本文選題：光纖 + 加速度傳感器��； 參考：《石家莊鐵道大學》2015年碩士論文

【摘要】：光纖傳感測試技術(shù)由于具有抗電磁干擾能力強、測量精度高、穩(wěn)定性好、能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離傳輸、便于復(fù)用成網(wǎng)等優(yōu)點,已成為工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。本文主要根據(jù)橋梁振動監(jiān)測的實際需求,提出了一種基于45°F-P腔的光纖加速度傳感器設(shè)計方案,并通過傳感機理分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、傳感介質(zhì)優(yōu)選、封裝工藝及性能考核試驗等研究,研制出了能夠滿足橋梁振動監(jiān)測要求的FP-45光纖加速度傳感器。本文的主要研究工作和創(chuàng)新成果如下:第一,通過對橋梁結(jié)構(gòu)振動特性分析、加速度信號感知途徑及光纖F-P加速度傳感器傳感原理分析,提出了一種基于45°F-P腔的光纖加速度傳感器設(shè)計方案。該設(shè)計方案借鑒已有光纖F-P加速度傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上,將45°鏡面引入F-P腔中,有效解決了現(xiàn)有光纖加速度傳感器的一階共振頻率與靈敏度的矛盾關(guān)系,在不增加質(zhì)量塊質(zhì)量的前提下顯著提高了傳感器的靈敏度。第二,在對傳感器的敏感單元(懸臂梁、基座、質(zhì)量塊、微調(diào)螺栓)和傳感單元(F-P腔、內(nèi)置45°鏡面鋼管、傳感光路)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上,確定了傳感器各組成部分的結(jié)構(gòu)尺寸。該傳感器外形尺寸為120 mm×80 mm×45mm,具有結(jié)構(gòu)小巧、重量輕、現(xiàn)場安裝簡便的優(yōu)點。第三,通過對光纖F-P加速度傳感器的傳感介質(zhì)(主要包括光纖、反射膜和G-lens自聚焦透鏡等)的優(yōu)選試驗,確定了最優(yōu)的光纖芯徑、反射膜尺寸和F-P成腔結(jié)構(gòu)。當采用9/125μm的光纖及同芯經(jīng)的G-lens和2×1耦合器,直徑為1.5mm、反射率為90%的鍍銀膜和全反膜內(nèi)置結(jié)構(gòu)時,可顯著增加光束耦合到光纖中的光束強度,并獲得最好的F-P腔干涉條紋對比度,提高了光纖F-P加速度傳感器的穩(wěn)定性。第四,在對傳感器的全反膜粘貼技術(shù)、G-lens透鏡的封裝技術(shù)和整體結(jié)構(gòu)封裝技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,確定了傳感器的封裝工藝,制作出了FP-45光纖加速度傳感器,并對其進行了性能考核試驗。試驗結(jié)果表明:該傳感器在測量量程、靈敏度、頻率測試范圍、頻率響應(yīng)特性和可靠性等方面均滿足設(shè)計指標要求,適用于橋梁結(jié)構(gòu)振動的長期監(jiān)測。
[Abstract]:Optical fiber sensing testing technology has become an important development direction in the field of engineering structure health monitoring because of its strong ability of resisting electromagnetic interference, high measurement precision, good stability, long distance transmission and easy reuse to form a network. According to the actual needs of bridge vibration monitoring, a design scheme of fiber-optic acceleration sensor based on 45 擄F-P cavity is proposed in this paper. The FP-45 fiber optic accelerometer which can meet the requirements of bridge vibration monitoring has been developed through the research of packaging technology and performance test. The main research work and innovative achievements are as follows: first, through the analysis of bridge structure vibration characteristics, acceleration signal sensing approach and fiber F-P acceleration sensor principle analysis, A design scheme of fiber-optic acceleration sensor based on 45 擄F-P cavity is presented. Based on the structural design of fiber-optic F-P accelerometer, the 45 擄mirror surface is introduced into F-P cavity, which effectively solves the contradiction between the first order resonance frequency and sensitivity of the existing fiber-optic accelerometer. The sensitivity of the sensor is improved significantly without increasing the mass. Secondly, on the basis of optimizing the structure of the sensor sensitive elements (cantilever beam, base, mass block, fine-tuned bolt) and sensing unit (F-P cavity, built-in 45 擄mirror steel tube, sensing optical path), The structural dimensions of each component of the sensor are determined. The size of the sensor is 120mm 脳 80mm 脳 45mm, which has the advantages of small structure, light weight and easy installation. Thirdly, the optimal optical fiber core diameter, reflective film size and F-P cavity structure are determined by the optimal selection of the sensing medium (mainly optical fiber, reflective film and G-lens self-focusing lens) of the fiber F-P accelerometer. When we use 9 / 125 渭 m fiber, G-lens and 2 脳 1 coupler with 1.5mm diameter and 90% reflectivity, the intensity of the beam coupled to the fiber can be significantly increased, and the best contrast of the interference fringes of F-P cavity can be obtained. The stability of F-P accelerometer is improved. Fourthly, on the basis of the research on the packaging technology of the G-lens and the packaging technology of the whole structure of the sensor, the packaging technology of the sensor is determined, and the FP-45 fiber optic acceleration sensor is fabricated. The performance test was also carried out. The experimental results show that the sensor meets the design requirements in measuring range, sensitivity, range of frequency measurement, frequency response characteristics and reliability, and is suitable for long-term monitoring of bridge structure vibration.
【學位授予單位】：石家莊鐵道大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U446

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本文編號：2091377