高精度光纤加速度传感器关键技术研究

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随着光纤光栅技术和增益光纤技术的进步,光纤激光器得到了长足的发展,应用领域不断拓展。由于光纤自身的抗电磁干扰能力、低损耗特性和对外界参量敏感的特点,结合光纤激光器信噪比高、传感参量多等优点,光纤激光传感器获得了研究人员的青睐。其中短腔分布布拉格反射(DBR)光纤激光器由于其结构小巧、信号强度大、稳定性好等优点,在高精度振动、压强、应变等传感领域得到了不断的研究。加速度传感器常被应用于地震波监测、成像系统防抖动装置、结构健康监测等领域。为了获得对微弱振动信号的精确采集与恢复,需要高精度的加速度传感器。本文利用DBR光纤激光器的正交偏振拍频信号展开高精度加速度传感器的理论分析和实验研究。本文的主要内容包括:(1)简述了加速度传感器的研究进展;分析了基于光纤传感技术的加速度传感器。(2)介绍了DBR光纤激光器的制备方法,并结合光纤光栅模式耦合理论和法布里波罗腔的透射谱特性,分析了DBR光纤激光器的工作原理;研究了DBR光纤激光器的拍频传感机理,进行了DBR光纤激光器拍频的侧向力灵敏度及温度灵敏度实验研究。(3)探讨了DBR光纤激光器的拍频稳定性;发现了DBR光纤激光器时域自脉冲,并首次揭示了时域自脉冲导致拍频稳定性恶化的原因;提出了“自注入”方式消除自脉冲,实现拍频波动从800kHz到8kHz的显著降低。(4)设计了悬臂梁-质量块加速度传感增敏换能结构;推导了DBR光纤激光器加速度传感器灵敏度和固有频率公式;运用ANSYS,进行了加速度传感器结构的灵敏度和固有频率仿真;对比分析理论公式和仿真分析结果,提出了加速度传感器的结构优化设计。(5)研制了加速度传感器样机系统;开发了基于LABVIEW的拍频解调模块;分析了加速度传感器的性能。实验发现,本文提出的悬臂梁-质量块结构加速度传感器的频率响应平坦范围为20Hz200Hz,灵敏度达到1.9732GHz/g,实验精度为2?10-55 g,理论精度可以达到4?10-6g,适用于高精度微振动探测。
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