摘 要

本文提出了一种小型化的光纤光栅一维振动传感器，传感器以对称的柔性铰链和质量块为弹性元件，实现了传感器的小型化。论文从数值分析、仿真分析、实验研究三个方面对设计的传感器进行了研究。首先介绍了光纤光栅振动传感器的结构模型和工作原理。然后结合机械系统动力学和光纤光栅传感原理的相关知识推导了传感器的灵敏度和固有频率的公式，并利用数值分析和仿真分析实现了传感器尺寸的小型化，确定了传感器的结构尺寸参数，仿真结果表明传感器的灵敏度和一阶固有频率分别为10.41pm/g和3175.8Hz。最后制作了传感器实物，并对制作的传感器的传感特性作了实验研究，验证了传感器小型化设计的可行性。实验结果表明，在0~1500Hz的频率范围内，传感器的灵敏度为10.85pm/g，线性度为0.65%，中高频（500Hz）条件测量时，横向干扰不超过20%。所制作的传感器体积小于300mm³，质量小于3g，适用于小空间质量敏感结构的振动监测。

关键词：光纤布拉格光栅；振动传感器；小型化结构

Abstract

In this paper, a miniaturized fiber Bragg grating one-dimensional vibration sensor is proposed. the sensor uses symmetrical flexure hinges and mass blocks as elastic elements to realize the miniaturization of the sensor. In this paper, the designed sensor is studied from three aspects: numerical analysis, simulation analysis and experimental research. Firstly, the structure model and working principle of fiber Bragg grating vibration sensor are introduced. Then, combined with the relevant knowledge of mechanical system dynamics and fiber Bragg grating sensing principle, the formulas of sensor sensitivity and natural frequency are derived, and the miniaturization of sensor size is realized by numerical analysis and simulation analysis, and the structure size parameters of the sensor are determined. The simulation results show that the sensitivity and first-order natural frequency of the sensor are 10.41pm/g and 3175.8Hz respectively. Finally, the sensor is made, and the sensing characteristics of the sensor are studied experimentally, which verifies the feasibility of the miniaturization design of the sensor. The experimental results show that in the frequency range of 0~1500Hz, the sensitivity of the sensor is 10.85pmUnig, the linearity is 0.65%, and the lateral interference is less than 20% when measured under medium and high frequency (500Hz) conditions. The volume of the sensor is less than 300mm 3 and the mass is less than 3G, which is suitable for vibration monitoring of mass sensitive structures in small space.

Key Words：Fiber Bragg grating；Vibration sensor；miniaturized structure

目 录

第一章 导论 1

1.1 研究背景、目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 研究内容和预期目标 4

第二章 传感器结构与工作原理 5

2.1 引言 5

2.2 传感器的结构模型 5

2.3 振动检测原理 6

2.4 光纤光栅传感原理 8

2.5 传感器的固有频率和灵敏度分析 10

2.5.1 传感器的固有频率分析 10

2.5.2 传感器的灵敏度分析 11

2.5.3 转动刚度K_z、转动惯量I_z及质心坐标x_c的计算 12

2.6 本章小结 15

第三章 传感器结构尺寸的小型化 16

3.1 引言 16

3.2 传感器结构尺寸的优化 16

3.3 弹性体材料及光纤直径的选择 18

3.4 本章小结 20

第四章 传感特性的仿真分析 21

4.1 引言 21

4.2 传感器灵敏度仿真分析 21

4.3 传感器固有频率仿真分析 24

4.4 本章小结 26

第五章 传感特性的实验研究 27

5.1 引言 27

5.2 频率响应特性实验 27

5.3 灵敏度实验 28

5.4 横向抗干扰实验 29

5.5 讨论与分析 30

5.6 本章小结 31

第六章 结论 32

参考文献 33

附录A 实验材料 35

附录B MATLAB计算程序代码及功能 38

致谢 40

第一章 导论

1.1 研究背景、目的和意义

传统的振动传感器大多是利用电阻、电容、电感等原件将物体的振动转化为电信号，然后通过获取和处理电信号来计算得出物体的振动情况，即电测式振动传感器。这种传感器具有诸多优点，如可测范围广、灵敏度高、多场合应用等。但同时，其布线要求高、抗电磁干扰能力较差、恶劣环境下难以稳定工作。

近年来，光纤传感技术快速发展，在传感领域得到了越来越多的应用。相对于电测式传感器，光纤光栅传感器具有重量轻，紧凑，低传输损耗的光纤通道，电气隔离和抗电磁干扰等优点。它们可以在恶劣的环境条件下使用，而且可以从通常无法获取数据的地方获得数据，这使得光纤光栅传感器在工程领域中得到了越来越多的应用。