基于FBG阵列的滑动探测系统设计
发布时间：2021-04-07 07:01
为了实现机械结构中夹持状态的实时监测,避免施力过大造成损坏或施力过小造成滑落,设计了一种基于FBG阵列的滑动探测系统。利用正交分布FBG阵列实现对不同方向滑动的感知,通过解算各位置上FBG波长偏移量完成对目标位置与滑动状态的分析。给出了系统结构设计及计算方法,仿真分析了不同参数的FBG对物体的滑动测试效果。仿真结果显示,采用lFBG=10 mm,h=4 mm的参数选择可以在保证空间分辨精度的基础上达到最大灵敏度。实验中,传感单元采用60 mm×40 mm×10 mm的硅胶体构成,内部预埋5个FBG构成传感阵列。实验结果显示,在x轴和y轴方向上,其灵敏度分别为0.0051 nm/N和0.0063 nm/N。FBG波长偏移量的变化曲线可以明确表征在传感模块上被测物的状态（静止、开始滑动、稳定滑动）。针对不同滑动速度进行了测试,FBG产生的波长偏移量变化所占时长与滑动时长成比例,即可通过波形完成滑动时长的解算。
【文章来源】：激光与红外. 2020,50(04)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
传感模块结构
系统由PC、光源、解调仪、传输光纤及传感单元组成。解调仪中集成扫频激光光源,完成对所有FBG覆盖波段的扫频,解调仪光纤端口部分完成光信号的采集;滑动传感单元采用FBG阵列实现,FBG有效长度为10 mm,在x轴方向铺设3个FBG,间距10 mm,在中心位置y轴方向铺设2个FBG,间距20 mm,从而构成相互正交的FBG阵列,5个FBG在厚度z轴方向距离为4 mm(h=4 mm)。3 参数优化及仿真分析
为了使系统可以尽可能地检测到最大剪切力,对不同参数条件下的应变量进行了仿真分析。采用的硅胶块作为传感材料,尺寸为60 mm×40 mm×10 mm,杨氏模量为3.76 GPa,泊松比为0.485。传感单元选用硅胶是依据夹持工装中该材料可以保护被夹持工件表面不受损伤,故将FBG阵列排布在硅胶块夹层的方式实现夹持结构的传感特性。在该传感区域中央放置待测物体(坐标系原点取传感单元中心位置),待测物为边长20 mm的钢制正立方体,密度为7.85 g/cm3,经计算可知,其在传感区域的重力为0.628 N。针对FBG有效尺寸lFBG和FBG到传感单元上表面的距离h进行优化设计。令lFBG=10 mm,h分别取2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm,分析不同h时形变灵敏度的变化趋势,如图3(a)所示。在图3(a)的仿真结果中可知,当FBG有效长度不变时,其在传感单元中的放置深度对形变灵敏度影响明显不同,令h=4 mm,lFBG分别取4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm,分析了不同lFBG条件下形变灵敏度的变化趋势,如图3(b)所示。仿真结果显示,在相同的横向剪切力作用下,当FBG有效尺寸固定时,埋入深度会影响形变灵敏度,呈现先增大后减小的趋势,在已设计的几种结构中当h=4 mm时,响应最敏感;与此同时,当埋入深度固定不变时,随着FBG有效长度的增大,形变灵敏度会成正比例增大,但由于需要考虑测试区域的空间分辨率,最终选择了lFBG=10 mm。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种可重构型相移光纤光栅传感系统[J]. 王景芝,刘智超. 激光与红外. 2019(06)
[2]量化噪声对FBG波长解调的精度影响及误差分析[J]. 李跃,祝连庆,刘锋,庄炜. 激光与红外. 2017(05)
[3]基于啁啾光纤光栅的粮仓测温网络研究[J]. 刘智超,杨进华,张刘,王高. 光谱学与光谱分析. 2016(10)
[4]基于聚合物封装的光纤布拉格光栅压力传感器[J]. 刘明尧,卢一帆,张志建,王佳,史登辉. 仪器仪表学报. 2016(10)
[5]用于光纤光栅曲线重建算法的坐标点拟合[J]. 章亚男,肖海,沈林勇. 光学精密工程. 2016(09)
[6]高空间分辨率分布式光纤测温系统的设计及应用[J]. 张汝山,吴硕,涂勤昌,岳建宁,阮祥磊. 光学仪器. 2015(01)
[7]围岩三维应力光栅监测方法及相似模拟实验研究[J]. 魏世明,马智勇,李宝富,柴敬. 采矿与安全工程学报. 2015(01)
[8]Sensing system with Michelson-type fiber optical interferometer based on single FBG reflector[J]. 张学亮,孟洲,胡正良. Chinese Optics Letters. 2011(11)
[9]新型分布式布喇格光纤光栅传感系统的研究[J]. 张燕君,娄俊波,康瑞雪,苏玉玲,韦波. 光电工程. 2010(01)
本文编号：3123021
【文章来源】：激光与红外. 2020,50(04)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
传感模块结构
系统由PC、光源、解调仪、传输光纤及传感单元组成。解调仪中集成扫频激光光源,完成对所有FBG覆盖波段的扫频,解调仪光纤端口部分完成光信号的采集;滑动传感单元采用FBG阵列实现,FBG有效长度为10 mm,在x轴方向铺设3个FBG,间距10 mm,在中心位置y轴方向铺设2个FBG,间距20 mm,从而构成相互正交的FBG阵列,5个FBG在厚度z轴方向距离为4 mm(h=4 mm)。3 参数优化及仿真分析
为了使系统可以尽可能地检测到最大剪切力,对不同参数条件下的应变量进行了仿真分析。采用的硅胶块作为传感材料,尺寸为60 mm×40 mm×10 mm,杨氏模量为3.76 GPa,泊松比为0.485。传感单元选用硅胶是依据夹持工装中该材料可以保护被夹持工件表面不受损伤,故将FBG阵列排布在硅胶块夹层的方式实现夹持结构的传感特性。在该传感区域中央放置待测物体(坐标系原点取传感单元中心位置),待测物为边长20 mm的钢制正立方体,密度为7.85 g/cm3,经计算可知,其在传感区域的重力为0.628 N。针对FBG有效尺寸lFBG和FBG到传感单元上表面的距离h进行优化设计。令lFBG=10 mm,h分别取2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm,分析不同h时形变灵敏度的变化趋势,如图3(a)所示。在图3(a)的仿真结果中可知,当FBG有效长度不变时,其在传感单元中的放置深度对形变灵敏度影响明显不同,令h=4 mm,lFBG分别取4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm,分析了不同lFBG条件下形变灵敏度的变化趋势,如图3(b)所示。仿真结果显示,在相同的横向剪切力作用下,当FBG有效尺寸固定时,埋入深度会影响形变灵敏度,呈现先增大后减小的趋势,在已设计的几种结构中当h=4 mm时,响应最敏感;与此同时,当埋入深度固定不变时,随着FBG有效长度的增大,形变灵敏度会成正比例增大,但由于需要考虑测试区域的空间分辨率,最终选择了lFBG=10 mm。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种可重构型相移光纤光栅传感系统[J]. 王景芝,刘智超. 激光与红外. 2019(06)
[2]量化噪声对FBG波长解调的精度影响及误差分析[J]. 李跃,祝连庆,刘锋,庄炜. 激光与红外. 2017(05)
[3]基于啁啾光纤光栅的粮仓测温网络研究[J]. 刘智超,杨进华,张刘,王高. 光谱学与光谱分析. 2016(10)
[4]基于聚合物封装的光纤布拉格光栅压力传感器[J]. 刘明尧,卢一帆,张志建,王佳,史登辉. 仪器仪表学报. 2016(10)
[5]用于光纤光栅曲线重建算法的坐标点拟合[J]. 章亚男,肖海,沈林勇. 光学精密工程. 2016(09)
[6]高空间分辨率分布式光纤测温系统的设计及应用[J]. 张汝山,吴硕,涂勤昌,岳建宁,阮祥磊. 光学仪器. 2015(01)
[7]围岩三维应力光栅监测方法及相似模拟实验研究[J]. 魏世明,马智勇,李宝富,柴敬. 采矿与安全工程学报. 2015(01)
[8]Sensing system with Michelson-type fiber optical interferometer based on single FBG reflector[J]. 张学亮,孟洲,胡正良. Chinese Optics Letters. 2011(11)
[9]新型分布式布喇格光纤光栅传感系统的研究[J]. 张燕君,娄俊波,康瑞雪,苏玉玲,韦波. 光电工程. 2010(01)
本文编号：3123021
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