光纤布拉格光栅低频加速度传感器技术研究

摘要

光纤布拉格光栅（FBG）加速度传感器以其高灵敏度、高精度、高信噪比等优点，在低频振动测量领域占据着重要地位。本文主要对FBG低频加速度传感器的探头结构设计和信号检测两大关键问题进行了深入研究，取得了以下研究结果：
　　（1）从FBG的传感原理和加速度传感器的模型出发，分析了FBG加速度传感器的基本设计方法。设计了一种基于L形刚性梁与弹性膜片结构的单FBG加速度传感器，进行了理论分析，通过仿真考察了各结构参量对传感器灵敏度和谐振频率的影响，并进行了优化设计。为了提高传感器的抗干扰能力，设计了一种基于双FBG对称推挽式结构的加速度传感器，并进行了传感特性分析。
　　（2）针对单FBG结构的加速度传感器，构建了基于非平衡Michelson干涉仪的相位产生载波（PGC）调制解调系统，研究了影响系统相干度的因素，通过控制干涉仪的臂差有效提高了系统输出信号的质量，并采用PGC技术和法拉第旋镜偏振控制技术分别消除了随机相移和偏振衰落的干扰。针对双FBG结构的加速度传感器，则构建了强度解调型的匹配光栅法解调系统，理论及仿真分析表明：强度型解调系统结构简单，信号处理过程方便。并因为两匹配FBG构成推挽且一起封装于传感器中，所以该系统具有自动补偿噪声引起的FBG波长漂移的功能。
　　（3）为了提高所设计的低频振动传感器的性能，研究了传感用 FBG的制备方法。理论分析了影响FBG反射率和线宽的因素，研制了一套可控温型光纤载氢系统，实现了光纤的快速光敏化，将载氢周期缩短至了24个小时，并通过提高光纤光敏性写入了栅区长度5mm、反射率高达99.93％而3dB带宽仅为0.13nm的窄线宽微型光纤光栅，用于单FBG传感系统。基于新的刻栅系统及特殊结构的遮光板，通过控制刻栅时不同区域的曝光时间与FBG的中心波长，制备了匹配效果良好、反射谱分布符合仿真分析中矩形函数的切趾型匹配光栅对。
　　（4）完成了两种加速度传感器的制作并分别进行了低频信号传感性能测试。实验结果表明，单FBG加速度传感器的谐振频率为115Hz，在20 Hz-70 Hz的低频段具有平坦的灵敏度响应，平均加速度灵敏度为200 pm/g，与理论分析所得的灵敏度231.9 pm/g、谐振频率99.3 Hz的结果比较符合。线性响应的相关度为99.98%，在工作频段内横向串扰为-32.73dB。双FBG加速度传感器则主要对20Hz以下的振动信号进行了测量，在2Hz-5Hz的频段灵敏度仍可达188pm/g，线性响应相关度在99%以上。对1Hz与0.5Hz的甚低频振动测量同样得到了质量较好的输出信号，证明了该FBG低频传感系统在甚低频段具有极高的信噪比，能用于极低频振动的探测。

目录

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 FBG加速度传感器探头的研究现状

1.2.2 FBG加速传感器信号检测技术的研究现状

1.3 课题的主要研究内容及论文结构

第二章 低频FBG加速度传感器原理及设计

2.1 FBG加速度传感器的理论基础

2.1.1 FBG的基本特性与传感原理

2.1.2 FBG加速度传感器的一般模型

2.2 基于L形刚性梁与弹性膜片结构的FBG加速度传感器设计

2.2.1 传感器结构设计与理论分析

2.2.2 仿真分析与结构参数优化

2.3 基于对称推挽式结构的双FBG加速度传感器设计

2.3.1 推挽式结构设计

2.3.2 传感特性理论分析

2.4 本章小结

第三章 FBG加速度传感器低频信号检测技术研究

3.1 典型的FBG信号检测技术分析比较与解调方案选择

3.2 基于非平衡Michelson干涉仪的相位产生载波调制解调法

3.2.1 非平衡Michelson干涉法波长信号解调原理

3.2.2 相位产生载波技术原理

3.2.3 干涉仪制作与解调系统构建

3.3 基于双FBG对称推挽式结构的强度解调型匹配光栅解调法

3.3.1 解调原理

3.3.2 仿真分析

3.4 本章小结

第四章 低频FBG加速度传感器研制及实验

4.1基于L形刚性梁与弹性膜片结构的FBG加速度传感器制作及测试

4.1.1 窄线宽微型光纤光栅的制备及基本特性测试

4.1.2 传感器制作及封装

4.1.3 传感器性能测试

4.2 基于对称推挽式结构的双FBG加速度传感器制作及测试

4.2.1 匹配光栅对的制备及中心波长控制方法

4.2.2 传感器制作及封装

4.2.3 传感器对低频振动信号的传感性能测试

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果