光纤加速度传感的灵敏度增强方法研究

摘要

当前，光纤加速度传感器发展迅速，其应用领域不仅仅局限于军事领域，在地质结构勘探、地震监测、石油探测、机器安全检测等民用领域也得到了广泛的应用，于此同时对其性能也提出了较高的要求。目前，光纤加速度传感器的灵敏度与某些应用领域的要求还存在一定的差距，未能实现极微弱加速度信号的探测，极大的制约了其应用领域的扩展。怎样实现光纤加速度传感器的高灵敏度成为亟需解决的问题，国内外众多研究者将研究目光汇聚于此，开展了光纤加速度传感器的灵敏度增强研究，从而推动了光纤加速度传感器的进一步发展。
　　本文以盘式光纤加速度传感器为模型，对光纤加速度传感器的灵敏度增强方法展开了系统研究，主要研究体现在：
　　（1）对盘式光纤加速度传感器的感知方法与技术进行了研究。在综合考虑盘片弯曲所产生的径向应变和环向应变的基础上，建立了盘式光纤加速度计的灵敏度、谐振频率理论模型，并对相关结构参数进行了数值仿真；利用有限元软件对盘式光纤加速度传感器的应力应变状态进行了软件仿真，并将理论结果与软件仿真结果进行了对比分析。
　　（2）对盘式光纤加速度传感器的灵敏度增强方法进行了研究。探讨了光纤盘粘贴区域、弹性盘片尺寸、传感光纤类型三种因素对灵敏度的影响，综合三者的优化方案，提出了采用多层光纤敏感盘对盘式光纤加速度传感器进行灵敏度增强的方案，并进行了有限元软件仿真建模。
　　（3）对盘式光纤加速度传感器实用化技术进行了研究。完成了高灵敏度盘式光纤加速度传感器的结构设计与制作、一维及一体化三维光纤加速度传感器的封装工艺研究。
　　（4）对盘式光纤加速度传感器的性能测试方案进行了研究。搭建了盘式光纤加速度传感器的性能测试系统，并对一维光纤加速度传感器进行了性能测试，并在此基础上开展了一体化三维光纤加速度传感器的外场和地震信号探测实验研究。
　　研究结果表明：用多层缠绕光纤环的方法可有效实现盘式光纤加速度传感器灵敏度的倍增；制作的一维光纤加速度传感器的灵敏度高于6243.4 rad/g，谐振频率达到185 Hz，分辨率优于50.68 ng/√Hz，动态范围优于113.96 dB；一体化三维光纤加速度传感器外场实验效果理想，可探测到地震信号。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 光纤加速度传感器的研究现状

1.3 本文主要工作

第2章 盘式光纤加速度计研究

2.1 盘式光纤加速度计的加速度传感原理

2.2 盘式光纤加速度计的应力应变分析

2.3 盘式光纤加速度计的理论模型

2.4 盘式光纤加速度计的仿真模型

2.5 本章小结

第3章 盘式光纤加速度计增敏方法研究

3.1 优化光纤敏感盘粘贴区域

3.2 优化弹性盘片几何尺寸

3.3 优化光纤类型

3.4 多层光纤敏感盘增敏方案

3.5 本章小结

第4章 盘式光纤加速度计的实用化研究

4.1 光纤加速度传感器结构设计与制作

4.2 光纤加速度传感器封装工艺研究

4.3本章小节

第5章 光纤加速度传感器的实验研究与结果分析

5.1光纤加速度传感器的性能测试系统

5.2 一维光纤加速度传感器的性能测试

5.3一体化三维光纤加速度传感器的外场实验

5.4地震信号探测

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢