力学特性，建立了振动传感 器的力学理论模型。通过研究幅频和相频特性曲线，得到了位移和加速度振动传感器最 佳的固有频率和阻尼比等结构参数。 3 设计了微挠度控制测试仪、放大电路和8 位精度的数据采集卡，编写了数据处理 程序。设计了可实现大振幅振动简单测量的电阻应变式传感器。 4 研究了光栅粘贴工艺，自制了用于f b g 振动传感器的设计的光纤微拉控制甲台 和1 2 2 h z 的低频振动平台，并在正弦激振的方式下的获得了较理想的实验结果。通过 位移传感实验，验证了f b g 传感器与电阻应变传感器具有较高的精度。最后时设计的 三维振动传感器模型进行了理论分析。 关键词：光纤b r a g g 光栅f b g 振动传感器解调技术 s t u d yo nf b g v i b r a t i o ns e n s o r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h em o n i t o r i n go n av a r i e t yo f e n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r e sa n dn a t u r a ld i s a s t e r ss u c ha se a r t h q u a k eb e c o m e m o r eh i g h l yd e p e n d e n to nt h e a n a l y s i sa n ds o l u t i o no fc o m p l e xv i b r a t i o n t r a d i t i o n a l m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lv i b r a t i o ns e n s o r si nt h ea s p e c t so fs e n s i t i v i t y , a c c u r a c y , d y n a m i c r a n g e ，a n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n ds oo n ，c a l ln ol o n g e rm e e tt h ea p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t s f i b e rb r a g gg r a t i n gv i b r a t i o ns e n s o r st e c h n o l o g yc a na c h i e v ea na b s o l u t e m e a s u r e m e n to fp h y s i c a lq u a n t i t i e st h r o u g ht h em o d u l a t i o no fs e n s o rs i g n a l sw a v e l e n g t h t h e t e c h n o l o g yb e c o m e sah o tp o i n ti nt h es e n s o rt e c h n o l o g yr e s e a r c hf i e l d ，f o ri t sa d v a n t a g e s s u c ha sp e r f e c tc a p a b i l i t yo fa n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e c o n v e n i e n tc o n j u g a t i o n 、砘t h t h ew d m t e c h n o l o g y m o r e o v e r , t h ee q u i p m e n th a sl i g h tw e i g h ta n ds m a l ls i z e t h ef b gv i b r a t i o ns e n s o rt e c h n o l o g yi ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yi nt h i s 。 a r t i c l e w ed e s i g naf b gv i b r a t i o ns e n s o rw h i c hh a ss p e c i a ls t r u c t u r eo fm e t a lt h r e e l e g g e d s t a n da n de l a s t i cc a n t i l e v e r p a r t i c u l a r l y , i t sn a t u r a lf r e q u e n c yi sl01 5 h z ，t h es e n s i t i v i t y c o e f f i c i e n ti s 2 8 5 p m m s 吨t h ew a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o ni sa c h i e v e d w h o s ep r e c i s i o ni s lp m ，v i aa d o p t i n gt h et e c h n o l o g yo fb u l kg r a t i n ga n dl i n e a rd i m e n s i o n a ls e n s i t i z a t i o na r r a y t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h eo p t i c a lt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ff b gi ss t u d i e db a s e do nt h es t u d yo ft h e m e c h a n i s mo ff i b e rb r a g gg r a t i n g sa n dt h er e f r a c t i v ei n d e xd i s t r i b u t i o n f u r t h e r m o r e ， t e m p e r a t u r e ，a x i a lp r e s s u r e ，l a t e r a lp r e s s u r eo nt h ei m p a c to ff b g a n df b g st e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r eo fc r o s s s e n s i t i v i t yc h a r a c t e r i s t i c s 2 t h ec a n t i l e v e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fu n i f o r ms e c t i o na n de q u a ls t r e n g t ha r e r e s e a r c h e di nt h ep e r s p e c t i v eo ft h em e c h a n i c a lv i b r a t i o n i ts h o u l db es t r e s s e dt h a ta m e c h a n i c a lm o d e lo ft h ev i b r a t i o ns e n s o r si se s t a b l i s h e dh e r e h a v i n gs t u d i e dt h ea m p l i t u d e a n dp h a s ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i cc u r v e s ，s t r u c t u r a lp a r a m e t e r si n c l u d i n gt h eb e s tn a t u r a l f r e q u e n c ya n dd a m p i n gr a t i oa r ep r e s e n t e d 3 w eh a v ed e s i g n e dam i c r o d e f l e c t i o nc o n t r o lt e s t e r , p r e c i s i o na m p l i f y i n gc i r c u i t ra n d 8 一b i td a t ac o l l e c t i n gc a r d ，d a t ah a n d l i n gp r o g r a ma n dr e s i s t a n c es t r a i ns e n s o rw h i c hc a n m e a s u i et h ev i b r a t i o no fl a r g ea m p l i t u d e 4 ad i s t i n c t i v eg r a t i n gp a s t ep r o c e s si sp e r f o r m e di nt h i sp a p e r w em a k et h ef i b e ro p t i c m i c r o p u l lc o n t r o lp l a t f o r ma n d12 2 h zl o w - f r e q u e n c yv i b r a t i o np l a t f o r m f o rt h ef b g v i b r a t i o ns e n s o r e x c i t i n g l y m u c hb e t t e rr e s u l t sa l eg e tu n d e rt h es i n u s o i d a le x c i t a t i o n w i t h d i s p l a c e m e ms e n s o re x p e r i m e n t , w ed i s c o v e rt h a tt h ea c c u r a c yo ft h ef b g s e n s o ri sm u c h h i g h e rt h a nt h er e s i s t a n c es t r a i ns e n s o r f i n a l l y , w ec r e a t e da l lo p e r a b l et h r e e d i m e n s i o n a l v i b r a t i o ns e n s o rm o d e l ，w h i c hc a nb ep r o v e dt h e o r e t i c a l l y k e yw o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b gv i b r a t i o ns e n s o r ，d e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被奁阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：指导教师签名：丝煎兰：l 0 町。年月日 如，。年6 月，7t 3 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 弓等哮 0 0 7 0 年月日 - 矿q - - i t 人学硕士学f 移论文 第一章引言 1 1 传感器的发展 进入新世纪，计算机、光通信和传感器技术i l 。7 】依然是自动化、信息化世界的三大 核心技术。一个完整的信息采集处理过程往往由计算机、光通信和传感器三个基本系统 组成，计算机系统通常被比作信息处理的“大脑 ，光通信系统就是传导信息的敏感“神 经 ，而传感器便成为获取、感知信息的重要“感官”。如果没有了这个“感官”，一切 系统就都成了“聋子 、“瞎予 。换句话说，如果没有精确可靠的传感器摄取信息，一 切高精确高灵敏度的自动检测和控制系统的研究丌发都将是一句空话。从这个意义上 讲，传感器技术当之无愧成为引领自动化、信息化时代的前沿技术。现代传感器技术发 展程度的高低已经成为衡量一个国家综合科技实力的重要指标之一。 上世纪8 0 年代美国科学界权威人士就宣称全球科技已经步入传感器时代【2 3 】，很快 成立了专门机构b 粥，组织和领导全国各科研部门的传感器技术开发工作。在关乎 其国土长久安全和经济持续繁荣的2 2 项技术中有6 项是传感器信息技术方面的，在保证 本国武器质量长期具有压制性优势的关键技术中8 项为无源传感器。美国空军将有助于 提高2 l 世纪空军作战能力的1 6 项关键技术中的传感器技术排在第二位。同本也随即将 传感器技术提升到计算机、激光、通信、半导体、超导等六大高新技术发展之首，在日 本科技厅制定的7 0 多个国家重点科研项目中有1 8 项是与发展传感器技术密切相关的。 英、法、德、原苏联等技术发达国家逐年加大对传感器应用技术的研究开发投入。一时 之间，在全球范围内掀起了一场传感器技术的发展狂潮。相比之下，中国在该领域的研 究起步较晚一些，在9 0 年代力成立专门的传感器协会组织，在国际竞争日益加剧的今天， 中国的科研工作者正在加紧研发进程，2 0 0 0 年以后国家的“8 6 3 计划等许多重大科研 专项都直接与传感器研究相关。三十年以来传感器产量和市场需求量年增长率保持在百 分之十以上。据初步统计，当前全世界从事传感器研制生产的企业单位已有5 0 0 0 余家。 其中美国、欧洲、俄罗斯等囤已达3 0 0 0 多家，日本独占8 0 0 多家。各种各样的传感器的 已经逐步从科研实验进入现代生活，在军事领域、航天、医学、食品、家用电器生产制 造等各个行业中，传感器都正在发挥着无可替代的作用。图1 是对传感器应用领域的一 个详细统计【3 】。随着现代科技信息化和自动化程度的加剧，传感器在各行业中的需求量 也逐年增加，图2 是日本电子工业振兴协会对传感器在现代科学技术中需求量的最新统 第章引矗 l 【，一刊赡 l 一 1h 时 n _ ln nll1 埘| =i i l 愁f际l 臣2 传感器在现代科拄中的需求量统计图 传感器技术的相关知识已经渗透到各个学科领域中，然而随着整个世界信息化、自 动化的迅速发展，对测控系统的精度提出了越来越高的要求。因此传感器将向着实时性， 高精度、数字化、集成化、微型化、光线化、网络化、智能化等儿个方向发展i 。 1 2 传感器的分类 对传感器的分类郾8 ，常用的方法有两种。 按照被测量的物理量分类：压力传感器、温度传感器、重量传感器、位移传感器、 加速度传感嚣、转矩传感器、液位传感器、湿度传感器等。 按照_ ：l = 作砸理分类：电学传感器、热学传感器、光学传感器、磁学传感器、声学传 感器等。其中常_ | = i j 的是电学传感器，具体包括电阻式、电容式、电感式传感器等，在国 内外市场上已经占有相当的份额。目前研究比较热的是光学传感器，具体包括光电传感 西北大学硕十学f 移论文 器、光纤传感器和光纡光栅传感器等，该类传感器较多处于实验室研究阶段，比较成熟 的技术产品很少。 1 3 光纤光栅传感器的发展 传感器技术以其技术含量高、经济效益好、开发前景j “阔等优点成为世界公认的“最 有生命力”的高新技术产业。然而随着计算机和通信技术的跨越式发展，传感器技术越 来越凸显出发展的相对滞后性。在日益复杂的各种测控系统中，传感器遇到许多问题亟 待解决i z 3 , s , 9 1 ，主要表现在感知信息不够灵敏、精度不够高、响应速度不够快、实时性不 强，智能化程度较低、兼容性不强导致传感网络化进程受限等。这些与计算机、通信技 ， 术处理信息高速、实时、准确的能力相比很不相称，因此如不能及时有效的解决传感器 发展道路上几项技术难题，该技术便很可能成为制约全面自动化、信息化的“瓶颈 。 由于电子在感知信息、传导信息上存在的“物理极限”，而光子比微波等无线电有较高 的频率，可以更快的传输信息合更大程度的实现高密度载波，这使得许多科研工作者把 解决问题的途径投向了日益发展成熟的光子技术，特别是激光技术、光纤和光纤无源器 件的发展使得光电检测技术取得长足的进步，随之一种以光作为信号载体进行信息感知 的新技术光纤传感技术取得突破性进展。光纤传感技术具有不受电磁干扰、本质安 全、质量轻、体积小、可以进行网络复用、可遥感控制、可埋入工程结构中形成智能化 神经网络结构等特点，该技术在传感领域得到广泛应用，并成为主流的发展方向之一。 善 然而仅仅使用通信光纤来作传感光纤是远远达不到传感要求的，因此需要研究专门用于 传感器的光纤。 近年来，一种可以在光纤中写入光栅的新技术给光纤通信和光纤传感技术带来了新 的曙光。因为人们发现应力、温度等外界环境的变化都会引起光纤常数的改变进而导致 光栅谐振波长的变化，只要通过合适的解调系统获知光纤光栅反射谱或透射谱的参量 值，就可以相应的推矢n # l - 界环境某些参量的改变情况。光纤光栅的应用研究最初丰要集 中在光纤布拉格光栅1 1 0 】( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) ，它通常是一种周期小于l l l m 的 短周期光纤光栅。用光纤光栅制作的传感器除具有普通光纤传感器的的优点外，还有 其独特的优势传感信号的波长调制，详见表l 。 3 第一章引言 表1普通光纤传感器与光纤光栅传感器的优点比较 抗电磁 二扰和原子辐射、本质安全、纤径细、质地软、重量轻、绝缘、 普通光纤传感器 耐高温、耐腐蚀、测量范围广( 可测量温度、压力、应力、应变、液 的优点列举 位、气体和液体浓度、流量、流速、电流、电压等) 、测量结果重复 性好、灵敏度高。 1 信号不受光源起伏、传输光纤弯曲、连接损耗和探测器老化等因素 影响。 2 避免了般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的 需要。 光纤光栅传感器 特有的优点 3 可以采用波分复用( w d m ) 、时分复用( m m 、空分复用( 龀) m ) 或联合使用，使于进行大面积的多点测量。还可以使用波分复用技术 在一根光纤中串接多个光纤光栅进行分布式测量，构成传感| ) 1 ) 9 络。 4 光纤光栅很容易埋入工程材料中对其内部的廊变和温度进行高分辨 率和大范围的测量。 最初光纤布拉格光栅在传感领域中首先实现的是单参数的传感。1 9 9 5 年，】，d r a o 等 人【1 1 1 用中心波长为1 3 1 0 m 的光纤布拉格光栅实现了应变传感，其应变灵敏度为 1 1 5 p m 占，后来他们先后用中心波长为8 0 0 n m 和1 5 5 0 n m 的光纤布拉格光栅实现了温 度传感，波长灵敏度分别为6 8 p m oc 1 3 p r o oc 。1 9 9 6 年，尺b w a g r e i c h 等人【1 2 j 在低双折射光纤上成功的写入光纤布拉格光栅，并用于横向负载实验，他们发现，当负 载大于4 0 n 时单波峰因为双折射分裂为双波峰，达到了3 ，2 7 p r o n _ 1 的负载灵敏度。2 0 0 1 年，y z h a n g 等人f 1 3 1 在光纤布拉格光栅上涂覆上化学聚合物制成压力传感器，实现了灵 敏度为一3 4 x1 0 。n m m p a 的压力传感。y o j io k a b l e 等人f 1 4 】予2 0 0 4 年利用啁啾光纤布拉 格光栅的反射谱峰值可以表示为光栅不同位置函数的理论实现了探测复合材料中裂缝 位置的无损探测传感。同年，a i a d i c i c c o 等人把经过氢氟酸溶液处理过的光纤布拉格 光栅制成折射率传感器，得到了较好的实验结果，在1 4 5 和1 3 3 3 的折射环境溶液中， 传感器对其的分辨率可达1 0 。和1 0 - 4 。以后陆续有人报道实现了对磁场、电场、电流、 电压等单参量的光纤布拉格光栅传感。 后来人们尝试将多个光纤布拉格光栅进行级联或与其他的传感器进行配合使用，然 4 西- f l ：；入学硕士学化论文 后通过观测光纤布拉格光栅中心波长、强度、偏振态等参量实现对多个量的同时测量。 1 9 9 4 年，e c h e v a r r i a 等人1 1 6 l 用一个f b g 的两个损耗峰值实现了应变和温度的同时测 量。2 0 0 1 年，v v s p i r i n 等人【1 7 】把两个不同中心波长的f b g 进行级联，然后用石英毛细 管进行封装用于传感实验，实现了温度、应变的同时测量。同年，】，j r a o 、x k 乃馏 等人1 1 8 , 1 9 1 利用f b g 和f p 非本征干涉腔、啁啾光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅及 w d m ( 波分复用器) 等的结合，先后实现了温度、静态应变、振动、横向载荷等二参 数、三参数、四参数的同时测型2 0 2 1 1 。2 0 0 2 年，占彳l g w a n d u 等人制作了超结构的光 纤布拉格光栅传感器( 类似于一个f b g 和一个l p f g 的串联) ，晟终实现了应力和弯曲 的同时测量，并且首次对其进行了温度测量补偿。2 0 0 3 年，g u a n g h u ic h e n 等人【2 2 】在 高双折射率光纤上利用相位掩模法写入了f b g ，发现对应快轴模式的f b g 和对应慢轴 模式的f b g 分别与温度和压力的变化呈明显的线性关系，据此理论，他们实现了温度 和压力的同时测量，温度精度为l o c 、压力精度为o 5 m p a 。同年，黝m p 刀p 疗【2 3 j 等人 利用f b g 实现了油井下的温度压力同时传感测量，并对f b g 做了可靠性实现，发现， f b g 可以承受高达2 5 0 0 c 的温度和i o o m p a 的压力，此外，他们还做了大量的f b g 的一 损坏性实验，实验结果表明，2 5 0 0 c 高温下，f b g 在五年内变化仅为l p m ，在此高温 工作状态下，在静力应力小于i g p a 时，f b g 可以至少有五年的工作寿命。国内近年来 也有较多关于多参数f b g 传感实现成功的相关报道，就不一一列举。 在研究f b g 多参数的同时传感的同时，人们已经开始利用w d m 、t d m 、s d m 等 技术着手研究f b g 的分布式传感。1 9 9 6 年，s 协口馏等人【2 4 1 实现了相位f b g 内的单调 分布式传感技术。同时，m v o l a n t h e n 等人【2 5 1 利用可调谐朋g 作为参考光栅并结合低相 干性反射技术成功实现了任意分布的应变传感，精度为5 0 肛，空间分辨率为o 8 n m 。2 0 0 0 年，g d u c k 等人【2 6 1 实现了基于群延迟直接测量技术的f b g 内应力分布式传感实验，精 度达到2 4 , u e ，空间分辨率为1 6 5 n m 。目前国内外在分布式传感技术领域主要集中在对 应变传感的研究和应用方面。 1 4 振动传感测量技术的发展概况乜h 羽 为适应现代高科技生活，各种工程结构和机械系统，例如航天器、车辆、精密机床 加工设备、船舶、高楼建筑等，正在向着复杂、高精度等方向发展，为了保证其可靠的 第4 章弓i 苦 寿命和良好的性能，必须研究在其工作状态下受环境影响l 面产生的振动问题。除此之外， 复合材料的结构性能检测，民用建筑结构疲劳的检测，桥墩和桩基的监测，油田、煤炭 和各种矿藏的开采勘探，岩土、岩石结构的振动监测，沼泽、山区等复杂地表地区的监 测，爆破监测，地层万米深的天然地震波实时监测，探索天然地震灾害、次生灾害、地 质滑坡以及桥梁、大坝、公路破损等预警预报监测等都离不l 丌对复杂振动问题研究。随 着大型计算机、高速通信系统和先进测试系统的发展，使得分析和解决各种复杂的振动 问题成为可能。 在结构系统中，只要具备惯性质量和恢复力就可以产生振动，具备这样条件的系统 称之为振动系统【3 6 3 7 1 。惯性质量、弹性和阻尼因数表征振动系统的固有属性。外界环境 对系统的影响作用( 如施加的外力、地面基础运动等) 称为激励。系统在激励作用下产 生的运动，称为系统的响应。所谓的振动问题就是研究激励、响应和系统的动态特性之 间的关系，振动问题的研究主要包括三方面的课题振动分析、环境预测、系统识别。所 谓的振动分析就是已知激励和系统的动态特性，分析研究系统的响应。环境预测就是已 知系统的动态特性和响应来确定系统受到的外界激励。而系统的识别就是已知系统所受 到的激励和响应进而确定系统的动态特性。振动问题的应用具体就是研究如何更迅速更 精确测量振动的位移( 幅度) 、振动速度、加速度、噪声信号、激振力的大小，这些 般都属于动态参数。实现对动态参数的测量就是要把传感器测得的非电学量转化为电信 号，中间要经过锁相、放大、滤波等环节，达到对信号的预处理，最后记录、分析并显 示振动的全过程。 翻前振动传感器主要包括三大类：机械式振动传感器、电动式振动传感器和光纤光 栅振动传感器。发展最早的机械式振动测量仪表存在磨损度离、读数精度差、传感信号 输送滞后等缺点，随着后两种振动仪器的发展，机械式振动测量仪已经被彻底淘汰了。 现在市场占有率最高，研究最成熟的是电动式传感器，按照工作原理分类包括：电涡流 式、加速度式、速度式、电感式、电容式等( 如表2 ) ，电容式和电感式传感器在应用中 容易受周围介质的影响，随意现在已经较少使用。前几种由于研究成熟、制作工艺简单， 基本能够满足振动测量的需求，在实际中任然很常用。 表2 各种电动式传感器对比介绍 6 p - q - i t 大学硕士学位论文 1 电涡流式振分为高频和低频反射两类，其特点是制作结构简单、传感灵敏度岛、抗干扰 动传感器能力强、可以进行1 卜接触式测量。在二业生产和科研领域应用广泛。 主要是由压电陶瓷或者压电白英晶体等作为其敏感元件。实际中广泛应片j 的 2 压电式振动 主要是压电式加速度测量仪，特点是体积小、重量轻、有效t 作频率和量程宽、 传感器 适用于高频测量，缺点是低频振动情况下很难精确测量振动位移。 它是利用半导体或者金属庵变片作为敏感兀件的，这种传感器可以有灵活的 3 应变式加速 结构形式，体积小、重龌轻、输出阻抗低，在航天器、机动车辆、桥梁建筑等应 度传感器 用较多。 4 电容式传感具有结构简单、反应灵敏、性能稳定、液位高度等的测量，也可以进行非接 器触式测量，其缺点是抗环境污染能力差。 其输出值正比于振动速度，该传感器的输出阻抗低，在1 0 一1 0 0 0 尼频率范 5 速度传感器 围测量振动速度较为准确。 但是从长远发展来看，尤其是在微弱信号检测方面，计算机和通信技术带动了信息 处理技术的飞速发展，一些精密仪器的动态范围已经能达到1 0 0 d b ，然而以传统的机械 式、电动式振动传感器为基础组装的振动测试系统，其动态范围只能达到5 0 6 0 d b ， 远达不到技术要求。除此之外，传感器的调频范围有限，更一 能进行高频、低频的转换， 对于微弱信号来讲，其输出内阻较高，导致输出能量小、灵敏度下降，受环境影响大， 抗干扰能力弱，尤其是对随机干扰缺乏很好的抑制或屏蔽效果，结构性能稳定性差，采 集到的信号要实现数字化需要很多复杂的电路程序支持，其次是智能化程度受限，不能 灵活根据谐振频率、振动信号强弱和采集数据的要求进行适配的线性放大或调制，因此 不能适用于多种不同的振源。 光纤光栅振动传感器的研究虽然起步较晚，但是与机械式传感器和电动式传感器相 比有更多理想的优点吸引人们去研发，其前景一片大好。这是因为在光纤光栅振动传感 过程中的光波频率比电磁波( 如无线电波) 高很多，故不会受其干扰；光纤本身无需电 源驱动就可以传输光信号，绝缘性能佳，适宜在易燃易爆的场合中使用( 比如地下油井 或瓦斯气体环境中) ，安全可靠；制作光纤光栅的材料都具有较高的化学稳定性，所以 在各种酸碱性环境中也可以照常工作；并且由光纤光栅做成的振动传感器件尺寸重量都 很小，样式也很灵活；由于使用光纤传输信号，所以损耗较小，可以实现远距离控制测 试，其次是光波载信号的传输容量较大，可以进行三种复用技术的结合实现多点分布测 7 第章弓l 苦 量，更重要的一点是灵敏度高和动态范围大，可以弥补传统振动传感器的不足。光纤光 栅振动传感器的这些特点促使人们在各个领域研究新的应用形式，比如，设计更加精巧 的光纤光栅振动传感器的振动探测头，开发高性能的光纤光栅振动解调技术，研究全光 式的振动传感系统等等。关于一些光纤光栅类振动传感器更详细的指标参数和地震方面 的基础知识，详见附录1 3 引。 1 5 本课题研究的目的和意义 基于以上调研分析，不难看到光纤光栅振动传感器的研究价值。光纤光栅振动传感 器的灵敏度比电学类传感器能高一个数量级，可以测量微小信号，如微振动和微小位移 等。尽管在微小振动情况下，通过光纤光栅的光参量响应速度依然很快，并且其测量的 动态范围也很大。根据光纤光栅轻巧的特点还可以利用各种力学手段制作成小型振动传 感器便于进行分布测量组成振动网络系统，最后利用w d m 技术实现对采集信号集中传 输处理，这种方法损耗低、便于实现远程操作控制，人们只需要将这些传感器布置在被 探测区域，而无需守在旁边，只要把采集回来的数据进行特定处理，就可以得知被测环 境的情况，然后根据测算的情况及时调控各种附加设备，完成各项功能，可以实现真正 意义上的智能化、自动化。在当前的井下石油等矿藏探测和地震波监测等方面，如果能 研制出一种动态范围大、灵敏度高的实用型光纤光栅振动传感器必将为末来工业生产和 人民生活带来新的生机和活力。 1 6 本课题研究的主要内容 论文课题丰要以申请的西北大学研究生自主创新项目为支撑展开，主要研究基于光 纤b r a g g 光栅的振动传感器的基础理论和应用。全文共分五大章，具体内容如下： 第一章，从对传感器技术的调研分析入手，回顾了传感技术的发展历史，重点介绍 了光纤光栅传感技术，详细分析了光纤光栅的技术特点和当前国内外的研究现状。通过 分析当前振动传感发展概况，指出传统的机械和电学振动传感器在灵敏度、精度、动态 范围、智能化程度等方面存在的问题。肯定了基于光纤b r a g g 光栅的振动传感技术在当 前研究领域的研究意义。 第章，首先介绍了光纤光栅的成栅机理，模拟计算了光纤光栅折射率分布和传输 特性。重点研究了f b g 的传感原理，分别从理论和实验两个角度研究了f b g 温度传感 特性、轴向应力传感特性、横向压力传感特性以及应变、温度的交叉灵敏特性等问题。 得出的结论为f b g 振动传感器的设计和实验奠定下理论基础。 第三章，研究了振动力学两类重要的梁结构的振动理论问题。为利用特殊的梁结构 8 西北人学颁- - i - ：学位论文 实现应变调谐提供蕈要理论依据。 第四章，建立了振动传感器的力学理论模型，通过研究幅频和相频特性曲线，分析 了位移和加速度振动传感器最佳参数配比。自制了微挠度控制测试仪、放人电路和8 位 精度的数据采集卡，编写了数据处理程序，设计了电阻应变式传感器，实现了大振幅振 动的简单测量。详细研究了光栅粘贴工艺，自制了光纤微拉控制平台和低频振动平台。 设计了一种特殊三脚支架结构的f b g 振动传感器，应用体光栅、感光线阵列和 l a b v i e w 软件实现了振动解调。对于不同频率的正弦激振得到了较理想的研究结果。 最后从理论上研究了三维加速度传感器的模型。 第五章，总结全文工作，在现有理论和实验研究成果的基础上提出进一步研究的设 想。 第- 章f b g 振动传感的基本理论与特性 第二章f b g 振动传感的基本理论与特性 2 1f b g 的原理 光纤光栅【卜。1 是基于掺杂光纤的光敏特性，通过特殊的工艺加工使得外界激光器( 如 紫外光激光器等) 写入的光子和光纤纤芯内的掺杂粒子相互作用使其折射率产生轴向周 期性( 或非周期性) 调制而形成的空l 日j 相位光栅。这种沿着纤芯的纵向折射率变化，会 导致光纤光栅对特定波长的光产生反射或透射。 光纤光栅折射率沿轴向分布可表示为“3 ： 船= + 万n ( 咒) 1 + d c o s 【2 万z a ( z ) b ( 2 _ 1 ) 其中为光纤纤芯折射率，c s n ( n ) 为光纤纤：签折射率变化幅值，人( z ) 为光栅折射 率变化的周期，u 为折射率变化的条纹可见度。光栅有效折射率可表示为 n e f f 。+ s n ( 2 - 2 ) 图3 5 是三种典犁的光纤光栅折射率沿轴向的变化情况。图3 为均匀光纤b r a g g 光栅， 其中6 n ( z ) = 8 n o ，八( z ) = a 。；d = 1 0 ；图3 与图4 的光栅周期相同，艿嚣( 聆) 相同，不同的 足d = 0 9 ，但它也属于均匀光纤b r a g g 光栅；图5 可以看到光栅周期逐渐增加，故为啁啾 光纤光栅，其中艿，z ( z ) = 8 n o ，a ( z ) = 人o ( 1 + o 1 x z ) ，u = 0 9 ：对于一般的光纤光栅， 。= 1 4 4 6 ，万= 0 0 0 1 ，a o = 0 5 a m ，光栅长度上= 1 5 r a ma f p p 1 l|1； j ；lu卜lujill “ 图3 均匀光纤b r a g g 光栅折射率分布图 l o 两北大学硕：t 学化论文 图4 均匀光纤b r a g g 光栅折射率分布图 b r a g g 光栅条件n 3 3 等同于同时满足动量与能量守恒。能量守恒( 国，= h o j ，) 要求入 射光与反射光频率相同。动量守恒要求入射波矢量k ，与光栅波矢量k 之和等于散射波 矢量k ，这个关系可以简单表示为 k ，+ k = k ， ( 2 3 ) 光栅波矢量尺幅度大小为2 ，r a ，方向与光栅面的法向一致。散射波矢量与入射波 矢量的大小相等，方向相反。因此，动量守恒条件变为 2 ( 等r 2 7 4 ， 可以简化为： 九= 2 n 够a ( 2 5 ) 式中，光纤b r a g g 光栅的波长以是光纤b r a g g 光栅反射回来的入射光的中心波长； 是光纤纤芯的的有效折射率。该式就是b r a g g 光栅条件的基本方程。 光纤光栅1 1 在本质上就是一种无源滤波器件，相当于在光纤的纤：苍= 内形成一个窄带 反射或透射镜( 带宽通常约为0 1 0 5 n m ) 。对于折射率呈周期性分布的短周期光纤光栅 第_ 二章f b g 振动传感的县本删论l 3 特性 肋g ，其调制宽度和光栅周期均为定值，光栅的波矢方向与光纤轴向一致，当一 束宽带光从光纤的一头入射进光纤光栅时，根据耦合模理论和布拉格条件，对于满足布 拉格相位匹配条件的光会产生很强的反射，而对于不满足布拉格相位匹配条件的光，只 有很弱的部分光被反射回来。其结构和原理如图6 所示。 光纤布拉格光栅 输入光谱 l ，透射光谱 九 反射光谱 丸 图6f b g 的结构和工作原理图 2 2 均匀f b 6 传输特性仿真模拟 以均匀光纤b r a g g 光栅为例进行研究，假定其纤芯折射率为，沿光纤轴向折射率 表达式为： 讹h + s ( 等) 6 ， 式中，加为折射率扰动的大小，典型值为1 0 一1 0 。3 ；z 为沿光纤轴向的位移。可以利用 以上公式，编写二维电磁场f d t d “一1 程序，对均匀光栅的反射谱进行仿真模拟计算，并 与理论计算值值进行比较。 首先定义一个4 0 0 0 0 0 个网格的一维数组，在2 0 0 0 0 至4 0 0 0 0 0 的嘲格间定义光纤光栅， 然后将该区域的相对介电常数按光栅的周期分布进行设置，将栅距设为5 3 6 n m ，这样根 据理论计算，该光栅的反射光中心峰值应该在1 5 5 0 n m 附近。将光纤纤芯的有效折射设置 为= 1 4 4 6 ，8 n o = 0 0 0 1 。空间步长d x = 1 0 0 n m ，为了满足数值稳定条件，相应时间步 长设为d t = v c 2 d x ，计算4 1 0 0 时间步后，记录的反射光的场强如下图6 所示： 1 2 西北大学硕士学位论立 05 0 0 mm mm 图6 光纤光栅时域反射光强 将记录4 1 0 0 个点的时域光强信号进行光学傅里州变换可以得到光纤光栅的反射谱 如下图所示。由图7 可见经过数值计算得到的光栅反射谱中心波长与理论值是十分相近 的。我们改变光栅栅距的长度，通过数值计算比较了计算得到的光栅反射者中心波长与 理论值的关系，可知随着光栅栅距的增加，反射谱中心波长也随之线性增大。总之理论 值和数值解之间自良好的拟台关系。 藏鼍却m 】 图7 均匀光纤b r a g g 光栅的反射谱 目酊市场上有许多家公司出售和订做光纤布拉格光栅产品其典型的技术参数为： 中心波长为9 8 0 r i m ，l3 1 0 r i m 15 5 0 r i m ，由于光栅写入技术的原因并不是每根光纤光栅 都是严格的这三种中心波长值：波k 准确度一般为02 r i m ：反射率为o - 9 9 ：带宽为 0 l 一0 2 l o n m ：插入损耗小于等于n l d b ，如图8 是无锡光芯科技有限公司生产的 f b g 的反射光谱图。如图9 是实验室对f b g 实测光谱图形，反射谱、透射谱( 绿线) 1 3 第一章f b g 振动传感的基本理论与特性 的中心波长都为15 4 30 9 9 r i m c e a t e r w e l 。m n ( 7 1 )1 5 4 5 l 耻2 81 12 i啪l u t m 。2 0 m l o s sc 7 2 4 1 ) 1 34 5 d bh f l e c t l v i t y “) e ：! i i k e r 匮亩匹五殂 咀j 图8 f b g 的反射光谱图 k k l - _ i “葛 l 嚣m 蒜一；喜m z 日胃 0 7 一、一一 1 o r 。 j j j r一、 1 臻穗盘点毒 = _ ，u ，_ _ = i a p u 。 图0 实嘧富实测f b g 的反射光谱和透射光谱囝 23f b g 振动传感的基本理论分析 当宽带光波在光栅中传输时，由模式耦合理论1 1 1 可知，只有满足b r a g g 条件的光波 被f b g 强烈地反射r 而其余的光则全部透射出光栅a 其反射中心波长 。可由b r a g g 条 件决定： b = 2 哳a ( 2 7 ) 由上式可以看出f b g 的反射中心波长 日主要取决于光栅周期a 和有效折射率一盯， 任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅b r a g g 波长的漂移。而在所有引起 光栅b r a g g 中心波长漂移的外界因素中最直接的物理量是温度、应变、压力等参量， 当传感光栅周围的温度、应力或其它与此有关的待测量发生变化时，将会导致f b g 的 或 的改变，从而使光纤光栅反射中心波长发生微小的漂移。由式( 2 7 ) 取微分可得其 波长偏移量为i 6 i ； 两此人学硕士学化论文 a 2 四= 2 人幽万+ 2 n f f 。a a ( 2 8 ) 因此通过检测b r a g g 波长的漂移情况，即可获得待测物理量的大小。下面在忽略温 度和应力的交叉敏感和光纤芯径变化所引起的波导效应的影响下，具体分析光纤b r a g g 光栅仅在均匀分布的应力或温度作用下的传感特性。 2 3 1f b g 的温度传感特性 外界温度变化对b r