航空发动机,高精密机床和大型汽轮机等大型旋转机械设备是国民经济和国防建设的基础性和战略性装备,其健康稳定运行状况直接影响着国家安全和国民经济的稳定发展。因此采用有效的传感检测技术对机械设备状态实时监测极其必要,它是提高机械设备安全运行可靠性、减少国民经济损失的重要保证。通过振动信号的检测实现对机械健康监测,是目前最常用、最有效的技术手段。目前传统传感器检测手段,其存在抗电磁干扰能力差、稳定性差等不足,很难适应复杂旋转机械结构及其工况环境,同样也不便于多点布置,难以实现分布网络式监测。光纤光栅作为一种新型的无源传感器,其具备电类传感无可比拟的优势,且易构建多参数分布式传感网等优点。为机械系统的多参数分布动态检测开辟了新的研究方向和机械振动检测研究提供了新的思路。本论文在国家高技术研究发展计划863等项目支持下,以机械振动检测为应用背景,重点围绕多样化的机械振动信息与分布光纤光栅传感信号的匹配模型、机械振动的矢量特性与光纤光栅传感的多维感知的关联模式两个基础科学问题,开展机械振动的光纤光栅传感原理与关键技术的研究。主要工作和研究成果包括:(1)针对光纤光栅的传感原理及其力学特性,确立了光纤光栅的振动传感模型;提出了分别基于粘贴型FBG、光纤轴向和光纤横向振动感知模型的振动检测方法;通过理论和实验研究规范了粘贴型FBG的工艺准则,并且建立了含质量块的光纤轴向和横向振动方程,在此基础上通过理论分析了其振动传感特性。为后续的光纤光栅振动传感器的设计提供基本理论指导。(2)针对粘贴型的FBG振动传感器特性受粘贴工艺的影响的特点,提出了基于粘贴工艺实现粘贴型FBG振动传感器增敏的方法,并通过了理论、仿真以及实验的方法加以验证;针对旋转机械中高频振动信号的检测需求,研制了结合光纤轴向振动特性和膜片的FBG振动传感器;采用数值分析方法,提出了传感器的传感特性与设计参数的映射关系模型;并且在此基础上针对光纤光栅的热载效应,提出了一种基于实验差分实现温度补偿的方法。(3)针对旋转机械转轴的振动特性,通过磁力耦合原理、圆膜片和光纤光栅相结合,提出了基于磁力耦合的非接触式FBG振动检测方法,研制了一种适用于旋转轴振动的非接触式FBG振动传感器。搭建了非接触式FBG振动传感器的实验传感特性研究系统,分析了传感器的实验传感特性。根据“理论-实验-理论”相互修正的方法,优化了理论模型,并通过修正后的理论模型实现了传感器的传感特性预估。再此基础上提出了一种双差分温度补偿方法,利用该方法进行温度补偿后,可实现对工作在变温等恶劣环境下的旋转轴实现长时间的振动检测。(4)针对光纤光栅的横轴向振动感知特性,提出了一种基于双FBGs单光纤的二维振动解耦方法,并研制了一种基于双FBGs的二维振动传感器。通过数值仿真分析与实验相结合的方法,验证了二维FBG振动传感器理论模型和解耦方法的正确性。基于以上原理,通过机械结构的设计提出了一种三维振动FBGs组合式检测方法,采用实验的方法验证了三维振动解耦的有效性。针对光纤光栅的横向弱刚度,易受质量块大小和光纤的预拉力的影响等特点,建立了传感器横向振动灵敏度优化模型;针对光纤横向振动的低频响,易出现过载损坏和质量块的转动误差等不足,提出了一种抗转动干扰以及拓宽频带的FBG振动传感新方法。通过采用并联加强梁/弦的结构,最终实验验证该方法有效的拓宽了多维FBG振动传感横向频带。(5)利用所设计的光纤光栅振动传感器,组建了针对旋转机械振动的光纤光栅传感检测系统。采用电涡流传感器作为参考基准,验证了FBG振动传感器的信号拾取的有效性以及成功地提取了旋转轴的临界转速;利用光纤一线多点的特征,结合文中设计的振动传感器构建了针对旋转机械的光纤光栅振动传感多点检测系统,实现了旋转机械振动状态的实时检测;通过非接触式FBG振动传感器,构建了汽轮机低速动平衡台振动检测系统。