三维光纤光栅风速传感器技术研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：理学硕士学位论文三维光纤光栅风速传感器技术研究硕士研究生：姜宗泽指导教师：杨军教授学科、专业：光学论文主审人：张洪泉研究员哈尔滨工程大学2018年3月分类号：密级：UDC：编号：理学硕士学位论文三维光纤光栅风速传感器技术研究硕士研究生：姜宗泽指导教师：杨军教授学位级别：理学硕士学科、专业：光学所在单位：理学院论文提交日期：2017年12月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofM.SciResearchon3DFiberBraggGratingAn

2、emometerTechnologyCandidate:JiangZongzeSupervisor:Prof.YangJunAcademicDegreeAppliedfor:MasterofScienceSpeciality:OpticsDateofSubmission:Dec.2017DateofOralExamination:Mar.2018University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。

3、除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题

4、再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日三维光纤光栅风速传感器技术研究摘要海洋是人类生存与发展的第二空间，风速测量作为海洋观测的重要要素之一，数据的准确性直接影响到海洋预报、科研考察、渔业生产、港口作业等。提高海洋风速测量的精度，提升风速风向观测数据的准确性具有重要意义。但面对海洋环境，现有的风速测量设备在稳定性、耐腐蚀性上存在着一定不足，无法满足海洋上长期、实时的测量要求。为了解决这些问题，利

5、用光纤布拉格光栅具有体积小，耐腐蚀，抗电磁干扰等优势，提出了一种光纤布拉格光栅风速传感器。本文的主要研究内容如下：采用迎风挡板与等强度梁联动的结构设计，将风速大小转变为等强度梁上应变的变化。基于布拉格光栅传感原理与等强度梁应变理论建立了传感模型，推导出了风速与应变的对应关系。在一根光纤上写入两个布拉格光栅，通过传感器封装技术使其中一个布拉格光栅免受应力作用，另一个处于温度与风速共同影响下，利用参考光栅法，除去温度对风速测量带来的影响。使用计算机数值模拟优化传感器的结构设计。使用ANSYS有限元仿真软件分析了强度梁的上的应变分布，确定了风速测量光栅最优安装位置；分析了不同几何形状挡板的流场

6、特性，减小了传感器对流场的扰动；分析了等强度梁的疲劳寿命，为传感器长期工作稳定性提供了参考。对风速测量光栅及温度补偿光栅的组装和封装技术进行了研究，确定了梯形应变梁结构和具有凹形环的挡风板结构；确定了温度补偿光栅的不锈钢管毛细管单端固支的封装形式，实现了屏蔽风力影响的隔离封装。为提高温度检测的分辨能力，采用薄膜溅射工艺，在温度补偿光栅表面上形成一层金属铝膜，使温度变化引起的光纤光栅伸缩变化量增大。测试结果表明，光栅的温度灵敏度增加了三倍。对风速传感器分别进行了温度特性实验、风速特性实验获得了传感器的性能指标。其中风速特性实验中采用挂载砝码方法代替风力作用，测试传感器的性能，并与风洞试验结

7、果对比。结果显示，两种方法标定的风速与波长关系，变化规律相同仅存在微小差异，风速15m/s时，两者差异小于5.91%。研究了传感器温度风速双参量补偿技术，提出了温度风速双参数信号处理方法，实验结果表明，本文设计的风速传感器在温度作用下，可准确检测出风速的大小以及环境温度的变化。建立了三维风速传感器模型，给出三维风速矢量合成方法，并验证三维风I哈尔滨工程大学硕士学位论文速传感器模型的可靠性和有效性。关键词：光纤；布拉格光栅；风速传感器