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题目:光纤加速度传感器系统研究
第一章绪论
1.1研究背景和意义
近20年来,随着光纤通信技术的不断发展和成熟,光纤传感器的应用前景
也越来越广阔,它与传统的传感技术相比,光纤具有质量轻,纤芯细,抗电磁干
扰能力强,抗腐蚀,耐高温高压,信号衰减小,集信息传感和传输与一体等优点,
使其用途广泛。例如可以将分布式光纤光栅传感器嵌入材料中形成智能材料,可
对大型构件的应力,振动,温度和载荷等参数进行实时安全监测;也可用于对有
毒,有害气体的环境监测;还包括应用于政府机构或军事重地等敏感区域和设施
的安防预警技术与系统;应用于飞船,飞机等航空航天器以及潜艇,舰船的结构
健康监测等。
当前,全球地质活动频繁,使得地震灾害时常发生,造成了惨重的人员伤亡
和财产损失。例如2021年3月11日,日本东北部海域发生里氏9.0级地震并引
发海啸,使得日本福岛第一核电站1-4号机组发生核泄漏事故,造成13498人死
亡、14734人失踪,经济损失高达2350亿美金;2021年,2月27号,智利发生
里氏8.8级地震,致使279人遇难,经济损失300亿美元;其中让我们记忆深刻
的是,2021年5月12号,我国四川汶川发生里氏8.0级地震,导致69227人遇
难,374643人受伤,失踪17923人,大量房屋倒塌,道路被毁,数以万计的民
众无家可归,亲人分离,直接经济损失8452亿人民币。如果我们能够在地震来
临前,提前几秒预警,就能够挽救成千上万的生命和数以千亿的财产,例如2021
年6月14日,日本岩手发生里氏7.0级地震,日本政府通过建立的自动地震预
警台网,提前10秒向全国发出警报,向新干线上高速行驶的列车,核电站,城
市供电和煤气输送系统发出制动指令,有效的防止了地震次生灾害的发生。因此,
研究出一套可靠的地震监测系统具有十分重大社会和经济意义。
地震的监测有一部分可以理解为振动的测量,它包括振动的位移,速度和加
速度等。目前,地震监测普遍采用的是基于机电转换原理的检波器,即通过磁体
与线圈的相对运动,将机械振动转换为电信号来实现,这种结构的检波器灵敏度
不高,无法满足人们对地震监测的要求。而光纤光栅对振动的灵敏度很高,微小
的位移测量最小可达纳米级,具响应速度快,动态范围大,可以采用分布式测量,
即多个检波器同时进行地震波的采集,非常适合于地震波的监测。加速度作为振
动的一种动态参数,它可以和位移,速度相互转换,能够从加速度信号中提取位
移或者速度信号等作为振动物体的状态参数。在地震监测中,用光纤光栅测量加
速度信号是一种十分有效的手段。
光纤加速度传感器主要用于测量振动的加速度,在现代工业各种领域都会涉
及到振动加速度的测量,因此,灵敏度高,频率范围大,信号传输距离远,抗电
磁干扰能力强,实现智能化是对未来光纤加速度传感器的基本要求。因此,对光
纤加速度传感器的结构,原理,测量方法的深入研究,对于我国地震监测,光纤
传感器的应用前景都具有深远的意义。
1.2光纤加速度传感器的国内外研究进展
随着光纤传感技术的不断提高,给光纤加速度传感器的发展带来了前所未有
的机遇,与传统的机械磁电式,压电悬浮式,电磁悬浮式等加速度传感器相比,
灵敏度得到了很大的提升,光纤加速度传感器的种类也越来越多,主要有强度调
制型,波长调制型,相位调制型,模式调制型和偏振态调制型等。光强调制型有
反射式,投射式,光模式强度调制,折射率强度调制等,相位调制型加速度传感
器常用的相位解调方法有马赫-曾德干涉仪法,法布里-珀罗干涉仪法和迈克尔逊
干涉仪法等等,其中相位调制型,强度调制型和波长调制型光纤加速度的精度比
较高,研究的也比较多。
美国MicronOptics公司设计了一种基于光纤布拉格光栅的Os7100光纤加
速度传感器,它采用标准螺纹结构连接与结构表面,并且可以组合成双轴或三轴
结构,同时基于光纤布拉格光栅技术的自身优势,可在一根光缆上串联许多个传
感器。
图1-1单轴和三轴的光纤加速度传感器
它的测量范围可从DC到数百赫兹,灵敏度为16pm/g,最大频率响应为700Hz,
工作温度从负40摄氏度到正80摄氏度,光纤布拉格光栅的中心波长为1512nm
至1588nm,可应用于大型结构的加速度监测,也适用于桥梁,大坝,建筑,隧
道,轮船,飞机,火车和一些复合结构的长期健康
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