高分辨率动态测量倾斜传感器的研究

摘要

光纤传感器具有分辨率高、抗电磁干扰、灵敏度高等优点。目前，研究的光纤倾斜传感器主要基于布拉格光栅(FBG)原理。桥梁、隧道、大坝等大型建筑健康的持续监测需要可实现倾角高分辨率动态实时测量的倾斜传感器。光纤倾斜传感器可以满足大型建筑健康检测的需要，但目前没有可实现倾角动态实时测量的光纤倾斜传感器。 本文提出了一种基于法布里-珀罗(F-P)干涉仪的光纤倾斜传感器，可以实现倾角的高分辨率动态实时测量。倾斜传感器使用固体摆力学模型，由惯性质量块和双垂直悬臂梁构成，惯性质量块下方带有铜环与永磁铁组成磁阻尼结构来降低外界振动影响。由理论分析得，传感器F-P谐振腔长度的变化近似等于对应倾角的垂直悬臂梁挠度。使用高速光谱仪和白光干涉快速解调算法(WLI)，通过对F-P腔绝对长度的动态实时测量来实现倾角的动态实时测量。采用滑步平均滤波法分离倾斜传感器测量的F-P腔长信号中直流量和交流量，直流信号与交流信号分别给出外界的倾角和振动。 利用ANSYS有限元分析软件进行模拟分析，确定垂直悬臂梁结构参数和倾斜传感器F-P腔长度的动态范围。利用振动台和微倾斜平台对倾斜传感器进行测量和振动实验，实验结果显示在±1°的测量范围内倾斜传感器的灵敏度为304.457um/°，测量分辨率达0.027″。在外界环境振动频率和幅度分别为50Hz和20.9um的振动下，倾角传感器的动态分辨率大约为0.63″。由于采用动态测量的方法，倾角的测量对环境振动有较强的容忍度。在倾角测量的同时倾斜传感器还提供了环境振动的信息，比如频率、相位和振幅。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 光纤倾斜传感器

1.1.1光纤倾斜传感器的发展

1.1.2光纤倾斜传感器的分类

1.2 倾斜传感器

1.2.1倾斜传感器发展

1.2.2倾斜传感器原理

1.3 光纤传感技术

1.3.1光纤传感技术的发展

1.3.2光纤传感器的原理和应用

1.4 本文的研究内容

2 光纤F-P型倾斜传感器

2.1法布里-珀罗干涉仪

2.2 光纤F-P传感器

2.2.1本征型光纤F-P传感器

2.2.2非本征型光纤F-P传感器

2.2.3线性复合腔光纤F-P传感器

2.3光纤F-P倾斜传感器

2.3.1光纤F-P传感器结构

2.3.2 光纤F-P倾斜传感器原理

2.4 本章小结

3 光纤F-P倾斜传感器有限元模拟

3.1 倾斜传感器静态理论分析

3.2 倾斜传感器的有限元模拟

3.3 本章小结

4 实验验证与分析

4.1 倾斜传感器静态测量实验

4.1.1 实验装置

4.1.2 实验过程

4.1.3 实验结果与分析

4.2 倾斜传感器动态测量试验

4.2.1 实验装置

4.2.2 实验过程

4.2.3实验结果与分析

4.3 倾斜传感器振动响应实验

4.3.1 实验装置与过程

4.3.2 实验结果与分析

4.4 本章小结

5 结论

参 考 文 献

致 谢

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