机械振动的双光栅传感理论与实验研究 本书特色

本书研究内容主要来源于国家863攻关计划“采煤机工作可靠性智能监测技术”中的子课题“采煤机机械状态多参量光纤光栅感知技术——2013AA06A411”、湖北省科技支撑计划项目“基于光纤传感技术的重大机械装备（群）健康监测与故障诊断服务云平台——2015A2028”两个课题。本书首先阐述了使用光纤光栅传感技术对机械振动进行监测的背景和意义，并解释了选择双光栅进行监测的优点。主要内容有：利用FBG耦合方程的数值积分方法，探讨非均匀温变和非均匀应变对FBG光谱的影响;设计了针对线性振动的双FBG强度测量方法;将双光纤光栅按照一定角度安装在转轴表面，建立了双光栅中心波长差与转轴的转矩和扭转角的定量关系；针对轮齿形变及振动的光纤光栅传感，研究了两个普通FBG反射谱的特征波长与温度、扭矩和扭转角的定量关系。本书从理论及实验方面研究了采用双光纤光栅解决机械振动的在线监测问题，全书层次清晰、结构完整、语言流畅，可供从事光纤传感、光纤通信、传感应用专业的教学、科研、工程技术人员参考阅读。

机械振动的双光栅传感理论与实验研究 内容简介

在自然界和人类生产实践活动中，机械振动是普遍存在的一种物理现象。为了预防过度振动带来的危害和对各种运转机械的自动控制，人们需要对机械振动进行在线监控。光纤光栅振动传感技术具有本质安全、耐腐蚀、高精度和质量轻等优点，所以国内外很多学者都在积极开展相关研究。但到目前为止，在光纤光栅振动传感的理论与技术两方面仍存在一些需要深入研究的问题。本书开展了如下研究工作：1.利用FBG耦合方程的数值积分方法，探讨了非均匀应变（包括梯度项、二次展开项）对FBG光谱的影响。2.机械振动是物体相对其平衡位置的往复运动，当光纤光栅或者装配有光纤光栅的加速度传感器固定在这些振动物体上时，光纤光栅经历的应变也会随时间周期性变化。3. 在光纤光栅加速度传感器的研制中，振子的设计与制作至关重要，主要出于三方面考虑，即共振频率、应变随加速度幅值的变化率、以及光栅的粘贴。4.通过模拟计算，得到了两个普通FBG反射谱的主瓣面积对反射谱中心波长的依赖关系，发现在一定的范围内反射谱主瓣面积与反射谱中心波长差成良好线性关系，并提出了匹配光纤光栅中心波长差的工作区间为[???Bc/2, ??Bc/2]，这里ΔλBc=0.30 nm。5.设计并制备了光电转换与信号放大电路，给出了经过光电转换与放大电路后的电压信号与振动加速度的定量关系。6.把两个啁啾光栅分别相对于轴线方向π/4和-π/4的角度安装在轴表面，当转轴受到转矩作用时，两个光栅的中心波长差与转矩和扭转角成正比。7.将双光纤光栅粘贴在轮齿两边缘，通过波长解调方法对齿轮轮齿两边缘的拉伸和压缩变形及其轮齿角振动进行了在线监测实验，并得到如下结果：① 在不同的转速下，双FBG的特征波长存在不同的整体波长漂移，显示了齿轮啮合时的温度升高现象。② 随着扭矩越大，各FBG的振动峰值波长漂移越大，且在0~20 N•m区间波长漂移与负载力矩存在较好的线性关系，显示了齿轮啮合时轮齿两边缘的拉伸和压缩变形与负载力矩的依赖关系。③ 监测得到的峰值波长出现的基准频率与啮合频率一致，轮齿在不同转速下的啮合频谱图显示倍频信号较强，表明本次实验采用的齿轮表面粗糙。

机械振动的双光栅传感理论与实验研究 目录

第1章绪论1 1.1课题来源1 1.2研究背景与意义1 1.3研究现状3 1.3.1机械线振动的传感技术4 1.3.2转轴扭转角的传感技术10 1.3.3齿轮应变与振动的传感技术14 1.3.4光纤光栅传感技术在机械振动监测中的 科学问题16 1.4课题内容与组织结构18第2章光纤光栅的传感光谱特征分析21 2.1非均匀温变下光纤光栅的反射谱21 2.2非均匀应变下光纤光栅的反射谱26 2.3动态应变下光纤光栅的反射谱31 2.4超结构光纤光栅的光谱特征35 2.4.1非均匀应变和温变对超结构光栅 光谱的影响35 2.4.2耦合系数对超结构光栅光谱的影响42 2.5双啁啾光纤光栅的反射谱51 2.6本章小结54第3章传感振子分析55 3.1振子的振动方程56 3.1.1等效力学模型及振动方程56 3.1.2频率响应函数58 3.2振子的灵敏度和固有频率60 3.2.1悬臂振子的灵敏度和固有频率60 3.2.2桥式振子的灵敏度和固有频率66 3.3振子的ANSYS分析70 3.3.1悬臂振子70 3.3.2桥式振子72 3.4本章小结74第4章线振动的双光栅传感方法75 4.1线振动的双光栅传感75 4.2双光栅反射谱的理论计算77 4.2.1双光栅反射谱的波长差77 4.2.2双光栅的反射光强78 4.3线振动的实验结果与讨论81 4.3.1光栅波长差的影响82 4.3.2加速度幅值的影响84 4.3.3频率测量范围实验86 4.4悬臂梁倾角的影响87 4.4.1理论与计算87 4.4.2实验结果与讨论89 4.5本章小结93第5章转轴角振动的双光栅传感方法95 5.1转轴角振动的力学基础96 5.1.1扭矩与应变96 5.1.2扭矩与扭转角97 5.2转轴角振动的双光栅传感实验98 5.2.1双FBG光栅的波长差100 5.2.2基于波长解调的扭矩传感实验102 5.3转轴角振动的双啁啾光栅传感实验106 5.3.1双啁啾光栅的反射光强108 5.3.2双啁啾光栅反射光的光电转换110 5.3.3基于双啁啾光栅的扭矩传感实验111 5.4本章小结117第6章齿轮振动的双光栅传感方法119 6.1齿轮传动系统的基础理论119 6.1.1轮齿变形119 6.1.2齿轮传动系统的动力学123 6.2轮齿振动的光纤光栅传感实验130 6.3本章小结138第7章总结与展望139 7.1课题总结与创新点139 7.1.1课题总结139 7.1.2课题创新点142 7.2研究展望143参考文献145

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