YAP晶体光纤弹光效应的研究

利用受扰光纤理论理论和光纤弹光效应理论对ＹＡＰ晶体光纤弹光效应进行了理论分析和实验研究。结果表明，这种晶纤可以弹光调制、压力和加速度传感等方面得到应力，并为该类传感器的设计提供理论根据。     

光纤加速度传感器研究进展

光纤加速度传感器与传统加速度传感器相比，不但能抗电磁干扰，而且体小、质轻、动态范围宽、精度高、能在恶劣环境下工作，因此受到各先进国家军事与商业领域的极大重视，各种实用的光纤加速度传感器不断涌现。主要有光强调制型和相位调制型两大类。光强调制式有反射式、透射式和偏振式等等。相位调制式有Ｍａｃｈ－Ｚｅｎｄｅｒ干涉仪、Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ干涉仪和Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ干涉仪。有一维的，也有二维的；有与水听器组合在一起的，也有与光纤陀螺仪组合的光纤加速度传感器。最小的已经做到２．５ｃｍ长，直径仅０．２５ｍｍ；测量精度已能达到１μｇ；共振频率可达到１０ｋＨｚ。为了克服温度不稳定性对测量精度的影响，人们采用了３×３耦合器解调法，双光路法，由单臂式改成推挽式等。一旦关键技术得以克服，光纤加速度传感器将会在惯性导航和其它领域发挥更重要的作用。本文将分别介绍目前各种类型光纤加速度传感器的结构、特点、走向实用化存在的问题。     

纳米多晶硅薄膜电阻压力和加速度多功能传感器（英）

基于纳米多晶硅薄膜电阻的多功能传感器由压力传感器和加速度传感器构成。纳米多晶硅薄膜电阻构成的两个惠斯通电桥结构分别设计在方形硅膜表面和悬臂梁根部。采用MEMS技术和CMOS工艺在〈100〉晶向单晶硅片上实现压力/加速度传感器芯片制作,利用内引线技术将芯片封装在一个印刷电路板（PCB）上。在室温下,工作电压为5.0 V时,实验结果给出压力传感器灵敏度(a=0)为1.0 mV/kPa,加速度传感器灵敏度(p=0)为0.92 mV/g,可实现外加压力和加速度的测量,具有较好的灵敏度特性且交叉干扰较弱。     

用于矢量水听器的低频高灵敏度层合梁加速度传感器

压电加速度传感器是同振型矢量水听器的核心部件。为了满足低频高灵敏度矢量水听器的应用需求,提出并研究一种具有层合梁结构的低频高灵敏度加速度传感器。结合弹性力学和压电方程推导层合梁加速度传感器的加速度灵敏度解析解表达式,通过有限元仿真对层合梁加速度传感器尺寸进行优化,给出优化后的尺寸范围。从优化的尺寸范围中选取两种不同尺寸进行加速度传感器振动特性的仿真分析及实物制作(其中压电材料为PZT-5)与性能测试。仿真与测试结果均表明,相比已有的同尺寸金属梁加速度传感器,层合梁加速度传感器可以有效降低谐振频率并提升加速度灵敏度。当压电层厚度为0.5 mm时,加速度灵敏度最大提升3.9 dB,谐振频率下降23%。测试结果与理论分析相符。      

2-D Fiber-optic Sensing Probe

给出了一种新颖的二维强度调制反射式光纤传感探头.导出了二维传感探头的调制函数.给出了特性调制曲线.设计并实现了5光纤传感探头.获得了与理论符合较好的实验结果.     

基于柔性铰链的光纤光栅二维加速度 传感器的优化设计

为实现对待测表面两个方向的振动监测,基于圆形柔性铰链设计了一种布拉格光栅双向加速度传感器.首先,推导出该传感器的谐振频率及灵敏度的理论公式,然后基于圆形铰链刚度的理论公式,推导并验证了铰链的刚度经验公式.通过MATLAB对传感器的数学模型进行优化设计,得到在满足工作要求时,传感器灵敏度达到最大时的尺寸参数.激振实验结果表明,该传感器的谐振频率约为368Hz,灵敏度约为107.3pm/g,横向抗干扰度为4.8%,谐振频率和灵敏度理论值与实际值的误差分别为-4.2%和7.0%.     

结构光传感器模型及特性分析

给出了结构光传感器的数学模型，并依此模型详细分析了结构光传感器的各项参量，讨论了这些参量对结构光传感器性能的影响，得到了关于传感器参量和传感器特性之间关系的公式，给出了传感器设计必须遵守的条件。利用所给出的公式可以方便地讨论传感器的性能，对结构光传感器的设计起指导作用。     

CZ14型压电加速度传感器动态仿真及机电耦合分析

目前，在进行压电加速度传感器的设计时，多数仍是利用简化的力学公式进行粗略计算，然后通过试验修正参数，即产品的最终定型以试验数据为依据。这种公式加多次试制验证的设计方法，使产品开发周期较长，产品的质量也难以提高。而利用CAD／CAE技术，则可以对传感器的结构进行精确的参数化设计，对应力场的分布状况和变形状态、压电材料所具有的力学变形和电场的耦合机电效应作较全面的了解，为传感器的设计提供可靠、有效的手段。基于有限元方法对CZ14型压电加速度传感器动态特性进行了数值分析，包括模态分析、谐响应分析，同时考虑压电材料的耦合效应，考察传感器结构的合理性，预估结构参数对传感器动态特性的影响，从而用以指导和改进传感器的结构设计。     

基于分布布拉格反射光纤激光器的高灵敏度微振动传感器

设计并验证了一种基于分布布拉格反射(DBR)光纤激光器的高灵敏度微振动传感器。该传感器结构采用常见的质量块弹簧系统,质量块由于重力作用对DBR激光器的谐振腔产生侧向压力。当测试平台发生振动时,谐振腔所受到的侧向压力发生变化,导致激光器输出的两正交偏振模式产生的拍频信号改变。通过高速光电探测器和多通道数据采集平台对拍频信号进行采集,使用LabVIEW编程对采集信号进行处理,实现了对振动加速度信号的实时监测。理论分析与实验结果表明,该传感器具有极高的加速度灵敏度,对于单位重力加速度g其灵敏度达吉赫兹量级,能检测到微弱的振动信号。相较于传统光纤振动传感器而言,该传感器将光谱分析转化为频谱分析,使信号的采集与解调更加简单,且获得了更高的灵敏度。进一步分析表明,此结构在微重力环境下进行测量也是可行的,因此,在航空飞行器关键部件的微振动测量中有较大的应用潜力。     

声表面波梁式加速度传感器的优化设计

为获得传感器的优化设计,对一种声表面波梁式加速度传感器敏感机理进行了研究。从声波波动方程出发,结合有限元分析以及微扰理论对加速度作用力作用下声表面波传播特性进行分析,以此构建梁式声表面波加速度传感器敏感机理的理论模型,特别分析了压电梁材料及几何结构、振子质量对传感响应的贡献以确定传感器优化的几何参数。为验证理论分析结果,实验研制了基于ST-X石英悬臂梁结构的差分振荡式声表面波加速度传感器,并利用精密振动台对所研制传感器性能进行评价。实验结果显示,在给定加速度测试范围内,采用ST-X石英梁并延长梁长度、降低梁厚度以及采用较大的阵子质量将有效的改善传感器检测灵敏度,在±2 g范围内加速度灵敏度可达27 k Hz/g,且实验结果很好的验证了理论模型。     

基于压电加速度传感器的振动测量系统研究

为实现对振动的有效测量,构建了压电式加速度传感器的振动测量系统;分析了压电加速度传感器的力学模型及基本原理,并采用灵敏度比较法标定传感器,阐述了测振系统的硬件组成及软件设计方法,搭建了工程实际测振的实验模型;实验结果表明,该测振系统运行稳定,可移植性强。     

自由活塞斯特林发动机活塞位移测量

自由活塞斯特林发动机活塞往复振动位移对研究发动机特性具有重要意义,然而该类发动机活塞位于高压封闭腔体内且结构较为紧凑,其活塞往复振动位移难于直接进行测量。加速度传感器具有尺寸小、安装方便和工作稳定等特点,提出了采用加速度传感器测量活塞位移的方法。根据加速度传感器测量位移的原理,建立了一套加速度传感器测量自由活塞斯特林发动机活塞位移的标定试验系统,以位移传感器为基准测试并分析了不同活塞振幅和不同振动频率下加速度传感器测量位移的误差大小。实验结果表明,在活塞振幅小于8 mm,振动频率大于20 Hz条件下,加速度传感器测量位移的误差小于5%。因此加速度传感器可以用于测量自由活塞斯特林发动机的活塞往复运动位移。最后成功把加速度传感器测量的自由活塞斯特林发动机活塞振动位移用于发动机循环指示功的实验研究。     

光纤传感器位移和转速测量研究

介绍光纤传感器的测量原理,并对位移和转速测量进行研究,利用matlab软件对位移测量结果进行曲线拟合,且将光纤传感器和电涡流传感器的转速测量结果进行比较,最后得出利用光纤传感器进行测量具有电路结构简单、精度高、光路弯曲等优点。     

基于菲涅耳微透镜的光学加速度传感器原理研究

目前航空业惯性导航系统中广泛采用的加速度传感器存在抗电磁干扰（EMI）和电磁冲击（EMP）能力差等缺陷，针对此提出了一种基于菲涅耳衍射微透镜的光学加速度传感器，它能够有效地解决上述问题。该传感器的传感原理是把一个反光膜平行地置于微透镜的后方，根据微透镜前方汇聚点处光强的变化来敏感加速度的大小。通过Fresnel-Kirchhoff衍射公式详细推导了传感器的光学原理，并且对光纤的偏移对光强的影响进行了计算机模拟分析。结果表明：光纤接收的光强对反光膜的位置具有纳米级的灵敏度，并且对光纤沿微透镜焦平面方向的偏移极其敏感，当此偏移超过2μm，光强就会下降至不足理想情况下的50%。验证性实验结果表明这种传感器的原理是正确的。     

Theoretical analysis of 2D acceleration laser sensor and several design parameters

Having adopted several sets of new technology and techniques, we have developed a new type of laser angle sensor that can be used to measure two-dimensional (2D) angle of moving target. On this basis, a new design for 2D acceleration laser sensor has been advanced. The optics-type sensor can be used to measure 2D acceleration of motion object, and it has high sensitivity, high precision and longer measuring range. Under these design parameters that are given in this paper, the measuring range will achieve 177 g, while its sensitivity is 13.5 s². The experimental results show that the measuring error is not greater than 0.1 g. In this paper, several design parameters and measuring results for 2D acceleration laser sensor are given.     

霍尔传感器及其在物理实验中的应用

介绍了霍尔传感器的原理以及工程应用中的霍尔传感器种类 ,举例说明了开关型霍尔传感器在重力加速度测量实验中的应用 ,同时给出了具体的应用电路     

反射式光纤位移法检测轧辊磨损度中实用电路的设计

利用反射式光纤位移传感器的工作原理，通过对反射光强信号的检测，提出了一种用于轧辊磨损度在线非接触检测的光电检测法，并重点设计了用于反射式光纤位移法检测轧辊磨损度系统的实用电路。根据轧辊磨损度测量过程的特点及精度要求，阐述和分析了传感器电路系统的原理、组成及性能。理论和实验研究表明，该电路系统工作稳定，精确度和灵敏度均可满足实际要求。此电路系统稍加改进还可适用于类似条件下用反射式光纤位移法进行测量的其他系统。     

A novel active optical approach for acceleration measurement based on a Y-shaped cavity dual-frequency laser

A novel active optical approach for acceleration measurement based on a Y-shaped cavity dual-frequency laser is presented and demonstrated. Applied acceleration causes a change in the refractivity of sensing gas in one of the two cavities, resulting in a beat frequency variation between two orthogonal polarized lights. As a result, this approach produces a modulation of beat frequency strictly proportional to the input acceleration. Preliminary experiments with a 632.8 nm Y-shaped cavity He–Ne dual-frequency laser confirm the validity of the laser sensor. The experimental results show that the laser sensor in this approach characterizes a nearly linear response to the input acceleration, which is a projection of gravitational acceleration. The experimental values of the scale factors are mostly in good agreement with theoretical ones. By optimizing the optical and geometrical parameters of the laser sensor, an acceleration measurement resolution of 10^?5–10^?6 gravitational acceleration (within ±5 g measurement range) could be expected. Furthermore, we investigate the principle about the sign of the scale factor in detail, and propose a simple but efficient method to distinguish the direction of the acceleration acted on the laser sensor.     

微型太阳敏感器光学掩模的镀膜设计

太阳敏感器是空间飞行器进行姿态确定和方位测定的重要器件，传统太阳敏感器大而重，无法应用到微小卫星特别是皮纳卫星上。介绍了基于CMOS APS探测器的微型太阳敏感器的工作原理，基于黑体辐射理论和太阳光谱特性，结合CMOS APS探测器工作特性，分析给出了这种敏感器像元表面产生光电子数的计算方法，并采用Matlab软件，编程计算了地球表面太阳垂直入射条件下，探测器像元表面产生的光电子数。采用光学薄膜设计方法，分析设计了掩模表面光学薄膜的膜系结构，计算了各膜层的透射特性。在此基础上，得到了基于CMOS APS探测器微型太阳敏感器光学掩模的光学薄膜的设计方法，最后给出了设计结果。     

基于衍射微透镜的光学加速度传感器设计

提出了一种基于菲涅耳衍射微透镜的新型光学加速度传感器,它能够解决导航系统中惯性传感器普遍存在的抗电磁干扰和电磁冲击能力差等缺陷。其传感原理是把一个反光膜平行地置于衍射微透镜的后方,加速度的变化会改变反光膜的位置,根据微透镜前方会聚点处光强的变化,感知加速度的大小。介绍了传感器及其动力学系统的工作原理,并对衍射微透镜和动力学系统的微弹性机械结构进行了设计和加工,最后对传感器的性能和误差进行了分析。原理验证性实验的结果表明这种新型光学加速度传感器的原理正确,并且结构简单,灵敏度高。