摘 要

圆盘式摩擦自激振动试验台通过圆盘与物块间的摩擦力和物块连接弹簧的拉力使物块做摩擦自激振动，本文针对这种试验台的测量需求设计了一种悬臂梁式的光纤光栅加速度传感器，置于物块上方。

光纤光栅作为一种新型的无源器件，已经成为了目前最有发展前途的传感元件。国内外已经涌现出许多光纤加速度传感器，与传统加速度传感器相比，其具有抗干扰能力强、高灵敏度、结构小巧等优点。文章首先介绍了光纤光栅的温度、应变以及振动传感模型，确定了其测量振动的理论依据。然后设计并比较了圆管悬臂梁传感头、基于Morikawa模型的二维传感头、矩形悬臂梁传感头三种传感头的测量方案，对矩形悬臂梁传感头进行了静力学特性和动态特性的分析，计算了悬臂梁弹性结构的固有频率。为使其具有较大的测量范围和较高的灵敏度，使用ANSYS软件进行了有限元分析与尺寸优化，设计了传感器的机械结构并加工出了实物。

关键词：自激振动；光纤光栅；传感器。

Abstract

The mass on the disk-type frictional self-excited vibration test rig does the frictional self-excited vibration through the friction force between the disc and the mass and the tension from the spring connected to the mass. This thesis designed a cantilever-type fiber Bragg grating acceleration sensor in requirement for this kind of test rig, which was placed on the mass.

As a new type of passive device, FBG has become one of the most promising sensing element. In deed, many accelerometer based on FBG have already appeared in the world. Compared with other acceleration sensors, they have the advantages of compact structure, high anti-jamming capability, high sensitivity, etc. The thesis first introduced the temperature sensing modal, the strain sensing modal, and the vibration sensing model of FBG, which determined the theoretical basis. Then it proposed three types of design, and compared each of them. It also analyzed the static and dynamic characteristics of the cantilever-type FBG accelerometer, calculated the natural frequencies and optimized the dimensions of the cantilever by finite element analysis using ANSYS. At last, the thesis designed the mechanical structure of the sensor and processed it.

Key Words：self-excited vibration；fiber Bragg grating；accelerometer.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 课题来源 2

1.3 本论文的主要研究内容 2

第2章 文献综述 3

2.1 光纤光栅传感技术的发展历程 3

2.2 光纤光栅传感器的结构分类与研究进展 4

2.2.1 悬臂梁式加速度传感器 4

2.2.2 其他多维加速度传感器 4

2.3 本章小结 5

第3章 光纤光栅传感原理 6

3.1 光纤光栅基本特性 6

3.2 光纤光栅传感模型 7

3.2.1 FBG应变传感模型 7

3.2.2 FBG温度传感模型 9

3.2.3 振动加速度传感模型 9

3.3 本章小结 10

第4章 传感器理论设计与优化 11

4.1 测量方法选择及仿真分析 11

4.1.1 方案一：两端固定的圆管悬臂梁传感头 11

4.1.2 方案二：基于Morikawa模型的二维测量传感头 13

4.1.3 方案三：一端固定的矩形悬臂梁传感头 15

4.2 传感器的静态特性分析 18

4.2.1 悬臂梁弯矩方程 18

4.2.2 横截面上应力及其分布 18

4.2.3 最大应力与应变 19

4.2.4 传感器数学模型 19

4.3 传感器的动态特性分析 20

4.3.1 传感器力学模型 20

4.3.2 传感器的幅频特性和相频特性 21

4.3.3 传感器固有频率 22

4.4 本章小结 23

第5章 传感器实物设计与组装 24

5.1 传感器的机械结构设计 24

5.1.1 基座设计 24

5.1.2 装配设计 26

5.2 光纤光栅的选择与粘贴 26

5.3 解调仪的使用与标定 29

5.4 本章小结 30

第6章 总结与展望 31

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景

振动是自然界最普遍的现象之一，广泛存在于我们的生活中。小到蜻蜓翅膀的振动、轮轨的振动，大到地震、海啸。车轮在轨道上运行会产生自激振动，如果我们能有效对其进行采样与分析，就能为改善轮轨摩擦性能提供数据支持^[1]；在自然灾害发生前，海底或地下都会有异常的低频振动，如果我们能有效地测量出来，就能避免很多经济财产损失^[2]。因此振动测量设备的研究得到了大家广泛地关注。

振动传感器大体分三类，位移传感器、速度传感器和加速度传感器^[3]。

位移传感器大多是非接触式的，如激光测振仪、电涡流式传感器、电容式传感器等，激光测振仪等虽然已经得到了较大的发展，但高昂的价格和安装方面的限制使其未得到广泛应用，目前应用较广的还是具有较低成本和工业应用技术较为成熟的电涡流式振动位移传感器。

速度传感器在机械振动测量很有应用价值，比如在汽轮机转子、鼓风机、发动机等旋转、往复式机械的振动测量方面有很多的应用。