应用于准分布式光纤围栏系统的振动传感器的研究

摘要

振动是自然界普遍存在的一种现象，在很多重要的领域中，振动信号的测量起着至关重要的作用，光纤光栅围栏振动信号的监测也就是实际中一个重要的研究问题。目前准分布式光纤围栏系统中主要应用的传感器多为温度和应变式传感器，温度传感器能感应周围温度的变化，主要应用于火灾安防围栏报警系统中。应变传感器对于静态形变感应灵敏，主要应用于周界安防监测中。但是由于应变传感器的局限性，采集信息量少，变形恢复慢，易造成传输延迟，同时复用距离有限，满足不了复杂环境、长距离的监测要求。FBG振动传感器是从应变传感中衍生而来，不但能对外界应变量进行监测，同时其对于振动信号反映灵敏。实际工程中，振动信号的传递比应变的传递距离要远的多，围栏上产生的形变一般都伴随有振动，小幅振动引起的形变小，应变传感器感应不够灵敏时则监测不到，而振动传感器正好可以弥补FBG应变传感器的这种缺陷。
　　本文在对光纤光栅实现振动测量的原理和技术分析的基础上，针对准分布式光纤围栏系统的实际需求，设计了一种新型的横向芯轴式低频振动传感器。论文主要完成内容有：
　　1.对现有的振动传感器及 FBG振动传感器应用进行了大量调研，总结出了光纤光栅振动传感器具有很好的应用价值，针对FBG传感器应用于光纤围栏系统现状做了研究，发现现有的围栏中应用的传感器的不足，需要研制应用于光纤围栏系统的振动传感器来解决解决实际工程需要。
　　2.根据光纤光栅应用于振动测量的基本原理和几种典型的 FBG振动传感器的设计，对现存在的几种灵敏度和频响性能较好的模型进行了改进设计，对模型进行了理论分析，并通过有限元分析软件ANSYS进行了仿真，验证理论分析的结果。
　　3.设计了一种适用于光纤围栏系统的振动传感器，通过ANSYS分析了其性能，并综合实际因素，将其与其他几种模型进行了对比，得出该结构在具备其一定优越性同时可以实现工程的批量生产应用。
　　4.搭建了实验测试装置，将制作封装好的FBG振动传感器进行了实验分析，测试其加速度灵敏度达到127.4pm/g、振幅灵敏度达到0.16nm/mm，具有良好的灵敏线性度，其固有频率为42Hz，并与软件分析结果进行了对比，对比结果在误差允许范围内。
　　5.将光纤光栅振动传感器和应变传感器同时放于准分布式光纤围栏防入侵系统进行实验监测，对比了在不同情况下，两种不同的传感器的测试结果，并分析了产生该结果的原因，得出了光纤光栅振动传感器可以很好的弥补应变传感器在监测信号时的不足。
　　6.将光纤光栅振动传感器应用于围栏系统后，根据其波形变化特征，研究了模式识别中异常信号的分类和识别，并提出了将来的发展方向。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 振动传感器国内外研究现状

1.3 FBG振动传感器应用及现状

1.4 FBG传感器应用于光纤围栏系统研究现状

1.5 课题研究意义及主要研究内容

第二章 光纤传感器的基本原理及振动传感器的设计方法

2.1 光纤光栅传感基本原理

2.2 光纤光栅振动传感器原理及特性分析

2.3 几种典型的FBG振动传感器设计原理

2.4 本章小结

第三章 光纤光栅振动传感器的设计及仿真

3.1 有限元分析方法概述

3.2 双等强度悬臂梁结构FBG振动传感器设计与仿真

3.3 双膜片结构FBG振动传感器设计与仿真

3.4 横向芯轴式FBG振动传感器结构设计与仿真

3.5 本章小结

第四章 光纤光栅振动传感器围栏系统实验及结果分析

4.1 横向芯轴式FBG振动传感器封装制作

4.2 FBG振动传感器动态特性实验

4.3基于FBG振动传感器和应变传感器的的围栏系统对比实验

4.4 基于FBG振动传感器的围栏系统下的异常信号分类和识别

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

硕士期间取得的研究成果