本書研究內容主要來源于國家863攻關計劃“采煤機工作可靠性智能監測技術”中的子課題“采煤機機械狀態多參量光纖光柵感知技術——2013AA06A411”、湖北省科技支撐計劃項目“基于光纖傳感技術的重大機械裝備（群）健康監測與故障診斷服務云平臺——2015A2028”兩個課題。本書首先闡述了使用光纖光柵傳感技術對機械振動進行監測的背景和意義，并解釋了選擇雙光柵進行監測的優點。主要內容有：利用FBG耦合方程的數值積分方法，探討非均勻溫變和非均勻應變對FBG光譜的影響;設計了針對線性振動的雙FBG強度測量方法;將雙光纖光柵按照一定角度安裝在轉軸表面，建立了雙光柵中心波長差與轉軸的轉矩和扭轉角的定量關系；針對輪齒形變及振動的光纖光柵傳感，研究了兩個普通FBG反射譜的特征波長與溫度、扭矩和扭轉角的定量關系。本書從理論及實驗方面研究了采用雙光纖光柵解決機械振動的在線監測問題，全書層次清晰、結構完整、語言流暢，可供從事光纖傳感、光纖通信、傳感應用專業的教學、科研、工程技術人員參考閱讀。
在自然界和人類生產實踐活動中，機械振動是普遍存在的一種物理現象。為了預防過度振動帶來的危害和對各種運轉機械的自動控制，人們需要對機械振動進行在線監控。
光纖光柵振動傳感技術具有本質安全、耐腐蝕、高精度和質量輕等優點，所以國內外很多學者都在積極開展相關研究。但到目前為止，在光纖光柵振動傳感的理論與技術兩方面仍存在一些需要深入研究的問題。
本書開展了如下研究工作：
1.利用FBG耦合方程的數值積分方法，探討了非均勻應變（包括梯度項、二次展開項）對FBG光譜的影響。
2.機械振動是物體相對其平衡位置的往復運動，當光纖光柵或者裝配有光纖光柵的加速度傳感器固定在這些振動物體上時，光纖光柵經歷的應變也會隨時間周期性變化。
3. 在光纖光柵加速度傳感器的研制中，振子的設計與制作至關重要，主要出于三方面考慮，即共振頻率、應變隨加速度幅值的變化率、以及光柵的粘貼。
4.通過模擬計算，得到了兩個普通FBG反射譜的主瓣面積對反射譜中心波長的依賴關系，發現在一定的范圍內反射譜主瓣面積與反射譜中心波長差成良好線性關系，并提出了匹配光纖光柵中心波長差的工作區間為[???Bc/2, ??Bc/2]，這里ΔλBc=0.30 nm。
5.設計并制備了光電轉換與信號放大電路，給出了經過光電轉換與放大電路后的電壓信號與振動加速度的定量關系。
6.把兩個啁啾光柵分別相對于軸線方向π/4和-π/4的角度安裝在軸表面，當轉軸受到轉矩作用時，兩個光柵的中心波長差與轉矩和扭轉角成正比。
7.將雙光纖光柵粘貼在輪齒兩邊緣，通過波長解調方法對齒輪輪齒兩邊緣的拉伸和壓縮變形及其輪齒角振動進行了在線監測實驗，并得到如下結果：① 在不同的轉速下，雙FBG的特征波長存在不同的整體波長漂移，顯示了齒輪嚙合時的溫度升高現象。② 隨著扭矩越大，各FBG的振動峰值波長漂移越大，且在0~20 N?m區間波長漂移與負載力矩存在較好的線性關系，顯示了齒輪嚙合時輪齒兩邊緣的拉伸和壓縮變形與負載力矩的依賴關系。③ 監測得到的峰值波長出現的基準頻率與嚙合頻率一致，輪齒在不同轉速下的嚙合頻譜圖顯示倍頻信號較強，表明本次實驗采用的齒輪表面粗糙。
王永皎，女，1977年出生，河南新鄉人，工學博士，河南城建學院計算機學院副教授。目前主要從事光纖傳感理論與應用，計算機及應用技術的教學與研究工作。近年來主編及參編著作及教材多部；在SCI源刊、EI源刊及中文核心發表三十余篇論文；主持及參與省市級以上項目十余項；入選獲得河南省自然科學優秀論文五篇，信息技術教育優秀成果獎十余項；帶領學生參加各種競賽獲獎數十項；獲得河南省教學標兵及河南城建學院學術技術帶頭人稱號。2014年獲河南城建學院學術技術帶頭人稱號，2015年獲河南省教學標兵稱號。
第1章緒論1
1.1課題來源1
1.2研究背景與意義1
1.3研究現狀3
1.3.1機械線振動的傳感技術4
1.3.2轉軸扭轉角的傳感技術10
1.3.3齒輪應變與振動的傳感技術14
1.3.4光纖光柵傳感技術在機械振動監測中的
科學問題16
1.4課題內容與組織結構18第2章光纖光柵的傳感光譜特征分析21
2.1非均勻溫變下光纖光柵的反射譜21
2.2非均勻應變下光纖光柵的反射譜26
2.3動態應變下光纖光柵的反射譜31
2.4超結構光纖光柵的光譜特征35
2.4.1非均勻應變和溫變對超結構光柵
光譜的影響35
2.4.2耦合系數對超結構光柵光譜的影響42
2.5雙啁啾光纖光柵的反射譜51
2.6本章小結54第3章傳感振子分析55
3.1振子的振動方程56
3.1.1等效力學模型及振動方程56
3.1.2頻率響應函數58
3.2振子的靈敏度和固有頻率60
3.2.1懸臂振子的靈敏度和固有頻率60
3.2.2橋式振子的靈敏度和固有頻率66
3.3振子的ANSYS分析70
3.3.1懸臂振子70
3.3.2橋式振子72
3.4本章小結74第4章線振動的雙光柵傳感方法75
4.1線振動的雙光柵傳感75
4.2雙光柵反射譜的理論計算77
4.2.1雙光柵反射譜的波長差77
4.2.2雙光柵的反射光強78
4.3線振動的實驗結果與討論81
4.3.1光柵波長差的影響82
4.3.2加速度幅值的影響84
4.3.3頻率測量范圍實驗86
4.4懸臂梁傾角的影響87
4.4.1理論與計算87
4.4.2實驗結果與討論89
4.5本章小結93第5章轉軸角振動的雙光柵傳感方法95
5.1轉軸角振動的力學基礎96
5.1.1扭矩與應變96
5.1.2扭矩與扭轉角97
5.2轉軸角振動的雙光柵傳感實驗98
5.2.1雙FBG光柵的波長差100
5.2.2基于波長解調的扭矩傳感實驗102
5.3轉軸角振動的雙啁啾光柵傳感實驗106
5.3.1雙啁啾光柵的反射光強108
5.3.2雙啁啾光柵反射光的光電轉換110
5.3.3基于雙啁啾光柵的扭矩傳感實驗111
5.4本章小結117第6章齒輪振動的雙光柵傳感方法119
6.1齒輪傳動系統的基礎理論119
6.1.1輪齒變形119
6.1.2齒輪傳動系統的動力學123
6.2輪齒振動的光纖光柵傳感實驗130
6.3本章小結138第7章總結與展望139
7.1課題總結與創新點139
7.1.1課題總結139
7.1.2課題創新點142
7.2研究展望143參考文獻145
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