反射型极大倾角光纤光栅悬臂梁振动传感特性
发布时间：2021-07-11 02:46
提出一种反射型极大倾角光纤光栅（ExTFG）悬臂梁振动传感器。从理论上分析ExTFG的弯曲应变特性和振动传感原理,并利用ANSYS构建有限元模型,对传感器进行模态分析和谐振特性响应分析,通过实验研究其在受到周期性载荷下发生弯曲振动的动态响应特性。结果表明:反射型ExTFG悬臂梁振动传感器对加速度连续性激励信号展现出良好的动态响应,可通过调节传感器长度实现其固有频率的改变,在1～5g范围内具有良好的线性响应,其最大加速度灵敏度相对于透射式ExTFG振动传感器提高了约2.5倍,横电模和横磁模时的最大加速度灵敏度分别达到0.3 V/g和0.26 V/g。此外,该传感器的传感探头尺寸足够小,以ExTFG作为敏感单元,无需额外封装,在实际应用中具有潜在价值。
【文章来源】：光学学报. 2020,40(20)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
弯曲ExTFG示意图和等效图。
为进一步分析传感器在稳态受迫振动过程中光纤振动幅度对频率的响应,对所建立的模型施加幅值为2g(g=9.8 m/s2)的加速度。通过仿真分析在激振频率下光纤光栅节点在y方向的位移与频率的关系,L=3.8,2.9,2.7 cm的光纤光栅的中心点分别对应79,103,111号节点,总节点数为201。图3显示了在前二阶模态振型下,三种不同长度光纤光栅节点的位移与频率的关系,从图中可知,光纤光栅节点达到最大幅值时,激振频率与传感器固有频率相同,即光纤光栅弯曲程度达到最大。4 实验与讨论
为了获取振动过程中的悬臂式ExTFG的振动情况,利用ANSYS有限元分析对其模态进行分析,以获得该光纤的固有频率及模态振型。仿真中,所采用的光纤杨氏模量E=73 GPa,密度ρ=2200 kg/m3,泊松比σ=0.17,标准单模光纤直径为125 μm,光纤长度l分别为3.8,2.9,2.7 cm。在仿真中,约束梁一端的所有自由度,另一端自由。图2表示长度l=3.8 cm的光纤悬臂梁在y方向振动的前2阶模态振型,可见,其一阶模态振型的固有频率仿真结果为70.27 Hz,二阶模态振型的固有频率仿真结果为440.37 Hz。作为对比,使用(7)式对前2阶模态振型的固有频率进行理论计算,表1列出光纤长度l分别为3.8,2.9,2.7 cm的仿真分析结果和理论计算结果,通过比较可知,两者基本吻合,从而验证了该传感器的理论模型的可靠性;而两者在数值上出现微小差别(<1%)的原因:一是理论计算过程中采用了近似保留小数点后两位的方式;二是仿真中有限单元法的逼近过程会产生误差。表1 前二阶振动模态的固有频率仿真结果与理论值比较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
【参考文献】：
期刊论文
[1]极大倾角光纤光栅悬臂梁振动传感器性能优化[J]. 罗彬彬,谢浪,王亚杰,邹雪,石胜辉,叶露,蒋上海,赵明富,汪治华. 光学学报. 2019(08)
[2]光纤光栅在航空结构健康监测中的应用前景[J]. 薛景锋,宋昊,王文娟. 航空制造技术. 2012(22)
[3]基于光纤光栅振动传感器的桥梁索力实时监测[J]. 张东生,李微,郭丹,胡军,罗裴,姜德生. 传感技术学报. 2007(12)
本文编号：3277170
【文章来源】：光学学报. 2020,40(20)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
弯曲ExTFG示意图和等效图。
为进一步分析传感器在稳态受迫振动过程中光纤振动幅度对频率的响应,对所建立的模型施加幅值为2g(g=9.8 m/s2)的加速度。通过仿真分析在激振频率下光纤光栅节点在y方向的位移与频率的关系,L=3.8,2.9,2.7 cm的光纤光栅的中心点分别对应79,103,111号节点,总节点数为201。图3显示了在前二阶模态振型下,三种不同长度光纤光栅节点的位移与频率的关系,从图中可知,光纤光栅节点达到最大幅值时,激振频率与传感器固有频率相同,即光纤光栅弯曲程度达到最大。4 实验与讨论
为了获取振动过程中的悬臂式ExTFG的振动情况,利用ANSYS有限元分析对其模态进行分析,以获得该光纤的固有频率及模态振型。仿真中,所采用的光纤杨氏模量E=73 GPa,密度ρ=2200 kg/m3,泊松比σ=0.17,标准单模光纤直径为125 μm,光纤长度l分别为3.8,2.9,2.7 cm。在仿真中,约束梁一端的所有自由度,另一端自由。图2表示长度l=3.8 cm的光纤悬臂梁在y方向振动的前2阶模态振型,可见,其一阶模态振型的固有频率仿真结果为70.27 Hz,二阶模态振型的固有频率仿真结果为440.37 Hz。作为对比,使用(7)式对前2阶模态振型的固有频率进行理论计算,表1列出光纤长度l分别为3.8,2.9,2.7 cm的仿真分析结果和理论计算结果,通过比较可知,两者基本吻合,从而验证了该传感器的理论模型的可靠性;而两者在数值上出现微小差别(<1%)的原因:一是理论计算过程中采用了近似保留小数点后两位的方式;二是仿真中有限单元法的逼近过程会产生误差。表1 前二阶振动模态的固有频率仿真结果与理论值比较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
【参考文献】：
期刊论文
[1]极大倾角光纤光栅悬臂梁振动传感器性能优化[J]. 罗彬彬,谢浪,王亚杰,邹雪,石胜辉,叶露,蒋上海,赵明富,汪治华. 光学学报. 2019(08)
[2]光纤光栅在航空结构健康监测中的应用前景[J]. 薛景锋,宋昊,王文娟. 航空制造技术. 2012(22)
[3]基于光纤光栅振动传感器的桥梁索力实时监测[J]. 张东生,李微,郭丹,胡军,罗裴,姜德生. 传感技术学报. 2007(12)
本文编号：3277170
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