摘 要

光纤光栅(FBG)是近年来发展最快的光纤被动器件之一。光纤光栅对特定波长的光的反射和反射是光波长随物理量的变化而变化的，如温度、应力等，它具有极佳的温度和应变响应:因此，光纤光栅在传感器领域得到了广泛的应用。而低碳经济,节能减排装备制造业发展模式变化引起的,经济发展方式从粗放发展方式向提高自主创新的能力,提高国际竞争力的集约化发展模式的变化,为未来“十二五”装备制造业的转型发展方向和战略产生突破。这一结构调整和发展模式正在转变为一个强大的装备制造强国的战略目标。我们将继续积极调整转型升级战略。机械设备是装备制造发展的基础。随着机械设备的日益复杂和高速、高精度、重载等极端条件的出现，对性能的要求也不断提出。机械设备的重要性日益突出，安全运行受到重视。它的主要组成部分是实时在线监测和故障诊断，是科学研究的一个重要课题。

光纤光栅传感器是一种利用光纤测量和传输物理量的新型传感器。它具有高压,抗电磁干扰,绝缘好,体积小,重量轻,对环境变化不敏感,高灵敏度和高信噪比的优点,同时作为传感元件和传输媒介,容易实现分布式测量,易于实现远距离传输。光纤光栅传感技术是近年来才出现的一种新型传感技术，需要对各方面进一步进行研究和改进。

本文叙述了FBG多年来的研究成果，从光纤光栅的理论模型，从FBG到网格的机制，结构特征，例如FBG光学性质的匹配光栅解调技术，对FBG的研究进行了具体分析，主要是在FBG感应原理，波长解调技术，数据处理和传感器测量系统的振动中进行了研究。用光纤光栅识别系统的振动识别系统来分析匹配的光栅解调系统的振动传感器的研究方案，以及光纤光栅传感系统的研究方案，可以通过光纤光栅传感技术实现动态测量，从而实现光纤光栅振动传感器的分析和应用的理论基础，具有一定的指导意义。

论文的主要研究内容如下：

1．简要分析了FBG传感技术的基本原理、传感特性。对现有较为成熟和常见的光纤光栅波长解调方法进行总结。

2．设计搭建光纤光栅振动传感实验系统，对系统各环节进行了理论上的模拟和计算，得出外力与波长变化的函数关系，测定了光纤光栅传感器的灵敏度，机械振动频率和波长变化频率的关系。

3．根据单点的FBG振动传感解调实验原理进行实验。采用快速傅里叶变换对采集的实验数据进行处理，分析如加载振动信号的主要频率分量。

4．在实验结果的基础上总结该方案的忧缺点，并展望其应用前景。

关键词 : 光纤光栅传感器，振动检测，变形监测。

Abstract

Fiber grating (FBG) is one of the fastest developing fiber passive devices in recent years. Fiber grating to certain wavelengths of light reflection and reflective wavelength of light varies along with the change of physical quantity, such as temperature, stress, etc., it has good temperature and strain response: therefore, fiber Bragg grating has been widely used in the field of sensor. And low carbon economy, energy conservation and emissions reduction of equipment manufacturing industry development mode change, the pattern of economic development from the extensive development mode to improve the ability of independent innovation, improve the international competitiveness of the change of the intensive development mode, the transformation of "twelfth five-year" equipment manufacturing industry for the future development direction and the strategic breakthrough. This structural adjustment and development model is transforming into a strategic goal of a powerful equipment manufacturing power. We will continue to actively adjust the strategy of transformation and upgrading. Mechanical equipment is the basis of equipment manufacturing development. With the increasing complexity of mechanical equipment and the emergence of extreme conditions such as high speed, high precision and heavy load, performance requirements have been put forward. The importance of mechanical equipment is becoming more and more important. Its main component is real-time on-line monitoring and fault diagnosis, which is an important subject of scientific research.

Fiber Bragg grating sensor is a new kind of sensor which USES fiber to measure and transmit physical quantity. It has high pressure, electromagnetic interference resistance, good insulation, small volume, light weight, less sensitive to changes in environment, the advantages of high sensitivity and high signal-to-noise ratio, at the same time as the sensing element and transmission medium, easy to implement distributed measurement, easy to realize long distance transmission. Fiber Bragg grating sensing technology is a new kind of sensing technology, which needs to be further studied and improved in all aspects.

This article describes the FBG after years of research, from the theoretical model of fiber Bragg grating, from the mechanism of FBG to the grid, the structure characteristics, such as the matching technology of grating demodulation FBG optical properties, gives a detailed analysis on the research of the FBG, mainly in the field of FBG sensing principle of wavelength demodulation technology, data processing and sensors in the vibration of the measuring system is studied. Recognition system with optical fiber grating vibration recognition system to analyze the matching grating demodulation system of vibration sensor research plan, and research scheme of fiber Bragg grating sensing system, can through the fiber Bragg grating sensing technology to realize dynamic measurement, so as to realize the analysis and application of fiber grating vibration sensor of theoretical foundation, has a certain guiding significance.

The main research contents of this paper are as follows:

1. The basic principle and sensing characteristics of FBG sensing technology are briefly analyzed. The existing methods of wavelength demodulation of fiber grating are summarized.

2. Design structures, fiber grating vibration sensor experimental system, the each link of the system has carried on the theoretical simulation and calculation, it is concluded that the external force as a function of wavelength change of mechanical vibration frequency and the relationship between the wavelength change frequency.

3. The experiment was carried out according to the experimental principle of single point FBG vibration sensing demodulation. Fast Fourier transform is used to process the collected experimental data, such as the main frequency component of loading vibration signal.

4. On the basis of the experimental results, the paper summarizes the worries and shortcomings of the scheme and prospects its application.

Key words: fiber grating sensor, vibration detection, deformation monitoring.

目录

第一章 绪论 1

1．1研究背景 1

1.2 国内外机械振动的研究历史及现状 1

1.3 本文主要研究的内容 2

第二章 光纤光栅传感器的原理和振动监测方法 4

2.1光纤光栅的结构和相关工作原理 4

2.1.1光纤的结构和传输的原理 4

2.1.2 光纤光栅基本工作原理 4

2.2 机械结构振动监测的方案 5

2.3 悬臂梁振动的检测方案 6

2.4本章小结 6

第三章 光纤光栅传感器对振动监测的研究 7

3.1光纤光栅的动态特性与解调原理 7

3.2 光纤光栅传感器的灵敏度标定试验 8

3.2.1 实验的相关器材与参数 9

3.2.2光纤光栅的封装 11

3.2.3光纤光栅的波长与载荷关系的理论分析 13

3.2.4 光纤光栅灵敏度的测量 14

3.2光纤光栅动态特性的实验 17

3.3 本章小结 19

第四章 悬臂梁模态参数分析 20

4.1 基于ANSYS的有限元分析 20

4.2 悬臂梁模态分析 21

4.3 本章小结 21

第五章 全文的总结和展望 22

5.1 对全文的总结 22

5.2 展望 22

参考文献 23

致谢 24

绪论

1．1研究背景

振动会引起大型机械中的产生常见故障，对于设备的安全运行来说害处很大。 振动也是设备的“温度计”。机械故障引起的振动是弯曲振动和扭转振动的组合。通过对大型机械振动的测量，可以准确地查找出大多数机械设备的故障。机械振动是指系统在特定位置（通常是静态平衡位置或平衡位置）的往复运动。 由于发动机的固有的不平衡，大部分原始动力都有振动问题，可以在高速行驶时从1m轨道上分离出来。 涡轮引起的振动引起严重的机械故障。 振动会加重机械零件的磨损，并会使机器上的紧固件松动，如螺母。机床的切割导致颤振，导致表面光滑程度降低。当机器的固有频率接近外来的振动频率时，就会发生共振现象，导致机器过度变形甚至失效。1985年7月7日，台湾一座900mw的核电站机组由于系统和轴系的机械和电气共振而导致叶片脱落，引起火灾和严重损坏。 经过调查，事故原因是机器的轴系接近自然频率产生共振现象。 在美国，1个火电机组的蒸汽轮机由于升压变压器的高压侧两边全部和地面相连，使低压转子产生裂纹。 振动从未被彻底消除过。这样的事故太多了。

由于各种故障影响其正常工作，在运行中出现严重故障，甚至发生重大安全事故。 直接或间接的经济损失非常大。 振动是机械设备故障的主要原因。通过对机械振动频率的监测，分析和处理，可以掌握设备的正常运行情况和趋势。 对机械设备发生严重故障和严重事故前应及时发出警告，及时进行维修和维修，以保证正常生产，防止意外事故发生。 然而实际的振动通常非常复杂，并且在很多情况下会影响机械性能和使用寿命。 理论研究是不够的。为了了解机械设备的振动特性，我们需要直接测量机械的振动频率。 因此，进行振动测量的在工程研究中是很有必要的。

1.2 国内外机械振动的研究历史及现状

从1656年到1657年，荷兰的C.惠更斯首次提出了物理摆的理论，并创建了一个钟摆机械钟。从1900年开始，人们对机器振动的关注主要集中在共振引起的问题上。1921年，德国霍尔泽提出了求解工件振动的固有频率和振动模式的计算方法。20世纪30年代以后，对结构振动的研究开始从单一的线性振动演变为非线性振动。 自20世纪40年代以来，结构振动研究已经从规律振动演变为概率和统计方法，以描述它们的规则不规则振动，即不规则振动。 电子计算机的快速发展和成熟以及自动控制理论的同时，使以前被认为是非常困难的多自由度系统的数学研究成为可以解决的问题。 振动理论和实验技术的成熟和完善使得振动分析成为结构设计中的重要工具

自1970年以来，计算机模拟计算分析技术和信号处理技术的高速进步，像对转子-轴承这一类系统动力特性研究的不断深入，有效的加速了大型旋转机构状态监测和故障检查技术的发展，使大型旋转机构状态监测和故障检查技术水平越来越高。

用于大型旋转机构的最先进的振动监测和故障检查技术主要包括转子振动监测系统的设计，振动信号处理和分析技术以及转子故障检查技术。旋转机构的状态监测分成了离线定期监测和在线连续监测。脱机常规监控首先使用磁带录音机或数据收集器收集转子振动信号。 然后送入频谱分析仪如 CF940，SD375等进行分析。在线监测是通过连续记录和监测设备各个测量点的振动信号来对整体机构进行振动监测。国外一直都高度重视大型旋转机构状态监测与故障检查设备的开发，无论是离线监测还是在线监测，都有非常多的成熟产品可供选择。如韩国和挪威制造的录音机，美国亚特兰大的M777便携式数据采集器，常见的信号处理器是H.P，B.K，Ono的产品。在线监测系统主要由微机系统和基于微处理器工作的专业仪器组成。同时监测数十或数百个通道的频率信号，例如美国宾利制造的频率信号TDM和DDM系列产品以及亚特兰大生产的M6000系列产品。一些国内中大型企业工厂引进了一些国外的大型旋转机构状态监测仪器，开拓了大家的视野，推动了对最先进的大型旋转机构的监测和故障检查技术的发展。国外监测仪器的主要缺点是价格昂贵，难以维护和更新，不过，国内一些研究机构和相关院校开发了一些使用低成本和灵活的可以用在PC上的转子监测和检查系统。 哈尔滨工业大学开发的“微机对机振动监测与故障诊断系统MMMD-1”由西安交通大学和镇海石化总厂共同开发“大型旋转机构计算状态监测与故障检查系统”这些系统具有不错的性价比，而且能和中国企业的实际情况紧密结合，这样有利于机构监测和检查系统在中国的推广，取得了良好的效果。 基于PC的大型旋转机械监控系统的发展在过去几年受到了国际上的高度重视

1.3 本文主要研究的内容

在上述的内容讨论中，对机构的振动进行监测已经成为工业生产作业中必不可少的部分，所以对机构的振动监测的方法和可行性进行研究具有举足轻重的作用，从上文所描述的背景来看，本文主要的内容可以简单概括为以下几个方面。

第一章 绪论。主要讲述了当今振动的主要来源和主要由于共振所产生的危害，同时举出了不少真实发生过的事故，明确指出了对振动监测研究的必要性。同时对机构振动监测的研究历史进行了简单的叙述，也介绍了当前时代国内外对机构振动监测的研究现状，对比了现代与传统对振动监测研究方法的优劣，以及当前研究领域和工作生产领域对基于光纤光栅传感器对机构的振动进行监测的需求。

第二章 光纤光栅（FBG）传感器的工作原理和振动监测方法。对光纤本身的结构进行了简单的介绍，介绍了光纤光栅传感器的工作原理，通过理论分析了光纤光栅的中心波长与所受应力和温度的关系，得到了相关表达式，利用这个表达式提出了一种通过测量光纤光栅中心波长变化频率来得到机构振动频率的办法，然后提出了可以通过把悬臂梁作为模拟待测机构进行光纤光栅传感器测量振动频率测量试验，来验证这种测量方法的可行性的方案。

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