為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)中夾持狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測,避免施力過大造成損壞或施力過小造成滑落,設(shè)計(jì)了一種基于FBG陣列的滑動(dòng)探測系統(tǒng)。利用正交分布FBG陣列實(shí)現(xiàn)對不同方向滑動(dòng)的感知,通過解算各位置上FBG波長偏移量完成對目標(biāo)位置與滑動(dòng)狀態(tài)的分析。給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法,仿真分析了不同參數(shù)的FBG對物體的滑動(dòng)測試效果。仿真結(jié)果顯示,采用l_FBG=10 mm,h=4 mm的參數(shù)選擇可以在保證空間分辨精度的基礎(chǔ)上達(dá)到最大靈敏度。實(shí)驗(yàn)中,傳感單元采用60 mm×40 mm×10 mm的硅膠體構(gòu)成,內(nèi)部預(yù)埋5個(gè)FBG構(gòu)成傳感陣列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在x軸和y軸方向上,其靈敏度分別為0.0051 nm/N和0.0063 nm/N。FBG波長偏移量的變化曲線可以明確表征在傳感模塊上被測物的狀態(tài)（靜止、開始滑動(dòng)、穩(wěn)定滑動(dòng)）。針對不同滑動(dòng)速度進(jìn)行了測試,FBG產(chǎn)生的波長偏移量變化所占時(shí)長與滑動(dòng)時(shí)長成比例,即可通過波形完成滑動(dòng)時(shí)長的解算。 

【文章來源】：激光與紅外. 2020,50(04)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

傳感模塊結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由PC、光源、解調(diào)儀、傳輸光纖及傳感單元組成。解調(diào)儀中集成掃頻激光光源,完成對所有FBG覆蓋波段的掃頻,解調(diào)儀光纖端口部分完成光信號(hào)的采集;滑動(dòng)傳感單元采用FBG陣列實(shí)現(xiàn),FBG有效長度為10 mm,在x軸方向鋪設(shè)3個(gè)FBG,間距10 mm,在中心位置y軸方向鋪設(shè)2個(gè)FBG,間距20 mm,從而構(gòu)成相互正交的FBG陣列,5個(gè)FBG在厚度z軸方向距離為4 mm(h=4 mm)。3 參數(shù)優(yōu)化及仿真分析

為了使系統(tǒng)可以盡可能地檢測到最大剪切力,對不同參數(shù)條件下的應(yīng)變量進(jìn)行了仿真分析。采用的硅膠塊作為傳感材料,尺寸為60 mm×40 mm×10 mm,楊氏模量為3.76 GPa,泊松比為0.485。傳感單元選用硅膠是依據(jù)夾持工裝中該材料可以保護(hù)被夾持工件表面不受損傷,故將FBG陣列排布在硅膠塊夾層的方式實(shí)現(xiàn)夾持結(jié)構(gòu)的傳感特性。在該傳感區(qū)域中央放置待測物體(坐標(biāo)系原點(diǎn)取傳感單元中心位置),待測物為邊長20 mm的鋼制正立方體,密度為7.85 g/cm3,經(jīng)計(jì)算可知,其在傳感區(qū)域的重力為0.628 N。針對FBG有效尺寸lFBG和FBG到傳感單元上表面的距離h進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。令lFBG=10 mm,h分別取2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm,分析不同h時(shí)形變靈敏度的變化趨勢,如圖3(a)所示。在圖3(a)的仿真結(jié)果中可知,當(dāng)FBG有效長度不變時(shí),其在傳感單元中的放置深度對形變靈敏度影響明顯不同,令h=4 mm,lFBG分別取4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm,分析了不同lFBG條件下形變靈敏度的變化趨勢,如圖3(b)所示。仿真結(jié)果顯示,在相同的橫向剪切力作用下,當(dāng)FBG有效尺寸固定時(shí),埋入深度會(huì)影響形變靈敏度,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在已設(shè)計(jì)的幾種結(jié)構(gòu)中當(dāng)h=4 mm時(shí),響應(yīng)最敏感;與此同時(shí),當(dāng)埋入深度固定不變時(shí),隨著FBG有效長度的增大,形變靈敏度會(huì)成正比例增大,但由于需要考慮測試區(qū)域的空間分辨率,最終選擇了lFBG=10 mm。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3123021