1．目的及意义

1.1研究背景及意义

振动是自然界中极为常见的一种现象，振动问题的研究分析是近代物理学及工程实践等领域内的研究课题^[1]。伴随着制造工艺的不断提升，许多设备结构向高速化、精密化和轻量化发展，带来的振动问题更为复杂，那么对振动的监测和分析具有重要意义^[2]。在周界安防中，对边界的振动进行监测，可以有效地探测到入侵信号，以便于及时进行入侵处理^[3]；对大型建筑、基础设施进行振动监测，能够对其结构的健康状态进行评估^[4]；对一些机械设备进行振动监测，可以得到设备整体及局部的实时状态，从而对可能产生的故障发出预警并缩小故障检测范围^[5]。本课题的研究内容即是利用光纤传感技术实现振动信号的准确测量。光纤传感技术是20世纪70年代开始兴起的一种新型传感技术，该技术以光纤技术和光纤通信技术为基础，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘、体积小、高灵敏度等优点^[6]。相比于传统的电磁类传感技术，光纤传感在许多场景有着更大的优势。

1.2 国内外研究现状

现有的光纤振动传感技术根据光路原理的不同主要分为以下三种：

（1）基于干涉原理的光纤振动传感技术。该技术通过外界的作用力改变光纤的折射率，从而导致光纤中进行传播的光的相位发生变化，通过与参考光进行干涉将相位变化转化为光强变化，从而获得被测对象的信息^[7]。

（2）基于光时域反射原理的光纤振动传感技术。该技术是通过使用光时域反射探测器检测光纤后向散射光，来实现对被测对象信息的获取^[8]。

（3）基于光纤光栅传感技术的光纤振动传感技术。该技术是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感技术^[9]。

在国外，光纤光栅振动传感器不断涌现。1992年，Kersey通过实验首次将 FBG应用于振动测量^[10]，实验中采用非平衡M-Z干涉仪解调的方案结构十分复杂，在工程应用方面不具有应用价值。2012年，A.Wada等人将DFB激光器应用于光纤光栅振动传感系统之中，对光源进行扫描与傅里叶变化，得到的振动信号分辨率极高，最关键的是该系统成本极低，还降低了损耗^[11]。

目前，国内有许多的大学和研究所对基于光纤振动传感系统进行了研究。 2001年，许兆文等采用悬臂梁调谐原理的磁振梁装置，利用匹配光纤光栅解调的方法实现了在1～200Hz范围内振动信号探测的实验研究^[12]。2007年，张东生成功的将FBG振动传感器应用于大桥安全健康的监测，原理是由弦振动频率法计算拉锁的拉力，再判断拉索受力的情况，为判断大桥健康状况提供了一套有效的方法^[13]。2011年，王善鲤等人研制出一种有特殊三脚支架的等强度悬臂梁结构，能够放大振动信号和增加其灵敏度，并有较宽的工作频带的一种高智能FBG振动传感器^[14]。2014年，张继军等设计了一种新型低频高灵敏度光纤Bragg光栅振动传感器^[15]。实验结果表明：传感器在10～130Hz范围内灵敏度为231.48pm/g，线性度为0.998；在-20℃～60℃范围内，具有良好的温度自补偿能力；同时，该传感器具有较强抗横向干扰能力，横向引入误差小于 3.47％。