全光纖FPI型低頻振動傳感器的設(shè)計與實驗.pdf

1、低頻振動測量技術(shù)在工程機械、車輛船舶、儀器儀表、建筑結(jié)構(gòu)、地震監(jiān)測等領(lǐng)域有著重要作用。光纖振動傳感器因具有測量范圍廣、靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點而成為振動傳感領(lǐng)域新的研究熱點。現(xiàn)有的光纖低頻振動傳感器大都需要依賴外部振動響應(yīng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致體積龐大，溫度交叉敏感嚴重。隨著智能時代的到來，器件微型化是一種趨勢，制作出實用的微型化光纖低頻振動傳感器具有較好的現(xiàn)實意義。論文主要從減小光纖振動傳感器體積、提升傳感器的靈敏度和減小傳感器溫度交叉

2、敏感性開展研究。
　　從慣性式振動傳感器振動模型出發(fā)，分析得到位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器的振動響應(yīng)曲線，待測外界振動頻率大于系統(tǒng)的諧振頻率時，應(yīng)使用位移傳感器；待測外界振動頻率低于系統(tǒng)諧振頻率時，應(yīng)使用加速度傳感器，因此，測量低頻振動，一般采用加速度傳感器。系統(tǒng)的諧振頻率和阻尼對加速度傳感器的靈敏度和測量范圍起著關(guān)鍵作用，通過分析得到，諧振頻率越低，傳感器的靈敏度越高；系統(tǒng)阻尼越大，加速度傳感器的測量范圍更廣，但是傳感器

3、的響應(yīng)度更小，靈敏度更低。
　　針對現(xiàn)有光纖振動傳感器存在的問題，按照傳感器的微型化、傳感器探測更靈敏化和消除溫度交叉敏感性的思路，設(shè)計了一種基于帶質(zhì)量塊懸臂梁(Micro cantilever beam with tip mass, MCBTM)全光纖法布里珀羅干涉(Fabry-Perot Interferometer, FPI)型低頻振動傳感器探頭。詳細地介紹該傳感器的制作工藝并制作出三組不同結(jié)構(gòu)的傳感器探頭，對低頻振動傳感器

4、的測量和解調(diào)系統(tǒng)進行詳細介紹，結(jié)合COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件分析該傳感器探頭的相關(guān)特性。
　　通過搭建實驗系統(tǒng)，對三根傳感器進行低頻振動實驗。為驗證石英毛細管能有效隔離外部溫度對傳感器的影響，對其中一根結(jié)構(gòu)做了溫度實驗。結(jié)果表明，質(zhì)量塊可以減小傳感器的諧振頻率，能提高傳感器的靈敏度，石英毛細管能有效隔離外部溫度對傳感器的影響，進而降低傳感器的溫度交叉敏感性。
　　本文設(shè)計的基于MCBTM的全光纖FP