摘 要

倾角传感器作为检测系统的感知部分，在现代工业发展过程中扮演了十分重要的角色，交叉性很强的传感技术同样得到了极大地推进。光纤光栅传感技术是在光纤传感技术发展过程中产生出一种新型的传感技术，而由此发展起来的光纤光栅传感器因其突出的优点一经问世就广受重视，并得到持续和快速的发展。本文通过深入分析国内外光纤布拉格光栅以及变形测量方案研究现状，归纳了当前对倾角传感器研究方案的发展趋势和布拉格光纤光栅传感器的实际应用，同时以光纤布拉格光栅为测试手段，设计了倾角传感测量系统与一种新的倾角测量方案。本文的主要研究内容如下：

1. 建立了测量倾角变化的数学模型，理论推导了光纤光栅对温度、应变以及温度与应变耦合作用下的数学关系式。

2.设计倾角测量系统，完成其硬件机构，加载机构，电测的系统结构设计。

3.利用MATLAB对测量数据做出波长-倾角图象，拟合倾角传感器的线性关系，并计算得出倾角传感器的测量范围，灵敏度等传感器参数。

4.通过温度标定实验方法测量光纤光栅温度灵敏系数，分析温度对光纤光栅倾角传感器测量的误差，并提出改进措施。

关键词：光纤光栅；应变测量；倾角模型；倾角传感器

Abstract

As part of the tilt sensor sensing detection system in the modern process of industrial development plays a very important As parole, highly cross-sensing technology also has been greatly promoted. Fiber optic sensing technology is to produce a fiber-optic sensing technology in the development process of a new type of sensor technology, and the resulting development of FBG sensors for its outstanding advantages once came to wide attention, and has been sustained and rapid development of. Through in-depth analysis of current research and FBG deformation measurement program, summed up the practical application of the current development trend of the research program and tilt sensor fiber Bragg grating sensors, fiber Bragg grating while the means test, designed inclination sensor measurement system with a new angle measurement program. The main contents are as follows:

1. The establishment of a mathematical model measuring angle changes, theory of mathematical relationships derived temperature, strain and strain and temperature coupling effect of lower FBG.
2. Design angle measurement system, the completion of the hardware structure, the loading mechanism, system architecture design of electrical measurement.
3. Use MATLAB to make wavelength measurement data - angle image, fitting angle sensor linear relationship between the measured and calculated range tilt sensor, the sensor sensitivity parameters.
4. FBG temperature measured by temperature coefficient of sensitivity calibration experiments, analyzes temperature error fiber grating angle sensor measurements and propose measures for improvement.

Key Words：Strain measurement;; fiber grating angle model; tilt sensor

目 录

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本章小结 2

第二章 光纤光栅传感特性 3

2.1光纤光栅基本及工作原理 3

2.2光纤光栅温度传感特性 4

2.3光纤光栅应变传感特性 5

2.4光纤光栅在温度与应变耦合作用下的传感特性 5

2.5本章小结 5

第三章 光纤光栅倾角传感器的原理与设计 6

3.1光纤光栅倾角传感器基本原理 6

3.2光栅传感器的理论模型 6

3.3光纤光栅倾角传感器的结构设计 8

3.3.1基座的设计 8

3.3.2 L型杆的设计 8

3.3.3摆锤的设计 9

3.3.4光纤光栅倾角传感器装配结构 10

3.3.5传感器的制作 10

3.4本章小结 11

第四章 光纤光栅倾角传感器的传感特性研究 12

4.1实验的设备与方法 12

4.2实验系统的搭建 12

4.3实验结果 13

4.4实验结果分析 17

4.5温度对传感器测量的影响 19

4.5.1实验设计 19

4.5.2光纤光栅温度传感器的制备 19

4.5.3实验过程 20

4.5.1实验结果 21

4.6本章小结 24

第五章 总结与展望 25

5.1主要成果和结论 25

5.2展望及遇到的问题 25

参考文献 27

1. 绪论

1.1 课题研究背景及意义

传感器作为检测系统的感知部分，处于十分重要的地位，多年来一直是各国竞相研发、应用的热点。随着现代科技的突飞猛进，交叉性很强的传感技术同样得到了极大地推进。光纤光栅传感技术是在光纤传感技术发展过程中产生出一种新型的传感技术，而由此发展起来的光纤光栅传感器因其突出的优点一经问世就广受重视，并得到持续和快速的发展。本文首先介绍了倾角传感器及其应用领域，然后介绍光纤光栅国内外研究现状，最后详细介绍一种新型的光纤光栅倾角传感器。