基于声子晶体滤波的光纤振动传感器分析-光学工程专业论文.docx

基于声 基于声子晶体滤波的光纤振动传感器研究 摘 要 近年来由于对声子晶体研究的不断深入和光纤传感技术的迅猛发展，这两方面的研 究也吸引了人们越来越多的注意。本文将这两种技术结合，围绕基于声子晶体滤波的光 纤振动传感器做了以下研究。 首先从声子晶体的理论方面，描述了声子晶体的基本理论和弹性波基本理论、倒格 矢、倒空间与能带结构的原理，基于平面波展开法对一维声子晶体的能带结构进行了仿 真分析。计算了由铅和环氧树脂组成，且组分比为 1:1、晶格常数为 10mm 的一维声子 晶体，在 300~1200kHz 的频率范围内存在 1 个带隙；并基于传输矩阵法对其透射谱进行 了仿真分析。为了能够滤除横波频率，使用杆状声子晶体，并通过边界条件的添加对细 杆的波动方程进行了推导。 在一维杆状声子晶体的方面，本文通过平面波展开法和传输矩阵法计算了一维杆状 声子晶体的带隙，并通过对比一维声子晶体的仿真发现：相对于同样组成方式的一维声 子晶体，一维杆状声子晶体在相同的频率范围内，具有的带隙数量更多。通过仿真计算， 分析了材料参数对声子晶体带隙的影响，确定了适合制造振动传感器滤波用的一维杆状 声子晶体的材料：铝、硅橡胶。由于硅橡胶这类高分子材料的粘弹特性，基于白光干涉 原理和光纤法布里-珀罗腔原理设计实验，测量得到硅橡胶的杨氏模量约为 3.3×106 Pa 和吸收系数约为 4.926×10-7s/m。初步确定了适用于光纤振动传感器滤波所使用的一维杆 状声子晶体的材料参数、结构（铝和硅橡胶，晶格常数 10mm，组分比 1:1）。 在基于声子晶体滤波的光纤振动传感器的研究方面，通过基于声子晶体滤波的光纤 振动传感器的 设计及 实验，测量 了 在以振 动台为激励 时 传感器 的响应，得到 了在 1kHz~1.8kHz 频率范围的初步滤波效果；通过基于声子晶体滤波的光纤法布里-珀罗腔振 动传感器的设计及实验，测量在以 PZT 为激励时传感器的响应，分别得到了两个层数不 同的声子晶体的滤波情况，确定 10 层为该结构对于中低频信号的最佳滤波层数。 关键词：声子晶体；声子晶体滤波；光纤振动传感器 基于声 基于声子晶体滤波的光纤振动传感器研究 哈尔滨 哈尔滨工程大学硕士学位论文 Abstract In resent years, the research of phononic crystals and optical fiber sensing technology has rapid growth. In this paper, the research of fiber optical vibrometer based on phononic crystals filter is conducted and some conclusions have been drawn. At the beginning, the paper describes related theories to phononic crystal, including the elastic wave, reciprocal lattice vector, reciprocal space, and the principle of the band structure. By taking plane wave expansion method, a simulation is conducted to one-dimension phononic crystal band structure with 1:1 component ratio and 10 mm lattice constant. It reveals that a band gap exists between the frequencies a range from 300 to 1200 kHz. Then, simulation and analysis is conducted to the transmission spectra and reflection spectra of one-dimension phononic crystals by the TM method, which reveals the rod phononic crystals that is able to remove shear wave. Elastic wave equation of the rod structure is derived by the boundary conditions. In terms of one-dimension rod phononic crystals, the gap