本文選題：光纖光柵　切入點(diǎn)：水聽器探頭　出處：《東北大學(xué)》2014年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：聲波是海洋遠(yuǎn)距離傳輸?shù)挠行лd體,光纖水聽器是一種把水下聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的換能器,是水聲學(xué)中最重要的測(cè)量?jī)x器,現(xiàn)已經(jīng)在海洋石油、海洋漁業(yè)、天然氣勘探、醫(yī)學(xué)測(cè)量等方面得到的廣泛的研究和應(yīng)用。為了解決傳統(tǒng)壓電結(jié)構(gòu)水聽器抗電磁干擾差等問題,論文以光纖光柵為傳感元件設(shè)計(jì)了基于等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵水聽器,并對(duì)其特性進(jìn)行了分析和測(cè)試,主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)從光纖光柵加速度傳感理論出發(fā),采用等強(qiáng)度懸臂梁設(shè)計(jì)了一種新型的光纖光柵水聽器探頭結(jié)構(gòu),并且針對(duì)其交叉敏感特性提出了雙光柵差動(dòng)結(jié)構(gòu)的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)。通過仿真實(shí)驗(yàn)確定探頭的尺寸。(2)通過ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)沿x、y、z軸三個(gè)方向的靈敏度分別為13.55pm/g、0.0296pm/g和0.00037pm/g,橫向靈敏度均達(dá)不到敏感靈敏度的1%,具有良好的橫向抗干擾能力；在敏感方向上一階模態(tài)起到主要作用,并且受其他模態(tài)影響很小,可以避免交叉耦合現(xiàn)象。(3)對(duì)所設(shè)計(jì)的FBG水聽器探頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝,并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。靜力實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的水聽器探頭的壓力靈敏度為1.1547nm/N,光纖光柵中心波長(zhǎng)與應(yīng)力之間存在良好的線性關(guān)系,并未出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象；振動(dòng)測(cè)試表明該結(jié)構(gòu)具有較高的振動(dòng)靈敏度；溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了探頭的溫度補(bǔ)償特性。(4)通過光纖光柵F-P振動(dòng)解調(diào)系統(tǒng),將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),將測(cè)量得到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為加速度信號(hào),該方法的掃描速度是傳統(tǒng)光譜儀解調(diào)法的300倍。解調(diào)得到FBG水聽器的加速度靈敏度為11.9pm/g。本文所設(shè)計(jì)的水聽器加速度靈敏度為11.9pm/g,并且具有良好的橫向抗干擾能力；固有頻率為50.98Hz,具有較好的低頻測(cè)量特性；雙光柵差動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠有效避免溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。綜上,本文所設(shè)計(jì)的光纖光柵水聽器可以滿足水下聲壓信號(hào)的測(cè)量需求。
[Abstract]:Acoustic wave is an effective carrier of ocean long-distance transmission, fiber optic hydrophone is a kind of transducer to convert underwater acoustic signal into optical signal, it is the most important measuring instrument in underwater acoustics, which has been used in offshore oil, offshore fishery and natural gas exploration. In order to solve the problem of electromagnetic interference difference of traditional piezoelectric hydrophone, a fiber Bragg grating hydrophone based on equal strength cantilever beam structure is designed based on fiber grating as sensing element. The main research contents are as follows: (1) based on the acceleration sensing theory of fiber Bragg grating, a new type of fiber grating hydrophone probe structure is designed by using an equal-strength cantilever beam. The temperature compensation design of double grating differential structure is put forward according to its cross sensitivity. The size of probe is determined by simulation experiment. The finite element analysis of the structure is carried out by ANSYS. The results show that the structure is along the xyyong z axis. The sensitivity of the three directions is 13.55 pm / g 0.0296 pm / g and 0.00037 pm / g respectively. The first mode plays a major role in the sensitive direction, and is little affected by other modes, which can avoid the cross coupling phenomenon. It can encapsulate the designed FBG hydrophone probe structure. The static experiment shows that the pressure sensitivity of the hydrophone probe is 1.1547 nm / N, and there is a good linear relationship between the center wavelength and the stress of the fiber grating. The vibration test shows that the structure has high vibration sensitivity, and the temperature compensation experiment verifies the temperature compensation characteristic of the probe. 4) the vibration signal is converted into the voltage signal through the fiber Bragg grating F-P vibration demodulation system. The measured voltage signal is converted into an acceleration signal, The scanning speed of this method is 300 times that of the traditional spectrometer demodulation method. The acceleration sensitivity of the FBG hydrophone is 11.9pm / g. The acceleration sensitivity of the hydrophone designed in this paper is 11.9pm / g and has good transverse anti-jamming ability. The natural frequency is 50.98 Hz, which has good low frequency measurement characteristics. The design of double grating differential structure can effectively avoid the influence of temperature change on the measurement results. The fiber Bragg grating hydrophone designed in this paper can meet the need of underwater acoustic pressure signal measurement.
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TB565.1

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本文編號(hào)：1563169