高溫環(huán)境下物體振動(dòng)的監(jiān)測在航天航空、油氣開采、化工生產(chǎn)等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用,而承力結(jié)構(gòu)的熱性能評估在這些領(lǐng)域中事關(guān)安全極其重要。在以往的研究中光纖法珀式的傳感器已經(jīng)證明在高溫環(huán)境下具有應(yīng)用前景,它們有抗電磁干擾,抗腐蝕,精度高的特點(diǎn)。本文旨在設(shè)計(jì)一種制備成本低、體積小的全石英光纖在線式高溫振動(dòng)傳感器,能夠嵌入物體內(nèi)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的直接測量,為將來光纖法珀傳感器的設(shè)計(jì)提供必要參考。論文的主要內(nèi)容包括:(1)本文提出了一種用于高溫環(huán)境下進(jìn)行振動(dòng)測量的在線式光纖法珀傳感器,通過在光纖上焊接不同內(nèi)外徑的石英套管構(gòu)建了質(zhì)量—彈簧—阻尼器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高溫下振動(dòng)的直接測量。分別從傳感器的光學(xué)解調(diào)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)以及熱力學(xué)設(shè)計(jì)三個(gè)方面詳細(xì)闡述了傳感器的設(shè)計(jì)思路并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真。(2)結(jié)合二氧化碳激光熔接機(jī)的圖形化可編程模塊精確控制馬達(dá)與激光,分別完成了傳感器法珀腔的制備、質(zhì)量塊系統(tǒng)的集成以及封裝外殼的焊接。實(shí)現(xiàn)了傳感器的高效率加工,具有很高的一致性,是一種批量化制造的方法。(3)搭建了高溫振動(dòng)的測試平臺,測試結(jié)果表明,本文中制備的在線式光纖振動(dòng)傳感器具有165Hz的共振頻率,靈敏度為11.57mv/g,非線性度為... 

【文章來源】：中北大學(xué)山西省

【文章頁數(shù)】：75 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

各行各業(yè)中的高溫振動(dòng)測試需求越來越多Fig.1-1Theincreasingdemandforhightemperaturevibrationtestinginvariousindustries

中北大學(xué)學(xué)位論文4到了400℃[14]。圖1-2徐春曉等設(shè)計(jì)的基于十字梁結(jié)構(gòu)的SOI微加速度計(jì)壓阻敏感結(jié)構(gòu)及工藝流程Fig.1-2PiezoresistivesensitivestructureandprocessflowofSOImicro-accelerometerbasedoncrossbeamstructuredesignedbyXuChunxiaoetal電容式的振動(dòng)傳感器主要是通過構(gòu)造電容腔設(shè)計(jì)，質(zhì)量塊在振動(dòng)的作用下與固定電極板發(fā)生相對位移從而產(chǎn)生電容值的變化。根據(jù)電容腔產(chǎn)生電容變化的方式，電容式振動(dòng)傳感器可以分為極距變化型，面積變化型和介質(zhì)變化型[15]。傳統(tǒng)的電容式振動(dòng)傳感器基于硅—硅鍵合工藝設(shè)計(jì)，精度高而且溫漂小，但是由于材料和電路的限制，無法在200℃以上工作。SOI的硅MEMS電容式振動(dòng)傳感器則相對擁有更高的工作溫度，美國ADI公司研制的ADXL206型雙軸iMEMS加速度計(jì)可以在175℃以下的溫度工作[16]。為了獲得更高的工作溫度，也有一些研究嘗試使用SiC材料、低溫共燒陶瓷(LTCC)和高溫共燒陶瓷(HTCC)制作電容式振動(dòng)傳感器，但由于不同材料的熱膨脹系數(shù)必須匹配就限制了制造工藝，使得電容式的振動(dòng)傳感器都很難超過175℃的溫度限制[17]。瑞典皇家理工學(xué)院的MikhailAsiatici等人建立了帶氧化層的傾斜平板電容器的靜態(tài)模型，通過對電容式加速度計(jì)的高溫測量，證明了在高達(dá)400℃的條件下實(shí)現(xiàn)可靠的電容轉(zhuǎn)換的可行性[18]。中北大學(xué)劉鵬飛基于LC耦合諧振原理設(shè)計(jì)使傳感器能夠通過非接觸的方式將信號傳輸至處理電路，再通過給傳感器增加高溫防護(hù)和冷卻結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了1250℃高溫下的傳感。但實(shí)際上這種傳感器信號的傳輸距離最多不超過17cm，且靈敏度較低，很難滿足工程

中北大學(xué)學(xué)位論文5需要[19]。圖1-3一種常用的傳感器高溫防護(hù)和冷卻系統(tǒng)Fig.1-3Acommonlyusedsensorhightemperatureprotectionandcoolingsystem壓電式的振動(dòng)傳感器在高溫振動(dòng)測量領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，耐溫的程度主要受限于材料的居里溫度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面[20]。按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分類壓電式振動(dòng)傳感器可以分為壓縮式和剪切式兩種，但不論是壓縮式還是剪切式，都需要考慮壓電元件在不同溫度下的穩(wěn)定性，因此一般都會(huì)采用一些隔熱設(shè)計(jì)，使壓電元件與傳感器外殼隔離。從材料上講，目前國內(nèi)在高溫領(lǐng)域的壓電振動(dòng)傳感器的研究和國外還有一定的差距，主要就是因?yàn)樽鳛楹诵墓ぷ髟膲弘娒舾胁牧喜荒軡M足高溫的工作需求。在考慮壓電材料時(shí)需要考慮三個(gè)方面的因素：1、材料的壓電系數(shù)決定了傳感器是否具有高靈敏度。2、材料的居里溫度決定了傳感器能夠承受的溫度上限。3、材料的電阻率能否滿足高溫需求，大多數(shù)壓電材料的電阻在高溫下會(huì)下降可能導(dǎo)致元件的擊穿[21]。除此之外材料的熱膨脹也會(huì)影響測量的精度，需要做特定的溫漂處理。同時(shí)在外置放大電路中，溫度沿著信號線導(dǎo)熱會(huì)影響電路對信號的處理，需要研制耐高溫的電纜和專用的信號處理電路[22]。目前國內(nèi)外對高溫壓電振動(dòng)傳感器研究的機(jī)構(gòu)和公司很多，國外主要有瑞士Vibro-Meter公司、美國Endeveo公司、美國壓電有限公司（PCB）等，國內(nèi)的主要有上海硅酸鹽研究所以及中航工業(yè)成都凱天電子等[23]。上海硅酸鹽研究所在中心壓縮式的壓電加速度傳感器的基礎(chǔ)上基于壓電陶瓷研發(fā)了一種壓電傳感器，同時(shí)設(shè)計(jì)了隔熱套管和熱應(yīng)力墊圈，據(jù)報(bào)道傳感器可以在450℃的高溫下工作。而中航工業(yè)成都凱天電子也設(shè)計(jì)了

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號：2899759