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| 編輯推薦： |
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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[???Bc2, ??Bc2]，这里Bc=0.30 nm。5.设
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| 內容簡介： |
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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。
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| 關於作者： |
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王永皎，女，1977年出生，河南新乡人，工学博士，河南城建学院计算机学院副教授。目前主要从事光纤传感理论与应用，计算机及应用技术的教学与研究工作。近年来主编及参编著作及教材多部；在SCI源刊、EI源刊及中文核心发表三十余篇论文；主持及参与省市级以上项目十余项；入选获得河南省自然科学优秀论文五篇，信息技术教育优秀成果奖十余项；带领学生参加各种竞赛获奖数十项；获得河南省教学标兵及河南城建学院学术技术带头人称号。2014年获河南城建学院学术技术带头人称号，2015年获河南省教学标兵称号。
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| 目錄：
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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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| 內容試閱：
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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。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。本书主要进行了如下研究
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。计算结果表明，对于线
性应变（梯度项），FBG的反射谱是关于中心波长对称的，中心波长漂移决定于光栅中点的应变。峰值强度则与光栅受到的应变梯度有关
，当梯度项增加时，峰值强度下降。当光纤光栅受到二次应变时，其反射谱关于中心波长是不对称的，二次应变系数的正负和大小决定
反射谱左右旁瓣的强弱，反射谱旁瓣越大，光栅受到的非线性应变越大。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。本书利用FBG耦合方程的数值
积分，讨论了动态线性应变对FBG反射谱的影响。模拟结果表明，当粘贴在被测物体上的光纤光栅经历随时间变化的应变时，其反射谱和
波长漂移决定于光纤光栅中点的随时间变化的应变，而峰值强度与光栅处的应变梯度有关。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。振子要稳定工作，其本征频
率必须是待测机械频率的5倍以上；要实现高灵敏度，振子应变随加速度幅值的变化率要大；要有适当位置方便粘贴固定光纤光栅。本书
以挠度分析法为主，ANSYS模态分析法为辅，讨论了矩形悬臂振子和矩形桥式振子的共振频率和弹性结构的应变随加速度的变化率。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［-Bc2, Bc2］，这里Bc=030nm。由于普通双
FBG波长差的工作区间较小，我们进一步设计了用啁啾光纤光栅替代普通光栅的方案，采用带宽为4nm、初始中心波长差为2nm的两个啁啾
光纤光栅，其中心波长差的工作区间扩展到［-2nm，2nm］，为普通匹配FBG的10倍以上。机械振动的双光栅传感理论与实验研究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。振动监测系统的实验表明
，输出的电压信号的幅值与加速度的幅值呈良好的线性关系，理论描述与实验结果一致。研究了传感器放置的倾角对电压信号的影响，
电压信号的幅值与传感器倾斜角度的余弦函数成线性关系，且实验数据与理论公式一致。当角度小于15时，电压幅值的变化不到传感
器水平放置时电压幅值的5%。6把两个啁啾光纤光栅分别相对于轴线方向4和-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。利用光电转换和放大电路，把双光栅的反射光转化为电压信号输出。通过假定输出电压
与双啁啾光纤光栅的反射光强成正比、双啁啾光纤光栅的反射光强与其主瓣下面积成正比，给出了电压信号与转矩和扭转角的依赖关系
。实验表明，不同转矩下的DCM-DC0值与负载转矩M呈良好的线性关系，而且中心波长差会随时间周期性振动，其基频f0与
转速呈良好的线性关系，测得的电压信号与理论预测的变化规律一致。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0~20Nm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。前言在本书的编写过程
中，得到了许多老师和同事的帮助，参与编写的还有梁磊教授、袁银权教授、徐刚博士、冯坤、涂彬、仇磊等人，书中如有不足之处，
或总结中出现漏失问题，恳请读者不吝赐教。王永皎2017年6月机械振动的双光栅传感理论与实验研究
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