基于FBG陣列的滑動探測系統(tǒng)設(shè)計
發(fā)布時間：2021-04-07 07:01
為了實現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)中夾持狀態(tài)的實時監(jiān)測,避免施力過大造成損壞或施力過小造成滑落,設(shè)計了一種基于FBG陣列的滑動探測系統(tǒng)。利用正交分布FBG陣列實現(xiàn)對不同方向滑動的感知,通過解算各位置上FBG波長偏移量完成對目標(biāo)位置與滑動狀態(tài)的分析。給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算方法,仿真分析了不同參數(shù)的FBG對物體的滑動測試效果。仿真結(jié)果顯示,采用lFBG=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。實驗中,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FBG構(gòu)成傳感陣列。實驗結(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、穩(wěn)定滑動）。針對不同滑動速度進(jìn)行了測試,FBG產(chǎn)生的波長偏移量變化所占時長與滑動時長成比例,即可通過波形完成滑動時長的解算。
【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的采集;滑動傳感單元采用FBG陣列實現(xiàn),FBG有效長度為10 mm,在x軸方向鋪設(shè)3個FBG,間距10 mm,在中心位置y軸方向鋪設(shè)2個FBG,間距20 mm,從而構(gòu)成相互正交的FBG陣列,5個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。令lFBG=10 mm,h分別取2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm,分析不同h時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,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,埋入深度會影響形變靈敏度,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在已設(shè)計的幾種結(jié)構(gòu)中當(dāng)h=4 mm時,響應(yīng)最敏感;與此同時,當(dāng)埋入深度固定不變時,隨著FBG有效長度的增大,形變靈敏度會成正比例增大,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
[1]一種可重構(gòu)型相移光纖光柵傳感系統(tǒng)[J]. 王景芝,劉智超. 激光與紅外. 2019(06)
[2]量化噪聲對FBG波長解調(diào)的精度影響及誤差分析[J]. 李躍,祝連慶,劉鋒,莊煒. 激光與紅外. 2017(05)
[3]基于啁啾光纖光柵的糧倉測溫網(wǎng)絡(luò)研究[J]. 劉智超,楊進(jìn)華,張劉,王高. 光譜學(xué)與光譜分析. 2016(10)
[4]基于聚合物封裝的光纖布拉格光柵壓力傳感器[J]. 劉明堯,盧一帆,張志建,王佳,史登輝. 儀器儀表學(xué)報. 2016(10)
[5]用于光纖光柵曲線重建算法的坐標(biāo)點擬合[J]. 章亞男,肖海,沈林勇. 光學(xué)精密工程. 2016(09)
[6]高空間分辨率分布式光纖測溫系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[J]. 張汝山,吳碩,涂勤昌,岳建寧,阮祥磊. 光學(xué)儀器. 2015(01)
[7]圍巖三維應(yīng)力光柵監(jiān)測方法及相似模擬實驗研究[J]. 魏世明,馬智勇,李寶富,柴敬. 采礦與安全工程學(xué)報. 2015(01)
[8]Sensing system with Michelson-type fiber optical interferometer based on single FBG reflector[J]. 張學(xué)亮,孟洲,胡正良. Chinese Optics Letters. 2011(11)
[9]新型分布式布喇格光纖光柵傳感系統(tǒng)的研究[J]. 張燕君,婁俊波,康瑞雪,蘇玉玲,韋波. 光電工程. 2010(01)
本文編號：3123021
【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的采集;滑動傳感單元采用FBG陣列實現(xiàn),FBG有效長度為10 mm,在x軸方向鋪設(shè)3個FBG,間距10 mm,在中心位置y軸方向鋪設(shè)2個FBG,間距20 mm,從而構(gòu)成相互正交的FBG陣列,5個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。令lFBG=10 mm,h分別取2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm,分析不同h時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,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,埋入深度會影響形變靈敏度,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在已設(shè)計的幾種結(jié)構(gòu)中當(dāng)h=4 mm時,響應(yīng)最敏感;與此同時,當(dāng)埋入深度固定不變時,隨著FBG有效長度的增大,形變靈敏度會成正比例增大,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
[1]一種可重構(gòu)型相移光纖光柵傳感系統(tǒng)[J]. 王景芝,劉智超. 激光與紅外. 2019(06)
[2]量化噪聲對FBG波長解調(diào)的精度影響及誤差分析[J]. 李躍,祝連慶,劉鋒,莊煒. 激光與紅外. 2017(05)
[3]基于啁啾光纖光柵的糧倉測溫網(wǎng)絡(luò)研究[J]. 劉智超,楊進(jìn)華,張劉,王高. 光譜學(xué)與光譜分析. 2016(10)
[4]基于聚合物封裝的光纖布拉格光柵壓力傳感器[J]. 劉明堯,盧一帆,張志建,王佳,史登輝. 儀器儀表學(xué)報. 2016(10)
[5]用于光纖光柵曲線重建算法的坐標(biāo)點擬合[J]. 章亞男,肖海,沈林勇. 光學(xué)精密工程. 2016(09)
[6]高空間分辨率分布式光纖測溫系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[J]. 張汝山,吳碩,涂勤昌,岳建寧,阮祥磊. 光學(xué)儀器. 2015(01)
[7]圍巖三維應(yīng)力光柵監(jiān)測方法及相似模擬實驗研究[J]. 魏世明,馬智勇,李寶富,柴敬. 采礦與安全工程學(xué)報. 2015(01)
[8]Sensing system with Michelson-type fiber optical interferometer based on single FBG reflector[J]. 張學(xué)亮,孟洲,胡正良. Chinese Optics Letters. 2011(11)
[9]新型分布式布喇格光纖光柵傳感系統(tǒng)的研究[J]. 張燕君,婁俊波,康瑞雪,蘇玉玲,韋波. 光電工程. 2010(01)
本文編號：3123021
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