摘 要

振动是一种很常见的物理现象，不管是在生活中还是在工业上，不良振动都有可能引起重大的事故造成很大的损失。为防止由振动造成的损失，振动监测成了一个热门话题，而光纤光栅传感器以其体积小、耐腐蚀性好、抗电磁干扰等独特的优点被广泛应用在对大型工程结构的监测中。石油工业在迅速发展的同时也存在输油管道泄漏等问题，本文设计了一种检测输油管道振动的光纤光栅振动传感器，该传感器基于柔性铰链结构，采用一体化设计，具有结构简单、抗干扰性强、易于加工、无摩擦等优点，经过实验室的标定实验其固有频率为1140Hz，灵敏度为37pm/g。

本文的主要做的工作内容如下：

（1）设计了一种用于管道振动检测的FBG振动传感器，介绍了FBG传感器的基本原理和制备过程，计算了振动传感器的力学模型和柔性铰链的转动刚度。通过理论计算推导出固有频率和传感器灵敏度的计算公式，使用MATLAB软件绘制了灵敏度、固有频率与结构参数之间的曲线图。

（2）用建模软件INVENTOR建立了传感器模型，并且用CAD画出了传感器的零件图，在已经建立好的模型基础上，对传感器的弹性元件进行了模态分析和谐响应分析，仿真成功后对得到的结果做了对比和分析。

（3）对加工制备好的传感器进行了振动性能测试，搭建好实验平台后对传感器进行了幅频特性测试实验和线性度测试实验，通过实验得到了相关的实验数据，并且对数据进行了分析，画出了传感器的频率特性曲线图和线性度曲线图，通过曲线图可以计算出固有频率以及灵敏度。

关键词：光纤光栅；加速度传感器；柔性铰链

Abstract

Vibration is a very common physical phenomenon. Whether in life or in industry, bad vibrations can cause major accidents and cause great losses. In order to prevent losses caused by vibration, vibration monitoring has become a hot topic, and FBG sensors are widely used in the monitoring of large-scale engineering structures because of their unique advantages such as small size, good corrosion resistance and electromagnetic interference resistance. In the rapid development of the petroleum industry, there are also problems such as oil pipeline leakage. This paper designs a fiber grating vibration sensor for detecting the vibration of oil pipelines. The sensor is based on a flexible hinge structure and adopts an integrated design. It has a simple structure and strong anti-interference. It is easy to process and has no friction. After the laboratory calibration experiment, its natural frequency is 1140Hz and the sensitivity is 37pm/g.

The main work of this paper is as follows:

(1) An FBG accelerometer for detecting the vibration of oil pipeline is designed. The basic principle and preparation process of FBG sensor, the classification of FBG sensor and the theoretical calculation of acceleration sensor are also introduced. The calculation of the rotational stiffness of flexible hinge is also carried out. The explanation. The formula of the natural frequency and sensitivity of the sensor is derived by theoretical calculation. The relationship between the natural frequency, sensitivity and sensor shape parameters of the sensor is clarified, and the graph between related parameters is drawn using MATLAB software.

(2) The sensor model was built with the modeling software INVENTOR, and the parts drawing of the sensor was drawn by CAD. Based on the established model, the modal analysis and the elastic response of the sensor's elastic components were carried out. analysis. After comparing the theoretical calculations and simulation results, it is found that the finite element analysis simulation results are basically consistent with the optimization design goals.

(3) The vibration performance test was carried out on the prepared sensor. After the experimental platform was built, the amplitude-frequency characteristic test and linearity test were carried out on the sensor. The experimental data was obtained through experiments and the data was analyzed. The frequency characteristic curve and the linearity curve of the sensor are drawn to determine the natural frequency and sensitivity of the sensor.

Key words: fiber grating; acceleration sensor; flexible hinge

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景、目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 课题研究内容 2

第2章 FBG振动传感器的传感原理 4

2.1 光纤光栅的基本原理与制备 4

2.2 光纤光栅的分类 5

2.3 振动传感器的基本原理 6

2.3.1 振动传感器的动力学模型 6

2.3.2 振动传感器的结构设计 7

第3章 FBG振动传感器的理论计算 9

3.1 柔性铰链公式推导 9

3.2 传感器固有频率和灵敏度的理论推导 10

3.3 振动传感器的参数选择 12

第4章 FBG振动传感器的仿真与实验 15

4.1 有限元分析 15

4.2 FBG振动传感器的制备 16

4.3 振动性能测试实验 17

4.3.1 幅频特性实验 18

4.3.2 线性特性实验 19

4.3.3 实验结果分析 20

第5章 总结与展望 21

5.1 总结 21

5.2 展望 21

参考文献 22

致谢 23

附录1

第1章 绪论

1.1课题研究的背景、目的及意义

输油管道的安全问题一直是我国重点关注的问题，我国石油工业较发达，国内的石油管道分布广泛。保证输油管道的安全，不仅维护了国家的利益，保证了人民的安全，同时也维护了其他国家的利益。管道安全的一个重要指标来自振动信号的测试^[1,2]。

振动现象在生活或工业生产中很普遍，但振动结果可能导致重大灾难。机械振动会影响生产的准确性，甚至会损坏机器。除了由于材料软化引起的设备的异常振动引起的机械振动之外，还会产生突然的振动，导致自然灾害，譬如地震或倒塌，这对自然和社会造成了巨大的破坏^[3,4]。

为了防止石油被盗、输油管道损坏漏油，迫切需要对输油管道进行监测。振动还广泛存在于其他各个领域，桥梁建筑的监测、高层建筑的监测以及飞行器飞行过程中的监测等等，振动监测为生产工作的正常进行提供了保障。

在过去的几十年里，科学家们也在这方面做了很多努力，并且在此期间出现了各种振动传感器。科学家们正在尝试引入新技术，利用不同的物理效应，化学效应和生物效应来创建不同类型的传感器，而无需遵循传统思维并创建新型传感器。另一个方向是从源头探索新材料。光纤的应用是重要的突破，光纤传感器具有传统传感器无法匹敌的诸多优点，如灵敏度高，设计简单，体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路灵活、安装方便等 ^[5,6,7]。

在振动测试领域中存在许多测试方法，在许多方法中，电磁振动传感器仍然是最广泛使用的，而且最流行的振动加速度传感器以及压电加速度计已经很好地开发出来了。但是随着现代工业的发展，项目计划对设备精度性能等方面的要求都有很大的提升，电磁加速度振动传感器不能满足更高的要求，只能实现基本的功能。光纤光栅已取代电磁传感器，受到科学家们的欢迎，基于光纤光栅的检测方法可以满足安全要求，可以实现实时动态测量，也适用于大型机械自动化和小型安装空间 ^[8,9]。

本课题在以前的研究基础上，通过选材、定尺寸、模型的有限元分析，设计了一种适用于监测输油管道的振动情况的加速度传感器，传感器采用柔性铰链结构作为振动弹性元件，该结构无损耗、无摩擦，是很好的选择。

1.2国内外研究现状

中国的石油工业相当先进，因此在石油管道保护方面投入了大量资金，国内外许多科学家和公司提出了许多方案，现如今已经有很多方案已经投入了使用，众多方案可以总结为两类：

一种是管道内部检测方法，该方法基于磁通量、涡流、视频记录、超声波等，将探针球放入管道中，让它沿着管道内壁移动，通过噪声方法或者是磁泄漏方法收集数据，并分析数据以获得结果，此外，这种方法还可以实时监控管道内的腐蚀和损坏程度。现在主流的方法有下面几种：

·漏磁通检测方法

·超声波检测方法

·涡流检测方法

·照相检测方法

另一种是管道的外部检测方法，以下为几种常见的方法：

1. 化学方法：沿着输油管道的电缆，可以与被输送的流体发生化学反应或物理反应。管道泄漏的流体可以和电缆发生反应，以此作为依据来判断是否泄漏。
2. 流量平衡法:当管道内输出量不等于输入量时，就可以断定某处发生泄漏。此方法原理简单，易于实现，但检测精度不高，无法定位准确泄漏地点。
3. 应力波法：管道在受到破坏敲打或因腐蚀破坏等原因时，会发生振动产生噪声，这种振动噪声波沿输流管道壁传播。安装在管壁的检测噪声的传感器可以识别噪声从而判断是否发生泄漏。
4. 光纤传感检测法：光纤光栅以其独特的优势备受研究者以及企业的青睐，它可以有效地解决信号传输中的衰减，防止电磁干扰。随着光纤传感技术的发展，对输油管道的压力、温度等指标进行分布式测量都不是问题 ^[10,11,12]。

光纤光栅技术有很多应用，但目前大多数都用于桥梁安全监测，一些科学家也在尝试将光纤光栅应用于更广泛的领域^[13]。国外的科学家几十年前尝试使用光纤光栅进行检测。 1933年，位于卡尔加里的Beddington Trail大桥使用布拉格光栅传感器测量其结构，从而实现了长期实时监测桥梁结构和应力变化情况。我国光纤光栅技术的研究起步较晚，时间较短，但技术进步较快。在国家自然科学基金，国家863计划基金和其他专项基金的支持下，FBG传感技术在许多方面取得了良好的效果。例如，重庆大学将FBG传感器应用于虎门大桥和红槽坊高架桥，在光纤光栅技术方面取得了优异成绩 ^[14,15,16]。光纤布拉格光栅技术用于国内的工程项目，如桥梁，水坝，石油和天然气井等。然而，存在诸如张力和温度交叉灵敏度和温度补偿之类的技术问题，其直接影响检测信息的准确性。因此，有必要继续进行实际研究，以促进FBG传感器的广泛使用。

1.3课题研究内容

该课题的目标是设计一个光纤光栅振动传感器来检测输油管道的振动，了解了一些光纤光栅的基础知识后，在此基础上进一步学习了不同类型的光纤传感器以及相关的计算，最终设计出一种符合要求的传感器，本文的内容主要从下面几个方面展开：

第一章主要介绍了研究的背景、目的和意义。在了解了一定的光纤光栅的相关知识后，结合课题研究内容提出了相关的解决方案。

第二章主要介绍了光纤光栅的基础知识，以及本课题将用到的振动传感器的基本原理、动力学模型等内容。

第三章是本文的主体部分，主要介绍的是FBG加速度传感器的理论计算，这包括弹性元件柔性铰链相关公式的推导，最为重要的是传感器的固有频率和灵敏度的计算公式的推导，并通过计算优化将传感器各个部分的尺寸确定下来。

第四章是FBG振动传感器的仿真与实验，包括模态分析和谐响应分析，仿真用于检验传感器结构的合理性。传感器加工完成后对其进行了振动性能测试，测试结果与期望值有一定差距，并在实验过后分析了其中的原因。

第五章是本文的总结和未来工作的一些憧憬。

（2）方案选择

如果光栅电极处的电压周期性地改变，则这种周期性变化是由光栅安装物体的振动引起的，因此光栅应变力可用于测量周期性振动。确定性振动的基本参数是：振动频率，振幅，加速度和速度。如果已知振动频率和加速度，则速度和振幅可以表示为加速度。实际使用的振动通常由加速度表示，并且可以通过确定光栅结构的中心波长的变化的大小来确定特定的加速度大小。

振动传感器有两种设计选择，即位移传感器和加速度传感器。位移传感器只能用来测量中高频振动测量，这一点由其特性所决定，举个例子，如果要测量10Hz的振动信号，通过固有频率公式可以计算出位移量为70.4cm，位移距离大，这就要求被测物体尺寸较大，质量较大，所以经常用于地震船舶的振动测量。综上所述，本次将选用加速度传感器来实现振动测量。

第2章 FBG振动传感器的传感原理

2.1光纤光栅的基本原理与制备

光纤光栅是一种折射率周期性地改变原子核结构的纤维，由于石英光纤具有对紫外光敏感的特性，可以形成光波导结构直接进入光纤，形成光纤波导器件。核心内部有一个窄带滤波器。基于FBG传感器的传感过程通过从外部参数调制网格的波长来获取传感信息，我们称之为波长调制型光纤传感器。它具有以下优点：

(l)抗干扰能力强。

(2)传感头结构简单、体积小。

(3)测量结果具有良好的重复性。

(4)生产过程中没有机械损伤。

(5)具有对环境干扰不敏感性。

光纤光栅利用紫外光敏特性，外部入射光子通过空间周期性强紫外光激光照射与核中心掺杂粒子相互作用，使纤芯形成折射率沿轴向非周期性或周期性分布的结构，从而形成空间相位光栅。FBG结构如图2.1所示，其中Λ是光栅的周期。

图2.1光纤布拉格光栅结构示意图

根据光纤耦合模型理论，光纤光栅的谐振方程为：

(2-1)

其中中λ_B为光纤光栅的中心波长；n_eff为纤芯有效折射率；Λ为光栅周期。由此可以知道FBG传感器中心波长的影响因素为光栅的周期和纤芯的有效折射率。对（2-1）式微分得：

（2-2）

由（2-2）式很明显的可以知道，当n_eff或Λ的值发生变化时，光纤光栅的中心波长会发生变化，我们将变化量称为中心波长的漂移量。

光栅受力时，光栅周期Λ发生变化；光纤光栅的有效折射率n_eff也会发生变化，这就是光纤光栅的弹光效应。应变的变化引起的光栅波长漂移量可以用式（2-3）表示：

（2-3）

式中Pe为FBG的弹光系数；K为测量应变的灵敏度。

温度变化引起的波长漂移量可用式（2-4）表示：

（2-4）

其中，FBG的热膨胀系数为α，热光系数为ξ。温度补偿可以很容易消除温度变化带来的误差，这就使得应变成了影响光栅中心波长漂移量的最直接的因素。波长调制型的传感器有更好的抗干扰性能，当光栅的电压、温度和磁场改变时，中心波长都会改变。因此，测量的外部世界信号的变化可以反映在光栅中心波长漂移中。

光纤光栅制作技术已经发展了许多个年头，在夜以继日的研究中逐渐成熟。一般分为三类：干涉写入法、逐点写入法及组合写人法。

1. 干涉写入法
2. 驻波干涉法

成栅机制：在一定时间后，入射光与反射光在光纤内部形成的驻波周期性分布，纤芯的有效折射率也周期性分布。     

1. 全息相干法

成栅机制：两束振幅分开的光在光纤内部曝光，通过干涉使得纤芯有效折射率周期性分布。

1. 逐点写入法      

成栅机制：激光束精确地投射到光栅上，并且通过轴向移动进行曝光使得纤芯有效折射率周期性分布。

1. 组合写入法 

组合写入法是综合以上得方法，综合考虑多方面的因素，制造出丰富结构的光纤光栅。

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