發(fā)布時(shí)間：2021-07-11 02:46

　　提出一種反射型極大傾角光纖光柵（ExTFG）懸臂梁振動(dòng)傳感器。從理論上分析ExTFG的彎曲應(yīng)變特性和振動(dòng)傳感原理,并利用ANSYS構(gòu)建有限元模型,對(duì)傳感器進(jìn)行模態(tài)分析和諧振特性響應(yīng)分析,通過實(shí)驗(yàn)研究其在受到周期性載荷下發(fā)生彎曲振動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。結(jié)果表明:反射型ExTFG懸臂梁振動(dòng)傳感器對(duì)加速度連續(xù)性激勵(lì)信號(hào)展現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng),可通過調(diào)節(jié)傳感器長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)其固有頻率的改變,在1～5g范圍內(nèi)具有良好的線性響應(yīng),其最大加速度靈敏度相對(duì)于透射式ExTFG振動(dòng)傳感器提高了約2.5倍,橫電模和橫磁模時(shí)的最大加速度靈敏度分別達(dá)到0.3 V/g和0.26 V/g。此外,該傳感器的傳感探頭尺寸足夠小,以ExTFG作為敏感單元,無需額外封裝,在實(shí)際應(yīng)用中具有潛在價(jià)值。 

【文章來源】：光學(xué)學(xué)報(bào). 2020,40(20)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)

【部分圖文】：

彎曲ExTFG示意圖和等效圖。

為進(jìn)一步分析傳感器在穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)過程中光纖振動(dòng)幅度對(duì)頻率的響應(yīng),對(duì)所建立的模型施加幅值為2g(g=9.8 m/s2)的加速度。通過仿真分析在激振頻率下光纖光柵節(jié)點(diǎn)在y方向的位移與頻率的關(guān)系,L=3.8,2.9,2.7 cm的光纖光柵的中心點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)79,103,111號(hào)節(jié)點(diǎn),總節(jié)點(diǎn)數(shù)為201。圖3顯示了在前二階模態(tài)振型下,三種不同長(zhǎng)度光纖光柵節(jié)點(diǎn)的位移與頻率的關(guān)系,從圖中可知,光纖光柵節(jié)點(diǎn)達(dá)到最大幅值時(shí),激振頻率與傳感器固有頻率相同,即光纖光柵彎曲程度達(dá)到最大。4 實(shí)驗(yàn)與討論

為了獲取振動(dòng)過程中的懸臂式ExTFG的振動(dòng)情況,利用ANSYS有限元分析對(duì)其模態(tài)進(jìn)行分析,以獲得該光纖的固有頻率及模態(tài)振型。仿真中,所采用的光纖楊氏模量E=73 GPa,密度ρ=2200 kg/m3,泊松比σ=0.17,標(biāo)準(zhǔn)單模光纖直徑為125 μm,光纖長(zhǎng)度l分別為3.8,2.9,2.7 cm。在仿真中,約束梁一端的所有自由度,另一端自由。圖2表示長(zhǎng)度l=3.8 cm的光纖懸臂梁在y方向振動(dòng)的前2階模態(tài)振型,可見,其一階模態(tài)振型的固有頻率仿真結(jié)果為70.27 Hz,二階模態(tài)振型的固有頻率仿真結(jié)果為440.37 Hz。作為對(duì)比,使用(7)式對(duì)前2階模態(tài)振型的固有頻率進(jìn)行理論計(jì)算,表1列出光纖長(zhǎng)度l分別為3.8,2.9,2.7 cm的仿真分析結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果,通過比較可知,兩者基本吻合,從而驗(yàn)證了該傳感器的理論模型的可靠性;而兩者在數(shù)值上出現(xiàn)微小差別(<1%)的原因:一是理論計(jì)算過程中采用了近似保留小數(shù)點(diǎn)后兩位的方式;二是仿真中有限單元法的逼近過程會(huì)產(chǎn)生誤差。表1 前二階振動(dòng)模態(tài)的固有頻率仿真結(jié)果與理論值比較Table 1 Comparison of simulation results and theoretical values of natural frequencies forfirst-order and second-order vibration modes Length /cm First-order natural frequency /Hz Second-order natural frequency /Hz Simulation result Calculated value Simulation result Calculated value 3.8 70.27 69.79 440.37 437.36 2.9 120.66 119.83 756.09 750.95 2.7 139.19 138.24 872.24 866.32

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]極大傾角光纖光柵懸臂梁振動(dòng)傳感器性能優(yōu)化[J]. 羅彬彬,謝浪,王亞杰,鄒雪,石勝輝,葉露,蔣上海,趙明富,汪治華.  光學(xué)學(xué)報(bào). 2019(08)
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本文編號(hào)：3277170