三维振动光纤光栅振动传感器设计开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

振动监测是现代工程应用中的一个热点问题。工程系统振动常引起其内部设备的损坏或故障。因此，振动传感技术对于监测工程系统健康状态，避免事故或经济损失具有极其重要的意义。基于电容或压电原理的传统电类传感器常用于振动测量，但也存在一些缺点，如易受电磁干扰、难以实现多路复用等，难以实现对高温、高压、强电磁干扰等恶劣环境情况下机械设备振动状态的实时、大规模监测。与传统的电类传感器相比，光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、无源传感、抗电磁干扰、易于实现分布式动态测量等优点[1]，使其在民用基础设施、石油化工、航空航天、地质监测等领域得到广泛的应用[2-4]。

目前，对光纤光栅振动传感器领域进行了大量的研究，研发并应用了一系列光纤光栅振动传感器。许多基于光纤光栅的振动传感器具有理想的特性和良好的性能。但现有的光纤光栅加速度计大多是单维的，无法满足三维振动测量的需要。若想通过单维振动传感器实现多维振动测量，需要在同一监测点正交方向上放置多个单维传感器，这不仅增加了测试的成本，而且由于安装空间的限制，多个传感器难以安装在同一监测点；最终，测试数据不能反映监测点不同方向的真实振动情况。因此，一些学者提出了三维光纤光栅振动传感器。morikawa等人利用光纤光栅的轴向特性，采用三对空间相互垂直的fbgs作为弹簧元件，将fbg的一端与质量块相连，另一端与传感器的基座相连，实现空间三维振动的检测[5]。通过实验测得该传感器的谐振频率约为800hz。文献[5]主要通过实验进行验证，并未对传感器理论模型进行分析。abushagur等人利用与文献[5]相同的思路，构建了三维振动传感器的理论分析模型，从数学角度分析了振动加速度和光线光纤中心波长变化之间的关系[6]。赵彦涛等人同样对文献[5]提出的模型进行了理论分析，得出了质量块在某一方向上的位移与该方向加速度和该方向两个光纤光栅中心波长变化量之间的关系，表明了横向效应和温度对传感器的测量结果不产生影响[7]。根据文献[5-7]的原理，jiang等人从理论结合实验的角度展开研究，设计了同样基于fbg的三维振动传感器并进行了仿真和标定[8]。实验结果表明，该传感器的固有频率为160hz，工作范围为0~500hz。jiang等人还基于上述传感器进行了改进，得到了用于三维加速度测量的标定方程[9]。改进后的传感器固有频率为160hz，主轴的灵敏度为0.068v/g。文献[5-9]中三维光纤光栅振动传感器的基本原理是相同的，因此也存在一些共同的缺点，如尺寸较大，不易封装等。针对这些缺点，tianliang li等人提出了一种基于光纤光栅轴向和横向特性三维振动传感器并分析了三维振动解耦原理[10]。将光纤直接作为弹性体，通过两对fbgs获得被测体的三维振动。试验结果表明，在x/y/z方向上的灵敏度分别为86.9pm/g、971.8pm/g和154.7pm/g，谐振频率分别为700hz、40hz和110hz。

总的来说，上述传感器都是基于光纤光栅轴向或横向特性，将光纤光栅直接作为弹性体。也有一些学者利用梁结构作为弹性体设计三维光纤光栅振动传感器。gagliardi等人提出了一种基于悬臂梁和相移光纤光栅结合的三维振动传感器[11]。三个独立的相移光纤光栅分别嵌入到三根在正交方向上互相垂直的悬臂梁上，每个光栅自用一套解调系统。通过实验得到，该传感器的测量加速度范围可达20g，最小探测加速度值为50。qiuming nan等人提出了一种基于光纤光栅轴向特性的三维光纤光栅振动传感器[12]。该传感器由三个相互垂直的单向传感单元组成，每个传感单元包括一个基座、一个柔性梁、一个质量块和两个fbgs。当受到某一方向的加速度时，该方向传感单元中的一个fbg伸长，另一个fbg缩短，进而可以得到加速度和中心波长变化量之间的关系。试验结果表明，该传感器的带宽为10500hz，灵敏度约为1400mv/g。

2. 研究的基本内容与方案

一、研究的基本内容：

1．光纤光栅振动传感原理

1.1掌握光纤光栅传感基本原理，包括光纤光栅的中心波长漂移值与应变和温度的变化量之间关系，传感器灵敏度计算，以及温度解耦处理的设计方法。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1]b. lee, "review of the presentstatus of optical fiber sensors," opticalfiber technology, vol. 9, no. 2, pp. 57-79, 2003.

[2]x. qiao, z. shao, w.bao, and q. rong, "fiber bragg grating sensors for the oil industry," sensors (basel), vol. 17, no. 3, feb23 2017.

[3]s. xu, f. xing, r.wang, w. li, y. wang, and x. wang, "vibration sensor for the healthmonitoring of the large rotating machinery: review and outlook," sensor review, vol. 38, no. 1, pp.44-64, 2018.