基于光纤光栅传感的机械振动检测与实验研究

摘要

机械振动问题广泛存在与机械装备中,通过振动的测量来分析、控制、优化各类机械振动问题。不但可延长使用寿命和提高生存率,还可改善人们的生活环境。鉴于传统的电测传感器在长期稳定性、分布检测和耐久性等方面存在问题,特别是通过电信号进行检测和传输势必要将电信号引入危险区域如易燃易爆场合和强电磁场环境,无法从根本上消除安全隐患。因此国内外一直致力于研究一种可替代传统电测传感器测量机械振动的方法。而光纤传感技术有效地弥补了电类传感系统的不足之处,尤其是其本质安全的特性,为解决复杂环境中的安全参数检测提供了一种良好的技术手段。
　　本文以光纤光栅传感技术在机械装备中的应用为切入点,结合光纤光栅的传感特点,提出了基于光纤光栅传感机械振动检测的方法。分析了光纤光栅传感器的测量振动特点;并对基于光纤光栅传感的机械振动检测方法做了相关的实验;实验初步证实了该方法的可行性和优越性(非接触信号传输)。
　　论文的主要内容工作如下:1.分析了机械装备特别是旋转机械轴系的振动测量方法的研究现状,以及光纤光栅传感技术的发展和应用情况。2.以光纤光栅传感理论为基础,提出了测量方案。开展了光纤光栅传感器动态特性的研究,通过10-700Hz激励的悬臂梁振动测试,证实了光纤光栅传感器振动在700hz以内频率段是完全能够响应的。3.搭建了旋转实验平台,研制了光纤信号非接触传输装置。并通过悬臂梁模态的测量试验,验证了光纤光栅传感检测方法在振动测量中的有效性。最后通过旋转状态下轴系振动实验,验证了基于光纤光栅检测机械振动的可行性。

目录

摘要

Abstract

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 机械振动测量的研究简史

1.3 轴的振动检测发展趋势和光纤光栅传感器的优点

1.4 本文研究的主要内容和组织结构

1.4.1 本文的主要内容

1.4.2 本文组织结构

第2章 光纤光栅传感原理和检测方案

2.1 光纤的结构与传输原理

2.2 光纤光栅传感器的传感原理

2.2.1 光纤传感器的基本工作原理

2.2.2 光纤光栅模式耦合

2.2.3 光纤光栅的应变传感特性

2.2.4 振动检测的可行性

2.2.5 悬臂梁振动的测量方案

2.3 旋转轴的振动检测方案

2.4 本章小结

第3章 光纤光栅的动态测量特性

3.1 光纤光栅传感特性

3.1.1 光纤光栅的动态检测特性与解调原理

3.1.2 光纤光栅传感器的振动试验

3.2 基于光纤光栅传感器的悬臂梁的模态测量实验

3.2.1 模态测量的意义

3.2.2 测量系统和实验仪器

3.2.3 模态频率测量的结果与分析

3.2.4 基于有限元计算的结果与分析

3.2.5 采用光纤光栅测量和有限元ANSYS计算的结果比较分析

3.3 本章小结

第4章 光纤光栅传感信号传输装置的研制

4.1 系统的组成

4.2 信号的传输方式

4.2.1 光纤信号传输装置设计

4.2.2 试验方案

4.3 试验及结果分析

4.3.1 验证试验

4.3.2 试验结果分析

4.4 本章小结

第5章 光纤光栅传感振动检测实验

5.1 光纤光栅传感器的设计

5.1.1 传感器设计的原理

5.1.2 传感器设计的方案

5.2 实验的过程和结果

5.3 本章小结

第6章 光纤光栅传感总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

附录A 攻读硕士期间发表的学术论文

附录B 攻读硕士期间参加的科研项目

致谢