基于匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器研究

采用双悬臂梁结构,研制了基于匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器,可通过悬臂梁对匹配光栅静态工作点进行精确调整.该传感器集振动传感和动态波长解调于一体,并具有温度补偿功能.对传感器的工作原理进行了理论分析,通过与压电式加速度传感器进行的比较实验,得到了一致的实验测量结果.     

光纤Bragg光栅流量传感器

采用靶式结构作为光纤Bragg光栅流量传感器的换能元件,其中两片光栅分别粘贴于等强度悬臂梁的上下两表面。采用双光栅粘贴方式对传感器进行温度补偿,有效的解决了应变与温度交叉敏感的问题,提高了测量灵敏度。实验表明该靶式光纤Bragg光栅流量传感器的载荷响应灵敏度为33.6pm/kg,测量精度为0.5%。     

具有温度补偿的膜片型光纤光栅温度压力传感器

阐述了具有温度补偿结构的膜片型光纤光栅温度压力传感器。传感器以弹性膜片为感压元件,在压力作用下产生轴向位移来压缩压力敏感光栅以实现压力传感;通过结构温度补偿消除压力敏感光栅的温度漂移,同时串入感温光栅进行实时修正并实现温度测量。对传感器的压力和温度特性进行了测量。试验结果表明:压力灵敏度为528 pm/MPa,温度灵敏度为8 pm/℃。     

强度解调的光纤光栅高频传感系统研究

摘要：在对光纤光栅强度解调方法研究的基础上,利用FastFET放大器AD8065设计了高频光电转换电路,并基于边缘滤波强度解调原理构建了光纤光栅高频振动解调系统。该系统具有成本低、解调速度快等特点。在实验中,使用电子电路仿真软件Multisim的仿真实验与构建的光纤光栅高频振动解调系统进行对比。仿真实验和实际实验结果均表明,光纤光栅高频振动解调系统的振动测量具有良好的幅频响应,频率响应范围可达5Hz~1000Hz,为光纤光栅高频动态测量提供了一种新的可靠手段。     

基于AWG的耐高温长周期光纤光栅应变监测信号解调技术研究

对一种耐高温的长周期光纤光栅应变检测信号解调技术进行了研究。首先对耐高温光纤光栅的制备方法和高温性能进行了分析和测试,然后采用阵列波导光栅(AWG)器件,对基于等强度悬臂梁的应变检测信号解调技术进行了研究,证实了AWG信号解调技术具有结构简单、技术新颖以及性能可靠的特点。在AWG解调方法中对测试数据的谱线重塑方法进行了讨论,并采用数据融合算法对温度交叉敏感的温度补偿算法进行了实验研究,取得了明显的温度补偿效果。     

光纤光栅与电阻应变片磁场环境下应变测量的试验研究

针对磁场对传感器工作性能的影响,借助等强度标准悬臂梁,研究光纤光栅和电阻应变片在磁场环境下的应变测量特性。给出2种传感器的应变传感方程,搭建磁场工作环境,分别采用电阻应变片和光纤光栅对磁场下悬臂梁的应变进行测量。结果表明:在有周期变化磁场工况下,电阻应变片的时域波形产生周期性的脉冲,脉冲大小与变化磁场的强度成正相关关系;光纤光栅传感器的测量结果则始终维持在理论计算值左右,不随磁场的变化而产生较大波动,证明了光纤光栅的抗电磁干扰特性。     

基于长周期光纤光栅的压力传感器计算机仿真研究

当前,传统的几种压力传感器存在机械结构复杂,不便于转换成电参数等缺点,设计仿真研制了一种基于悬臂梁差动结构的新型长周期光纤光栅压力传感器;该传感器测量精度高,结构简单,便于加工;其独特的差动结构克服了温度变化对测量的影响,在温度变化后不用再次标定;完成了差动结构方案的结构与工艺设计,对其机械工艺等方面进行了改进,为下一步的工艺标准化工作打下了基础;经过反复测试,在O一6MPa的测量范围内,温度变化25℃时,在不用重新标定的条件下,其测量精度仍保持在1%之内;实验结果表明,该传感器在将压力信号转换成电信号方面,比传统的几种压力传感器在线性度等方面具备很大优势.     

基于LabVIEW的光纤光栅白车身车门内间隙测量系统研究

设计了一种基于光纤光栅(Fiber Bragg Gratings, FBG)传感技术的白车身车门内间隙自动测量系统。传感器采用楔形滑块-悬臂梁式传感体结构,分析了传感器的传感原理。利用FBG高频解调模块采集传感器的信号,通过无线网桥ST5816H-C对数据进行传输,基于Labview开发平台设计上位机交互界面系统。实验研究表明该测量系统的线性度达2.7%FS、测量精度为±0.13 mm,可进行12个点位车门内间隙的同步实时测量,实现传感位置、间隙历史曲线、间隙值等多状态实时显示,满足车间实际监测要求。     

高温光纤温度传感器的研究进展

对高温光纤温度传感器的最新研究进展进行了归纳和总结,详细讨论了光纤成分、光纤几何形状、光纤光栅类型、光纤光栅制作方法以及光纤传感器结构等对测量温度的影响,并对几种典型的高温光纤温度传感器的工作原理进行了详细论述.研究表明:高温光纤温度传感器具有优良的特性,能够在恶劣环境下测量极高的温度.     

一种基片式光纤光栅应变增敏传感器

针对传统裸光栅直接粘贴式应变传感器应变灵敏度小的缺陷,提出了一种基片式光纤光栅应变增敏传感器,通过设计杠杆增敏结构的封装基片实现对光纤光栅的应变增敏.该传感器具有较大的应变放大机制,其测量精度与稳定性超过了裸光纤光栅.建立了该传感器的理论感知模型,并进行了与有限元仿真分析.由等强度悬臂梁标定实验可得该传感器实际应变灵敏度为6.122 pm/με,与理论结果和仿真结果一致,且线性度达到0.99998.通过动态激振实验对该应变增敏传感器的动态响应进行研究,实验结果表明该传感器能够在0～100 Hz范围内保持一致的增敏效果,能够良好的跟踪动态应变.该传感器在大型机械装备的健康监测与故障诊断方面具有良好的应用前景.     

应变式二维加速度传感器的研究与仿真

轴承振动二维加速度信号对其状态监测和故障诊断具有重要研究意义。采用圆柱形等截面梁为弹性元件,结合二轴应变测试方法,提出了应用于轴承状态监测与故障诊断的应变式二维加速度传感器新结构。在建立应变式传感器振动加速度方程的基础上,分析了结构参数对传感器固有频率和灵敏度的影响,并利用有限元方法对传感器的动态响应性能和测量精度进行了数字仿真分析,获得了动态响应曲线和测量精度曲线。仿真结果表明:新型应变式二维加速度传感器具有良好的测量精度和低频特性,以及维间非耦合性、结构简单、成本低廉、易于加工装配等优点。     

振动梁信号自动检测系统的设计与实现

以ZY13Sens12SB传感器技术实验台为平台,以振动梁为对象,利用应变传感器检测振动梁的振动。给出了系统硬件设计原理框图、各模块之间的接口连接,通过调节实验台上音频振荡器的频率,达到调制和改变振动梁的振动频率,可实现振动梁以不同频率和幅度振动,利用示波器可实时观察振动波形。     

微结构谐振梁式压力传感器研究

利用微电子机械加工技术成功地研制出电势激励、压阻拾振的高精度硅谐振梁式压力传感器,传感器的谐振器的品质因素Ｑ值大于１７０００。采用扫描检测方式和闭环自激振荡方式测定压力传感器的压力特性,其压力测试范围为０￣４００ｋＰａ,线性相关系数为０．９９９９５,测试精度小于０。０６％Ｆ．Ｓ。     

干涉型光纤海洋参数传感器的分布式测量方法研究

光纤传感器因其灵敏度高、体积小等优点在海洋监测领域得到了广泛关注. 目前高性能的海洋温盐深参数监测光纤传感器大都基于干涉原理, 难以实现同一系统内多个传感器的复用, 不能满足海洋环境参数高时空分辨力的监测需求. 基于调频连续波原理, 提出一种适用于干涉型海洋参数光纤传感器的大容量复用方法. 利用不同干涉仪端面反射光与参考光形成Mach-Zehnder干涉光谱的特征频率确定不同传感器的位置, 通过不同端面特征频率间的拍频还原了单个传感器的光谱. 设计并搭建了干涉型海洋参数传感器的分布式传感系统, 实现了系统中传感器的定位以及光谱信号还原, 并通过理论计算证明分布式传感系统中至少可以实现500个传感器的复用. 本论文的研究可以为高性能干涉型光纤传感器的海洋参数链式监测提供技术支持.     

Absorption-based fiber optic surface plasmon resonance sensor: a theoretical evaluation

In this paper, an optical absorption based fiber optic surface plasmon resonance (SPR) sensor has been studied theoretically. The theoretical treatment is based on Kretschmann’s SPR theory and the Lorentz model that expresses a damped harmonic oscillator is included in the treatment for optical absorption in the sensing layer. The optical source considered is an un-polarized collimated beam. The light is coupled to the fiber using a microscope objective that focuses the beam at the center of the input face of the fiber. The effects of the parameters related to the sensing region, the light source and the optical fiber on the sensitivity and the operating range of the SPR sensor have been studied with the help of numerical calculations and computer simulations. It has been found that the excitation frequency in absorption-based fiber optic SPR sensor is an important parameter. The sensitivity is better for the lower off-resonance excitation frequency. The sensitivity and the operating range of the sensor are better for large value of the core diameter. The optimization of numerical aperture of the fiber, film thickness and the length of the sensing region is required to achieve the maximum sensitivity. Further, the increase in the extinction coefficient of the sample increases the sensitivity of the sensor while the decrease in the width of its absorption spectrum increases the sensitivity. The sensitivity and the operating range of the sensor are better for small values of the refractive index of the absorbing sample.     

MEMS石英振梁高增益谐振电路的设计与分析

介绍了一种基于新型高阻抗QVBA的高增益谐振电路设计和谐振电路的分析测试实验。利用阻抗分析仪4294A测得石英振梁的等效参数,对石英振梁的电气特性进行分析,发现高阻抗石英振梁起振比普通晶振需要更高增益。基于双门振荡电路,利用运算放大器在开环系统中具有无限增益的理论,提高谐振电路的驱动能力。同时采用谐波抑制网络,指出谐波抑制网络可以抑制无用的频率避免传感器输出信号出现泛音频率,并提高谐振电路的稳频速度。考虑电噪声对输出波形质量的影响,在电路的输入部分采用滤波电容,并在电路的输出部分采用反向器整形,使电路输出标准的方波信号。最后利用安捷伦DSO5012A型号示波器和频率计对高增益谐振电路和石英振梁组成的谐振系统进行测试,测试结果表明本文设计的谐振电路与石英振梁组成的谐振系统可以输出标准的方波信号,输出频率精度达到10-5 kHz,在振动稳定以后频率变化小于0.1 Hz,无泛音频率出现,对研究高精度MEMS加速度计传感器具有重要意义。     

MEMS高g加速度传感器固有频率的优化及验证

由于设计的MEMS高g加速度传感器固有频率低,导致测试过程中出现谐振现象。本文分析了传感器的特殊结构参数对固有频率的影响,提出了一种优化固有频率的方法。该方法通过减小质量块质量和优化梁厚度与长度的比例来调整传感器的固有频率,并通过理论仿真验证了该结构的固有频率从330 kHz提高到550 kHz,然后利用动态测试系统对优化前后的高g加速度传感器分别在20 000gn和150 000gn作用下测试输出信号。实验表明该优化方法提高了该类传感器结构的固有频率,明显消除了测试中的谐振现象。     

基于无线传感器网络的压电能量收集技术

随着物联网的发展,多节点的传感器供电成为关键问题,由于环境中普遍存在低频振动,采用了压电悬臂梁结构,建立压电悬臂梁结构的电学模型,并进行了ANSYS的仿真,仿真得到电压76 V,约等于模型的理论值,验证了模型的正确性。进而继续研究了压电悬臂梁几何尺寸对固有频率的影响,振子越长,质量块越长,频率越低。从而收集低频振动环境中的能量,为传感器供电装置提供了设计的理论依据。     

双平行梁谷物流量传感器振动噪声消除方法

为消除振动噪声对谷物流量传感器的影响,设计了双平行梁结构的冲量式流量传感器并搭建了相应的流量传感器试验台,通过实时测量试验台的粮箱质量为流量传感器标定提供实际流量数据。分别提取了参考平行梁和测量平行梁输出信号中的谷物冲击谐波信号,然后以处理后的参考平行梁信号来自适应对消测量平行梁信号中的机身振动噪声。试验结果表明,在试验台处于最大振动条件下,流量传感器最大相对误差小于1.6%,显示了振动噪声消除方法的有效性。     

基于温控Bragg光栅滤波器的光纤Bragg光栅动态应变传感系统

描述了一种基于温控光纤光栅解调的光纤光栅动态高精度应力测量系统.传感光纤光栅的Bragg反射光受到动态应力调制,反射光其后入射到温控光纤光栅滤波器,传感系统通过测量温控光纤光栅的透射光强变化实现了动态应力解调.温控调节温控光纤光栅,使传感系统始终处于透射光强对应力变化最敏感的最佳状态.利用光纤光栅滤波器的大斜率特性,实现了高动态精度的动态应力传感.以简支梁的自由振动作为研究对象,在有效探测简支梁带宽为1～3 200 Hz的谐振频率范围内获得了高达6.7×10-10ε/Hz1/2的动态应力测量精度.