一种高频光纤振动传感器及信号检测系统

摘要

振动，是自然界中所有物体无时无刻不在发生的一种现象，通过物体的振动频率能够获得关于这个物体的一些信息。在科学发展的历程中振动频率的测量扮演不可磨灭的作用。在航空航天发动机、高速旋转机械设备的故障诊断等尖端科学研究领域中，由于各种各样的影响因素，设备的振动频率会发生改变，从而反应设备现在的所处状态，因此物体振动的频率的测量是评估一个设备是否安全可靠的重要的参考之一。振动频率的测量已经成为科研领域中研究的重点项目。 将光学式测量方法应用于测量物体的振动频率目前已经受到了广泛的重视，并且有了一定的研究成果。通过光学式的检测方法能够有效的消除电磁干扰，这是光学式测量方法所具备的优势，但是目前用光学式测量方法测量物体的频率最高测量频率不是很高，有待进一步研究。而且在高频振动研究领域，测量过程很容易受到电磁干扰。因此，光学式测量方法有着广阔的前景。 针对于这种情况，本文主要对测量物体的高频振动频率做了如下工作： （1）对光学式物体振动频率测量的相关文献和资料进行了大量的查阅，在这基础上深入的了解了光学式方法测量物体振动频率在实际中的应用状况。重点研究了将光学测量方法应用于物体振动频率测量这一方法。 （2）简单叙述了光纤传感技术的基本原理，并且以测量物体振动频率为研究对象，重点研究了本文系统所使用光纤传感原理端面反射方法与其他光学式测量方法的优缺点。并且设计出一种高频光纤振动传感器及信号检测系统。 （3）对本文测量系统进行了大量的振动频率测量实验，验证了该系统是否能够准确的测量出物体的振动频率，特别侧重于分析在高频振动的情况下该系统能否达到测量效果。 本文创新点如下： （1）设计了一种高频光纤振动传感器及信号检测系统，通过实验验证了该系统对宽频带频率的测量，尤其是高频振动信号的测量。 （2）该系统高频光纤振动传感系统相比于其他光学式振动检测系统，具有如下优点：传感器设计简洁；测量的频段相对而言比较宽为5Hz-13kHz；测量最高响应频率相对而言比较高为13kHz。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题来源

1.2 课题研究的背景及意义

1.2.1 光学式测量方法应用于振动频率检测的背景

1.2.2 本课题的提出及意义

1.3 光纤振动测量技术的研究现状

1.3.1 振动测量技术发展的现状

1.3.2 光纤振动测量技术

1.3.3 光纤振动测量技术发展的现状

1.4 本文所做主要工作

1.5 论文的结构

第2章 高频光纤振动传感器及信号检测原理

2.1 光纤传感技术基础

2.1.1 光纤的传光原理

2.1.2 光纤传感系统的主要构成及原理

2.2 光纤振动传感技术的比较与系统方案的选择

2.3 传光型光纤振动技术原理

2.3.1 反射式传光型传感原理

2.3.2 透射式传光型传感原理

2.4 高频光纤振动传感系统信号检测原理

2.4.1反射式传光型光纤振动传感技术原理

2.4.2物体振动频率与反射式光纤振动传感技术关系

2.5 高频光纤振动传感器设计原理

2.5.1高频光纤振动传感器设计图

2.5.2 传感器固有频率与系统最高响应频率和测量带宽的关系

2.5.3 传感器挠度与系统最高响应频率和测量带宽的关系

2.5.4 传感器设计最优选择

2.6 本章小结

第3章 高频光纤振动传感器及信号检测系统设计

3.1 高频光纤振动检测系统设计

3.2 光纤振动传感信号检测单元设计

3.3 光纤振动传感器设计

3.4 高频光纤振动检测系统光路设计

3.5 光纤振动传感信号检测单元的硬件实现

3.5.1 信号放大模块硬件实现

3.5.2 光源模块硬件实现

3.5.3 电源模块硬件实现

3.5.4 单片机模块硬件实现

3.5.5 数据采集模块硬件实现

3.5.6 施密特触发器整波模块硬件实现

3.5.7 显示模块硬件实现

3.5.8 通信模块硬件实现

3.6 信号放大电路的详细设计

3.6.1 滤低频电路

3.6.2 滤高频电路

3.6.3 无滤波电路

3.7 本章小结

第4章 高频振动测试实验

4.1 高频光纤振动传感系统实验过程

4.2 高频振动测试实验结果

4.2.1 5Hz-1000Hz振动频率实验结果

4.2.2 2kHz-7kHz振动频率实验结果

4.2.3 8kHz-13kHz振动频率实验结果

4.2.4 最高振动响应频率实验结果

4.3实验Matlab处理后结果分析

4.2.1 Matlab处理后的结果

4.2.2 Matlab滤波在本系统上的实现

4.4实验误差分析

4.4.1 系统自身因素产生的误差

4.4.2 测量过程中的误差

4.4.3 外界环境因素所产生的误差

4.5实验结论

4.6本章小结

第5章 总结和展望

5.1 论文总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录