光纤传感器振动特性分析方法

光纤传感器振动特性分析方法

振　动　与　冲　击

第27卷第4期

JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK

Vol.27No.42008　

光纤传感器振动特性分析方法

周佳晟,　唐国安,　王　皓

1

1

1

(1.复旦大学力学与工程科学系,上海　200433;2.中国电子科技集团公司第二十三研究所,上海　200240)

光电子技术基础上声信号传感器。但是除声波外,　　摘　要:光纤传感器是一种建立在光纤、样会引起光纤长度改变,产生噪声。为提高传感器抗机械振动的性能,,考察

了光纤层在产生机械振动噪声情况下的响应。同时,,限元建模困难。

关键词:光纤传感器;有限元;均质化;频率响应中图分类号:TB123　　　文献标识码A

　　轴上,这样,度,从而引起在光纤中传播光束光程改变,导致相位发生变化。其主要应用领域是声波探测。光纤传感器具有探测灵敏度高、响应频带宽、耐恶劣环境、结构轻巧、

[1,2,3]

易于遥测等特点。

传感器所测得的信号通常包含了声波信号和结构机械振动的噪声,对于提高传感器声压灵敏度,降低机械

[4,5]

噪声,国内外进行了一定研究。本文将以有限元方法为手段,提出一套分析光纤传感器振动特性的方法。通过有限元建模、固有特性分析、在简谐振动激励下光纤层的频率响应计算等一系列过程对传感器的振动特性进行考察,以减小机械噪声对传感器声波探测的影响。

如果按照实际的几何、材料属性建立光纤层有限元模型,不仅存在极大的困难,而且即使模型成功建立,结点规模将超出目前电脑的计算性能范围。因此,本文采用了光纤层均质化方法,即通过在光纤层样本各个面和方向上施加拉伸、剪切等一系列虚拟实验,将非均匀材质的光纤层等效成材质均匀的各向异性体,使等效后的光纤层在宏观上有着与原样本相同的弹性特质。这样,既便于有限元模型建立,而且大大减小了计算规模。

表1　光纤层结构材料参数列表

光纤层

部件名称纤芯涂覆层

材料名称二氧化硅丙稀酸脂

弹性模量

Pa

7.2×10

109

密度

3

kg/m

2.20×101.19×101.25×10

333

泊松比

0.250.340.20

6.24×103.67×10

1　有限元模型的建立

　　在实际使用中,传感器会装配相应的支架,除设备

安装需要外,还便于进行激振实验。传感器总成的有限元模型包括了传感器及附带的支架,其建模过程的主要困难在于光纤层的复杂结构。如图1所示,单根光纤为纤芯和涂覆层双层结构。由于纤维的声光耦合性能比较弱,所以设计中常通过增加光纤长度来提高光波相位变化。本文中的传感器芯轴被绕上了三层光纤,如图2。光纤的缠绕间隙由环氧树脂材料填充

。

间隙填充物环氧树脂

10

111　光纤均质化过程

　　均质化光纤层的弹性特性可以用三维正交异性模

[6]

式表示。

{ε}=[A]{σ}

T

σy　σz　τττ{σ}=[σx　xy　yz　zx]

ε}=[εεεγγγ{x　y　z　xy　yz　zx]

[A]=

A1

T

Aa12a22a23

a13

a23[A2]=aa44

a11a12a13

a55

a[A1]=

收稿日期:2007-09-06

第一作者周佳晟男,硕士生,1983年1月生通讯作者王　皓男,副教授,1963年4月生

均质化过程就是通过计算确定光纤层的等效柔性

矩阵[A],弹性矩阵[D]即为[A]的逆阵。首先从光纤绕组横截面上截取一个矩形区域,并沿光纤轴向延伸得到一个长方体样本,作为计算对象。尺寸大约是μm×μm×μm,如图3。然后在有限元软件825451120

环境下采用虚拟试验对光纤层样本进行拉伸、剪切试

光纤传感器振动特性分析方法

第4期　　　　　　　　　　　　　　　　　周佳晟等:光纤传感器振动特性分析方法41

验以测定材料参数

。

图4为传感器总

成有限元模型,其中光纤层的材料参数采用均质化后的数据。在之后的计算都将以该有限元模型为基础。

图4　传感器总成有限元模型

图3　光纤层样本

2　,因此,

,装配上支架的光纤984Hz左右。为了不使传感器的信号接收受到机械振动噪声的影响。应考虑将该传感器的工作范围设定在0-800Hz左右,在该范围内光纤传感器不易受结构固有特性的影响,信噪比较大。同时从结果可以看到传感器的固有频率比支架高很多,柔软的支架导致了整个结构固有频率的降低。因此,可以通过设计支架来改变这个系统的固有频率,以使其达到预期的设计要求。

表4　传感器固有特性(单位:kHz)

模态

123

表2为均质化的结果,其中工况4和5所得到的

a44略有差异,故取平均值2

(单位:m/N):

表2工况

1

沿z轴拉伸

(:m2/N)

a13=-1.577576×10a23=-1.577431×10a33=5.199380×10

-11-10

-11-11-11-11

234567

沿x轴拉伸沿y轴拉伸

x方向剪切y方向剪切zy方向剪切zx方向剪切

a11=1.300398×10

a12=-3.899140×10a12=-3.898086×10a22=1.301470×10a44=2.675346×10a44=2.794405×10a55=3.232770×10a66=3.224524×10

-10-10-10-10-10

传感器

7.42007.50438.3254

支架

1.12301.70322.4728

传感器总成

0.98431.56042.4226

13.0-3.

[A1]=-3.9013.

-1.58-1.27.3　

[A2]=　32.3

90

058

-1.-1.-1.3　光纤层的频率响应分析

　　传感器灵敏度是光纤传感器探头的基本指标,光

[7,8]

纤传感器灵敏度通常由光纤长度变化量来表示。结构振动噪声是否会影响传感器的声波探测,必须通过研究光纤层在振动情况下的长度变化。在均质化的光纤层模型中,将结点距离在圆周方向进行叠加,求出总的伸长量并除以原长,以此作为光纤长度变化量。有限元软件用于模拟振动台对传感器的单位加速度扫频正弦激励,通过得到的光纤长度变化率频率响应情况来判断传感器加速度灵敏度的变化情况。

图5为光纤层的频率响应曲线图。其中,纵轴为光纤长度变化率;横轴为频率。根据固有特性的计算结果,在固有频率处加密采样点,着重研究系统在共振状态下,光纤层的响应。在1000Hz附近,传感器结构处于第一阶模态,但值得注意的是,光纤的长度基本没有变化。从光纤层的振型可以得知,在第一阶模态下,光纤层仅作刚体平动而无伸长量,所以系统虽处于共振状态,但光纤层几乎没有响应,不会影响传感器对声波信号的接收。在1500Hz附近,系统处于第二阶模态,光

112　均质化结果对比　　为比较光纤层均质化前后的弹性性质,两种光纤层内环面上都施加了单位均布压强并计算受内压后的光纤芯的径向位移。考察点为光纤层样本中间层纤芯的径向位移情况。表3为两种光纤层的结果比较,均质化后的光纤层与原光纤层的弹性特性很相似,虽然存在3.7%的误差,但是传感器总成有限元模型的结点数从预计的3000万以上减少到了均质化后的9万左右,减小了计算规模。

表3　光纤层受内压结果比较(单位:m)

均质化前

纤芯径向位移

3.063×10

-12

-11

　×1032.均质化后

3.181×10

-12

误　差

3.7%…… 此处隐藏：6754字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……