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機(jī)械振動(dòng)的雙光柵傳感理論與實(shí)驗(yàn)研究

作者：王永皎
出版社：清華大學(xué)出版社出版時(shí)間：2017-09-01
開本： 32開 頁數(shù)： 172
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機(jī)械振動(dòng)的雙光柵傳感理論與實(shí)驗(yàn)研究 版權(quán)信息

機(jī)械振動(dòng)的雙光柵傳感理論與實(shí)驗(yàn)研究 本書特色

本書研究內(nèi)容主要來源于國家863攻關(guān)計(jì)劃“采煤機(jī)工作可靠性智能監(jiān)測技術(shù)”中的子課題“采煤機(jī)機(jī)械狀態(tài)多參量光纖光柵感知技術(shù)——2013AA06A411”、湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“基于光纖傳感技術(shù)的重大機(jī)械裝備（群）健康監(jiān)測與故障診斷服務(wù)云平臺(tái)——2015A2028”兩個(gè)課題。本書首先闡述了使用光纖光柵傳感技術(shù)對(duì)機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測的背景和意義，并解釋了選擇雙光柵進(jìn)行監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)。主要內(nèi)容有：利用FBG耦合方程的數(shù)值積分方法，探討非均勻溫變和非均勻應(yīng)變對(duì)FBG光譜的影響;設(shè)計(jì)了針對(duì)線性振動(dòng)的雙FBG強(qiáng)度測量方法;將雙光纖光柵按照一定角度安裝在轉(zhuǎn)軸表面，建立了雙光柵中心波長差與轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)角的定量關(guān)系；針對(duì)輪齒形變及振動(dòng)的光纖光柵傳感，研究了兩個(gè)普通FBG反射譜的特征波長與溫度、扭矩和扭轉(zhuǎn)角的定量關(guān)系。本書從理論及實(shí)驗(yàn)方面研究了采用雙光纖光柵解決機(jī)械振動(dòng)的在線監(jiān)測問題，全書層次清晰、結(jié)構(gòu)完整、語言流暢，可供從事光纖傳感、光纖通信、傳感應(yīng)用專業(yè)的教學(xué)、科研、工程技術(shù)人員參考閱讀。

機(jī)械振動(dòng)的雙光柵傳感理論與實(shí)驗(yàn)研究 內(nèi)容簡介

在自然界和人類生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中，機(jī)械振動(dòng)是普遍存在的一種物理現(xiàn)象。為了預(yù)防過度振動(dòng)帶來的危害和對(duì)各種運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械的自動(dòng)控制，人們需要對(duì)機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行在線監(jiān)控。光纖光柵振動(dòng)傳感技術(shù)具有本質(zhì)安全、耐腐蝕、高精度和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，所以國內(nèi)外很多學(xué)者都在積極開展相關(guān)研究。但到目前為止，在光纖光柵振動(dòng)傳感的理論與技術(shù)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(shù)值積分方法，探討了非均勻應(yīng)變（包括梯度項(xiàng)、二次展開項(xiàng)）對(duì)FBG光譜的影響。2.機(jī)械振動(dòng)是物體相對(duì)其平衡位置的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)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(dòng)物體上時(shí)，光纖光柵經(jīng)歷的應(yīng)變也會(huì)隨時(shí)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(shè)計(jì)與制作至關(guān)重要，主要出于三方面考慮，即共振頻率、應(yīng)變隨加速度幅值的變化率、以及光柵的粘貼。4.通過模擬計(jì)算，得到了兩個(gè)普通FBG反射譜的主瓣面積對(duì)反射譜中心波長的依賴關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在一定的范圍內(nèi)反射譜主瓣面積與反射譜中心波長差成良好線性關(guān)系，并提出了匹配光纖光柵中心波長差的工作區(qū)間為[???Bc/2, ??Bc/2]，這里ΔλBc=0.30 nm。5.設(shè)計(jì)并制備了光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)放大電路，給出了經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換與放大電路后的電壓信號(hào)與振動(dòng)加速度的定量關(guān)系。6.把兩個(gè)啁啾光柵分別相對(duì)于軸線方向π/4和-π/4的角度安裝在軸表面，當(dāng)轉(zhuǎn)軸受到轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，兩個(gè)光柵的中心波長差與轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)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(diào)方法對(duì)齒輪輪齒兩邊緣的拉伸和壓縮變形及其輪齒角振動(dòng)進(jìn)行了在線監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，并得到如下結(jié)果：① 在不同的轉(zhuǎn)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(shí)的溫度升高現(xiàn)象。② 隨著扭矩越大，各FBG的振動(dòng)峰值波長漂移越大，且在0~20 N•m區(qū)間波長漂移與負(fù)載力矩存在較好的線性關(guān)系，顯示了齒輪嚙合時(shí)輪齒兩邊緣的拉伸和壓縮變形與負(fù)載力矩的依賴關(guān)系。③ 監(jiān)測得到的峰值波長出現(xiàn)的基準(zhǔn)頻率與嚙合頻率一致，輪齒在不同轉(zhuǎn)速下的嚙合頻譜圖顯示倍頻信號(hào)較強(qiáng)，表明本次實(shí)驗(yàn)采用的齒輪表面粗糙。

機(jī)械振動(dòng)的雙光柵傳感理論與實(shí)驗(yàn)研究 目錄

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(xiàn)狀3 1.3.1機(jī)械線振動(dòng)的傳感技術(shù)4 1.3.2轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)角的傳感技術(shù)10 1.3.3齒輪應(yīng)變與振動(dòng)的傳感技術(shù)14 1.3.4光纖光柵傳感技術(shù)在機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測中的 科學(xué)問題16 1.4課題內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu)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(yīng)變下光纖光柵的反射譜26 2.3動(dòng)態(tài)應(yīng)變下光纖光柵的反射譜31 2.4超結(jié)構(gòu)光纖光柵的光譜特征35 2.4.1非均勻應(yīng)變和溫變對(duì)超結(jié)構(gòu)光柵 光譜的影響35 2.4.2耦合系數(shù)對(duì)超結(jié)構(gòu)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(jié)54第3章傳感振子分析55 3.1振子的振動(dòng)方程56 3.1.1等效力學(xué)模型及振動(dòng)方程56 3.1.2頻率響應(yīng)函數(shù)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(jié)74第4章線振動(dòng)的雙光柵傳感方法75 4.1線振動(dòng)的雙光柵傳感75 4.2雙光柵反射譜的理論計(jì)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(qiáng)78 4.3線振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)86 4.4懸臂梁傾角的影響87 4.4.1理論與計(jì)算87 4.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論89 4.5本章小結(jié)93第5章轉(zhuǎn)軸角振動(dòng)的雙光柵傳感方法95 5.1轉(zhuǎn)軸角振動(dòng)的力學(xué)基礎(chǔ)96 5.1.1扭矩與應(yīng)變96 5.1.2扭矩與扭轉(zhuǎn)角97 5.2轉(zhuǎn)軸角振動(dòng)的雙光柵傳感實(shí)驗(yàn)98 5.2.1雙FBG光柵的波長差100 5.2.2基于波長解調(diào)的扭矩傳感實(shí)驗(yàn)102 5.3轉(zhuǎn)軸角振動(dòng)的雙啁啾光柵傳感實(shí)驗(yàn)106 5.3.1雙啁啾光柵的反射光強(qiáng)108 5.3.2雙啁啾光柵反射光的光電轉(zhuǎn)換110 5.3.3基于雙啁啾光柵的扭矩傳感實(shí)驗(yàn)111 5.4本章小結(jié)117第6章齒輪振動(dòng)的雙光柵傳感方法119 6.1齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論119 6.1.1輪齒變形119 6.1.2齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)123 6.2輪齒振動(dòng)的光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)130 6.3本章小結(jié)138第7章總結(jié)與展望139 7.1課題總結(jié)與創(chuàng)新點(diǎn)139 7.1.1課題總結(jié)139 7.1.2課題創(chuàng)新點(diǎn)142 7.2研究展望143參考文獻(xiàn)145
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機(jī)械振動(dòng)的雙光柵傳感理論與實(shí)驗(yàn)研究 作者簡介

王永皎，女，1977年出生，河南新鄉(xiāng)人，工學(xué)博士，河南城建學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院副教授。目前主要從事光纖傳感理論與應(yīng)用，計(jì)算機(jī)及應(yīng)用技術(shù)的教學(xué)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(fā)表三十余篇論文；主持及參與省市級(jí)以上項(xiàng)目十余項(xiàng)；入選獲得河南省自然科學(xué)優(yōu)秀論文五篇，信息技術(shù)教育優(yōu)秀成果獎(jiǎng)十余項(xiàng)；帶領(lǐng)學(xué)生參加各種競賽獲獎(jiǎng)數(shù)十項(xiàng)；獲得河南省教學(xué)標(biāo)兵及河南城建學(xué)院學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人稱號(hào)。2014年獲河南城建學(xué)院學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人稱號(hào)，2015年獲河南省教學(xué)標(biāo)兵稱號(hào)。

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