论文部分内容阅读
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。