基于F-P腔的高分辨率光纤倾斜和加速度传感器研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:JunKao
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光纤传感器以其不受电磁干扰、抵抗恶劣环境、易复用的优点在各种领域广泛被应用,例如道路桥梁安全、能源安全、建筑工程、航空航天领域等等,其中光纤倾斜传感器在其中扮演着重要的角色。现有的光纤倾斜传感器大都是基于光纤布拉格光栅(FBG)原理制作的,通过倾斜后产生的应力使FBG的特征波长发生移动来测量倾斜的角度。针对当前光纤倾斜传感器领域对高分辨率大动态范围性能优异的传感器需求的问题,本文研究了基于F-P腔的高分辨率光纤倾斜传感器,并且实现了倾角加速度多参量测量。论文的主要工作概括如下:结合单摆模型对倾角加速度传感器的倾角测量机理进行了理论分析,得出了F-P腔长和倾角大小成线性关系,并且采用了受迫阻尼振动模型对倾角加速度传感器的加速度测量机理进行了理论分析,得到了F-P腔长不仅和加速度有关还和外界振动频率有关,针对这个问题,采用绘制经过非线性拟合的加速度频响曲线的方法来测量外界加速度大小,其中F-P腔长大小通过快速白光干涉算法(WLI)得到。在此基础上制作了基于单摆原理的传感器实物模型,采用了铜作为摆锤质量块的材料,碳纤维线作为悬线的材料,铝作为封装外壳的材料。为了和试验结果对比并为试验设计做参考,在大型模拟软件中建立了光纤传感器模型并进行了模态分析和谐响应分析,在0–200Hz范围内得到了两个固有频率分别为0.886Hz和1.667Hz。经过倾角标定实验,确定了倾角量程为-2.8°-+2.6°,测量出了传感器的倾角分辨率为0.023″。经过加速度实验测量出了传感器在2.5Hz的时候发生共振,绘制出了经过非线性拟合的加速度频响曲线,通过曲线数据来获取外界加速度值,确定了可测量出外界振动的频率范围为0-180Hz。通过实验验证了传感器能同时且实时测量倾角和加速度。
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