高灵敏度全光纤低频超低频振动传感关键技术研究

Low-frequency & ultra-low frequency vibration measurment technology has been playing important roles in the monitoring of high buildings, aerospace,earth activites etc. The traditional electrical vibration sensors have certain restrictions in the resistance to harsh envirnment, such as high temperature and strong electromagnetic inteference. Some optical vibration sensors need to be improved in the device bulk, anti-parameter cross sensitivity, lowest frequency detection and the sensitivity. Our research group has enriched experiences in fiber micro-machining and fiber-based low frequency & ultra-low frequency vibration. In order to lower the detected frequency and improve the senstivity & immunity, the applicant proposes the high-sensitivity photodynamics-based miniaturized all-fiber resonant frequency scanning vibration sensing technology. The core idea is to adjust the resonant frequency of the micro sensor by using optical radiation pressure and optical thermal stress, through which the high-sensitivity readout can be realized in the low-frequqncy & ultra-low vibration measurement based on micro-vibration structure. The outstanding advantages of our proposal include: all-fiber vibration sensor is integrated in the fiber, which can realize the miniaturiation of such sensor; the readout mechanism is based on resonant frequency scanning, which can realize the high-precision detection of weak vibration and immunity. This research project has important academic significance and important potential application.

低频超低频振动测量技术在大型建筑、航空航天、地球活动等领域的监测中起着举足轻重的作用，电学振动传感器在抗恶劣环境如高温、强电磁干扰等方面受到了一定限制，部分光学类振动传感器在传感装置体积、抗参数交叉敏感、探测最低频率和灵敏度方面还需改进和完善。结合课题组在光纤微加工和光纤低频超低频振动研究方面多年的研究基础，为进一步降低振动传感器的可探测频率、提高振动响应灵敏度和抗干扰能力，申请人提出一种高灵敏度的基于光动力学的微型化全光纤谐振频率扫描式振动传感技术。核心思想是利用光辐射压力和光制热应力来调节微振动传感器的谐振频率，从而实现基于微振动结构的低频和超低频振动测量的高灵敏度读出。该技术的突出优点是将全光纤振动传感器集成在光纤上来实现全光纤振动传感器的微型化；通过谐振频率扫描式的读出机制来实现弱振动的高灵敏度检测和提高抗干扰能力。因此该项目具有很好的学术研究意义和重要的潜在应用价值。

低频超低频振动测量技术在大型建筑、机械设备、航空航天、地球活动等领域起着举足轻重的作用，电学振动传感器在抗恶劣环境如高温、强电磁干扰等方面受到了一定限制，部分光学类振动传感器在传感装置体积、抗参数交叉敏感、探测最低频率和灵敏度方面还需改进和完善。光纤传感技术因其抗电磁干扰、易组网和可远距离测量等优点，已成为低频振动测量技术中最具潜力的传感技术之一，但是对于构成“智能结构”现有的光纤振动传感器还存在一些问题，比如体积大、可探测振动频率范围下限偏高、温度交叉敏感等。. 针对现有光纤振动传感器存在的问题，项目按照传感器的微型化、可探测振动频率范围低频化和消除温度交叉敏感的总体思想，分析了振动响应结构的理论模型及其阻尼和谐振频率对响应度的影响，研究了三种不同类型的全光纤微型化的低频超低频振动传感器，并在传感器的设计、制作、优化和环境响应特性测试等方面做了比较系统全面的分析。经过4年的研究完成了如下三个任务：(1). 设计基于微结构光纤和珐珀干涉仪的全光纤点式简支梁型低频超低频振动传感器；(2). 设计并制作带质量块悬臂梁式全光纤低频F-P加速度传感器和基于微结构光纤的摆锤型全光纤点式低频振动传感器；(3).设计制作了一种基于微结构光纤布拉格光栅的振动和温度同时准分布式测量的全光纤传感器。设计制作的传感器集成了微振动梁和质量块结构，可以同时对振动和温度进行准分布式测量，可以有效探测0.5Hz～10Hz的振动，其信噪比高达28dB，为解调振动信息提供了足够保障。同时该传感器的温度特性线性度较好，实验测得在20℃～180℃内，FBGs的温度敏感度分别为8.55pm/℃和8.09pm/℃，该传感器在大型建筑物和机械质量监测应用中具有很大的实用价值。. 发表SCI收录论文8篇；培养了2名博士生，6名硕士研究生；全面完成了该项目的预期目标。