摘 要

本文针对基于柔性铰链的光纤光栅小型振动传感器进行设计，首先通过对振动系统运动微分方程求解得到振动传感器的灵敏度与固有频率公式。然后分析并选择一组参数进行公式求解，通过SOILDWORKS建模与COMSOL数值仿真软件联合仿真求解，验证设计的传感器特性参数。最后根据选择的结构参数，制作传感器实物，并设计实验对传感器的特性参数进行实验验证。设计的传感器对于光纤振动传感器的小型化及中高频率响应有一定的参考意义，同时也具有抗电磁干扰、恶劣环境工作稳定、易于复用等优点，与电测式振动传感器可以形成互补。

论文主要研究了小型化高频响应的光纤光栅一维振动传感器的设计，并结合光纤光栅传感原理与振动检测理论的相关知识，给出了基于柔性铰链的对称式振动传感器的灵敏度与固有频率的计算公式，并利用有限元分析和传感器实物对公式进行了验证，对设计的传感器的静态和动态参数进行了实验标定。

实验结果表明设计的传感器灵敏度为9.92pm/g，在500Hz以下时线性误差最大为0.51%；低频（50Hz）抗横向干扰能力较强，最大仅为8.23%；固有频率在2000Hz左右，响应带宽在1000Hz左右。

本文以工程实践实际需求出发，采用理论与实验相结合的方法，从公式、仿真与实物三个方面对设计的传感器进行了性能测试与验证。

关键词：光纤光栅；振动传感器；柔性铰链；中高频响应

Abstract

This paper designed a kind of FBG vibration sensor based on the flexure hinges with a small size. First, by solving the vibration differential equation of the system to get the equation of the sensitivity and eigenfrequency. Then, choose a set of structure parameter to calculate by the equation and compare the result with the simulation result from the joint simulation of SOILDWORKS and COMSOL. Finally, conduct the experiment of the implemented vibration sense to calibrate the performance. It can be a reference to realize the implement of the FBG vibration sensor in small-size and medium-high frequency response. The designed sensor has many superiorities, such as the immunity to electromagnetic fields, the stability to work in harsh environment and the ability to multiplex a large number of sensors, making it possible to complement each other’s advantages with electric sensor.

This paper mainly studied the design of the optical fiber one-dimensional vibration sensor with the feature of small size and medium-high frequency response. Combine the fiber grating sensing principle and the vibration theory to give the equation of sensitivity and eigenfrequency. By simulation and experiment to verify the equation so as to calibration the performance.

The experiment result are as follows: the sensitivity is 9.92 pm/g; the maximum linearity in 500Hz is 0.51%; the transverse response amplitude is about 8.23% of that in the work direction; eigenfrequency is about 2000Hz, and the working band ranges with 1000Hz.

This paper footing the requirements of engineering practice, using the method of combining theory and experiment, verified the performance of the designed sensor by the three aspects of formula, simulation and experiment.

Key Words：fiber Bragg grating; vibration sensor; flexure hinge; Medium-high frequency response

目 录

第1章 绪论 1

1.1 设计任务与目的意义 1

1.2 国内外研究概况 1

1.2.1 传统振动传感器研究现状 2

1.2.2 光纤光栅振动传感器研究现状 2

1.3 问题分析与任务分析 4

1.4 拟采用的技术方案及措施 5

1.4.1 技术路线 5

1.4.2 设计方案及选择 5

第2章 光纤光栅振动检测理论 7

2.1 引言 7

2.2 光纤光栅传感基本原理 7

2.3 光纤光栅振动检测原理 9

2.4 光纤光栅轴向振动特性 11

2.5 本章小结 14

第3章 基于柔性铰链的光纤光栅小型振动传感器设计 15

3.1 引言 15

3.2 模型设计 15

3.3 数值分析与结构设计 21

3.4 仿真分析 22

3.4.1 仿真模型的建立以及预处理 22

3.4.2 仿真结果及分析 23

3.5 本章小节 24

第4章 振动传感器实验测试与参数优化 25

4.1 传感器加工及制作 25

4.2 实验设备以及数据处理 26

4.2.1实验设备及连接 26

4.2.2 数据处理 27

4.3 实验过程及实验结果 28

4.4.1 动态特性实验 28

4.4.2 静态特性实验 28

4.4.3 横向灵敏度实验 30

4.4实验误差分析 32

4.5 本章小结 32

第5章 总结与展望 33

5.1总结 33

5.2优缺点 33

5.3展望 34

参考文献 35

附录A 实验数据记录 37

附录B MATLAB程序清单 43

附录C 弹性元件图纸 46

致 谢 47

绪论

1.1 设计任务与目的意义

本次毕业设计的主要内容是基于光纤光栅传感原理设计一种振动传感器，要求在查阅与参考振动传感器文献以及其他相关的参考文献后，对振动的基本原理和主要表述参数进行了解与掌握，利用光纤光栅传感原理完成光纤光栅振动传感器的具体设计，包括传感器结构特征、制作材料或型号选择等，给出具体的实施方案，并进行振动传感器的具体结构设计和相关计算，制作实物并设计实验，完成对设计的传感器的基本静态和动态特性的计算分析，给出传感器基本特性参数指标，最后根据设计工作完成内容进行毕业设计说明书的撰写。

设计目的是利用光纤光栅设计一款振动传感器，并完成相应的性能测试。振动传感器是一种对振动信号进行拾取采集的设备，是工程测试中振动测试的关键设备。在工程测试中，对采集的振动信号经过处理和分析可以得出设备的运行状态以及发展趋势，可以及时对工程设计进行维护修理，保障正常生产，防止突发事故，提高设备工作稳定性和使用寿命^[1]。