魏 莉 周祖德 黃 俊 何玉苗

武漢理工大學(xué)，武漢，430070

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，機(jī)械系統(tǒng)正日益向大型化、柔性化、重載化、系統(tǒng)化和自動(dòng)化的方向發(fā)展，這使得機(jī)械系統(tǒng)的性能要求越來越高、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、工作環(huán)境越來越嚴(yán)酷，常常運(yùn)行在高速、重載、高溫和多場耦合的工況下，工作狀態(tài)呈現(xiàn)出多變性、耦合性和非線性特征。這些變化和發(fā)展對機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和結(jié)構(gòu)損傷的動(dòng)態(tài)監(jiān)測提出了更高的要求。

1）重理論，輕實(shí)踐。在職業(yè)院校發(fā)展初期，這個(gè)特點(diǎn)是職業(yè)院校的通病，其產(chǎn)生有著很重的歷史背景。原因一是原有的職業(yè)院校教學(xué)體系是繼承本科院校的，很多院校只是單純地調(diào)整課程體系或降低課本的難度，沒有摸索出職業(yè)院校人才培養(yǎng)模式；原因二是師資隊(duì)伍缺失，原有的職業(yè)教育社會(huì)地位低，無法吸引好的專業(yè)人才加入，特別是一些雙師型教師的缺乏，直接導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量不理想。

目前，工程上測量振動(dòng)的方法主要有機(jī)械式、電氣式、光學(xué)式等測量方法［1－3］。雖然機(jī)械式傳感器抗干擾能力強(qiáng)，但其測量精度不高、頻率范圍較窄；電氣式傳感器抗電磁干擾能力差、長期穩(wěn)定性差、分布式布置困難、信號傳輸距離有限，難以真正實(shí)現(xiàn)多參數(shù)分布式動(dòng)態(tài)監(jiān)測；光學(xué)式傳感器是將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈱W(xué)信號來進(jìn)行測量的，光纖 Bragg光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）作為一種新型的光學(xué)測量傳感器，具有對電絕緣、抗電磁干擾、穩(wěn)定性好、可遠(yuǎn)距離信號傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，且在單根光纖上可布置多個(gè)測量光柵形成分布式傳感器，能實(shí)現(xiàn)“一線多點(diǎn)、無源多場”的檢測方式，因此，在機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)損傷和運(yùn)行狀態(tài)分布式動(dòng)態(tài)監(jiān)測中具有很好的應(yīng)用前景。

國內(nèi)外學(xué)者自20世紀(jì)90年代就對FBG振動(dòng)傳感技術(shù)展開了研究。文獻(xiàn)［4］采用盤片式結(jié)構(gòu)作為彈性體，設(shè)計(jì)了一種FBG振動(dòng)傳感器。文獻(xiàn)［5］提出了一種特殊三腳支架和等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)的FBG振動(dòng)傳感器，用于檢測75Hz以下的振動(dòng)。文獻(xiàn)［6］利用光纖光柵隨弓形梁彎曲變形的敏感特性，通過設(shè)計(jì)特制的增敏結(jié)構(gòu)，研制了一種基于彎曲特性的FBG振動(dòng)傳感器。文獻(xiàn)［7］提出了一種基于“鋼管－質(zhì)量塊”彈性結(jié)構(gòu)體的光纖光柵加速度傳感器，將4個(gè)光纖光柵粘貼在質(zhì)量塊一側(cè)的鋼管表面應(yīng)變最大處，通過兩兩組合的光柵實(shí)現(xiàn)二維測量和溫度補(bǔ)償。

④參見 Ellwein/Hesse，Der ueberforderte Staat，1997，S．7，S．67．

光纖光柵是利用紫外曝光技術(shù)，在光纖芯內(nèi)形成折射率具有周期性的分布結(jié)構(gòu)，如圖1所示。當(dāng)一束寬帶光入射到光纖光柵中時(shí)，周期性折射率結(jié)構(gòu)使得某個(gè)特定波長的窄帶光被反射，反射光波長滿足Bragg散射條件，即

1 FBG振動(dòng)傳感的基本原理

綜上所述，現(xiàn)有關(guān)于FBG振動(dòng)傳感器的研究主要通過利用不同結(jié)構(gòu)、材料進(jìn)行封裝來實(shí)現(xiàn)增敏，進(jìn)而提高傳感性能。本文在分析現(xiàn)有FBG振動(dòng)傳感器研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于永磁結(jié)構(gòu)的FBG振動(dòng)傳感器，采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行了理論分析和數(shù)值仿真，制造了FBG傳感器實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械振動(dòng)的非接觸檢測，該傳感器充分發(fā)揮了光纖Bragg光柵傳感器的特點(diǎn)，可應(yīng)用于易燃易爆和電磁干擾強(qiáng)的場合，并能實(shí)現(xiàn)信號的遠(yuǎn)距離傳輸。

農(nóng)副產(chǎn)品加工企業(yè)的系統(tǒng)模塊重點(diǎn)在對種植戶鮮果市場、物流企業(yè)路線及時(shí)效性進(jìn)行查詢，完成加工生產(chǎn)需要的訂單發(fā)布和處理。

式中，n、Λ分別為光纖光柵的有效折射率和柵格周期。

圖1 光纖光柵結(jié)構(gòu)

光纖光柵的中心反射波長與光柵的周期和反向耦合模的有效折射率成正比。只有滿足式（1）的波長才被光纖光柵反射，其余被其透射。無論是對光柵進(jìn)行拉伸或壓縮，都勢必導(dǎo)致光柵周期Λ的變化，這為光纖Bragg光柵制成光纖應(yīng)變傳感器提供了最基本的物理基礎(chǔ)［8］。

根據(jù)ANSYS仿真結(jié)果可知，氣隙為3mm時(shí)，集中力為20.288N，由式（3）計(jì)算得膜片撓度為40.5μm，在膜片計(jì)算公式適用范圍內(nèi)。

式中，Pe為有效彈光系數(shù)，對于普通光纖材料，Pe＝0.22；ε為應(yīng)變。

由于采用中心波長為1300nm的光纖Bragg光柵，故1×10－6的應(yīng)變將引起1pm的波長改變量。實(shí)際應(yīng)用中，由于光纖光柵對溫度和應(yīng)變同時(shí)敏感，故若環(huán)境溫度變化，可增加一個(gè)自由光柵（非粘貼）進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2 FBG振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 FBG振動(dòng)檢測原理示意圖

選用的永磁材料為釹鐵硼（N38），截面半徑6mm，厚度5mm，矯頑力Hc＝860kA/m，剩磁Br＝1.22T。建立的有限元模型如圖3所示，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為271 022，單元數(shù)量為136 590。圖4所示為磁場仿真結(jié)果。

生的磁力決定，因此磁場力選擇是探頭設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容?？紤]到磁場漏磁、非線性等因素影響，這里采用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。

圖3 模型網(wǎng)格劃分圖

圖4 磁場分布仿真結(jié)果

要把磁力轉(zhuǎn)化為FBG的應(yīng)變，還需借助彈性元件。這里采用的彈性元件是周邊固定的等截面圓形薄板構(gòu)成的平膜片，膜片中心有一個(gè)硬芯，用來承受集中力載荷（F）。有硬芯的平膜片在集中力作用下的撓度計(jì)算公式如下：

從圖2可以得知，膜片變形主要由永磁體產(chǎn)

改變探頭到被測軸的距離，分別求得對應(yīng)磁力，得到圖5所示磁力與位移的關(guān)系。

圖5 位移與磁力關(guān)系圖

從圖5可得，磁力與氣隙成非線性關(guān)系，且距離越遠(yuǎn)，磁力越?。辉跉庀段挥?.5到3mm之間時(shí)，斜率最大，同時(shí)具有較好的線性度。故設(shè)計(jì)FBG振動(dòng)傳感時(shí)應(yīng)考慮此點(diǎn)。

3 FBG振動(dòng)傳感器的彈性元件設(shè)計(jì)

通常FBG只對應(yīng)變和溫度敏感，若想實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號的檢測，必須借助其他彈性元件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。根據(jù)相關(guān)理論分析和參數(shù)優(yōu)化，本文提出一種FBG振動(dòng)檢測結(jié)構(gòu)，如圖2所示。當(dāng)傳感器磁耦合探頭的氣隙L（即被測位移量）發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致探頭和被測物體之間的磁力發(fā)生變化，由于磁力作用在彈性膜片的硬芯上，將改變膜片的撓度，進(jìn)而改變與之相連的FBG傳感器軸向應(yīng)變，故最終可通過測量FBG傳感器應(yīng)變量間接獲得被測量的變化。

式中，μ為膜片材料的泊松比，μ＝0.3；E為膜片材料的彈性模量，E＝200GPa；r為膜片半徑，r＝20mm；h為膜片厚度，h＝0.5mm；r0為硬芯半徑，r0＝5mm。

光纖光柵受到拉力作用時(shí)，波長改變量ΔλB與應(yīng)變的關(guān)系如下：

膜片位移即為光纖伸長量，則FBG應(yīng)變

值得關(guān)注的是，據(jù)臨床報(bào)道，SHLI有致速發(fā)型過敏反應(yīng)的不良反應(yīng)［19-20］，似乎與本研究SHLI抗過敏作用相矛盾。事實(shí)上，本課題組正是在研究SHLI致過敏的不良反應(yīng)過程中發(fā)現(xiàn)其對肥大細(xì)胞脫顆粒具有良好的抑制作用［6，21］。藥物被機(jī)體作為異物識別而發(fā)生過敏反應(yīng)與其可治療過敏性疾病二者之間并不矛盾。正如作為抗過敏的一線藥物酮替芬，其使用注意事項(xiàng)中也明確提出“對本品過敏癥禁用”。需要說明的是，SHLI通過線粒體鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)體活化發(fā)揮其強(qiáng)大的肥大細(xì)胞穩(wěn)定作用［6］給其致過敏的研究帶來了困難。在研究設(shè)計(jì)SHLI致敏性實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要排除前者的干擾，這是研究過程中必須注意的。

基于I/O-Link技術(shù)，巴魯夫?yàn)槠囉脩舸罱ㄆ鹆艘惶紫到y(tǒng)級安全解決方案，包括底層安全傳感器、安全I(xiàn)/O以及更上層的安全PLC，而且能夠與標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化系統(tǒng)兼容并行，這將很好地簡化用戶的安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施。

取光纖固定點(diǎn)間長度l＝70mm，計(jì)算得到FBG應(yīng)變?chǔ)牛?79.3×10－6。

4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果及分析

根據(jù)以上提出的FBG振動(dòng)傳感原理和理論分析，設(shè)計(jì)并加工了實(shí)驗(yàn)裝置，如圖6所示。FBG振動(dòng)傳感器安裝在一個(gè)滑槽中并可在滑槽中前后移動(dòng)，用于調(diào)整傳感器的初始安裝位置，在實(shí)際測試時(shí)就是傳感器的零位。

圖6 FBG振動(dòng)傳感器實(shí)驗(yàn)裝置

4.1 FBG振動(dòng)傳感器的靜態(tài)標(biāo)定

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)驗(yàn)平臺上，以軸為對象進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，標(biāo)定過程中需對實(shí)際輸入位移量進(jìn)行有效控制。測試時(shí)，通過安裝在傳感器后部的螺旋測微器來對位移進(jìn)行微調(diào)，由于傳感器和螺旋測微器的測量頭連接在一起，故微調(diào)步距等同于螺旋測微器的精度。

采用厚度為0.5mm的膜片，改變氣隙大小，分別記錄FBG振動(dòng)傳感器的輸出，并繪制測試結(jié)果關(guān)系圖，如圖7所示。

圖7 厚度為0.5mm膜片靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果

由于實(shí)驗(yàn)在密閉房間進(jìn)行，干擾較小，因此可認(rèn)為膜片是一理想元件。故可根據(jù)以上測試結(jié)果反推磁力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，這說明此種測量方法是可行的。但從圖7可看出，F(xiàn)BG傳感器的輸出應(yīng)變值比較小，檢測的靈敏度不高。要進(jìn)一步提高檢測靈敏度，由式（3）可知，一方面可增大磁力，但需加大磁耦合探頭中永磁體的尺寸，進(jìn)而增大探頭的質(zhì)量，加大基礎(chǔ)振動(dòng)對檢測結(jié)果的影響，最終會(huì)增大誤差；另一方面可減小膜片厚度，因?yàn)樵谕瑯哟帕ψ饔孟聹p小膜片厚度可產(chǎn)生更大撓度，引起FBG傳感器更大的應(yīng)變。通過以上分析，這里選擇將膜片的厚度減小為0.2mm，進(jìn)行相同的測試。測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 厚度為0.2mm膜片靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果

從圖8中可看出，在同樣位移下，F(xiàn)BG的輸出明顯增大。在整個(gè)測量區(qū)間內(nèi)，位移與波長變化量之間是非線性關(guān)系。在確定傳感器工作區(qū)間時(shí)，有兩種方式，一種取較大測量范圍，預(yù)先標(biāo)定，但信號調(diào)理難度加大；另一種選擇斜率較大的區(qū)間作為量程，且輸入輸出近似為線性關(guān)系，并進(jìn)行線性化擬合，如圖9所示。

圖9表明，該段區(qū)間具有較好的線性度，同時(shí)檢測靈敏度可達(dá)到1.14μm/pm，線性度誤差為0.4%，現(xiàn)有光纖光柵解調(diào)儀表分辨能力可達(dá)到1pm，也就是說該振動(dòng)傳感器的位移檢測精度可達(dá)到1.14μm，量程為1mm。

(2) 與以往注漿模型相比，本文構(gòu)建的模型不受裂隙面產(chǎn)狀的影響，可以定量確定任一傾斜裂隙在漿液擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的注漿壓力與注漿時(shí)間和漿液擴(kuò)散距離的關(guān)系，進(jìn)一步拓寬了該模型的應(yīng)用范圍。

4.2 FBG振動(dòng)傳感器的動(dòng)態(tài)測試

圖9 厚度為0.2mm膜片線性擬合結(jié)果

為檢測FBG振動(dòng)傳感器的動(dòng)態(tài)特性，這里將傳感器安裝于旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)驗(yàn)測試平臺上，對不同轉(zhuǎn)速n0下的振動(dòng)信號進(jìn)行檢測，實(shí)驗(yàn)測量波形如圖10所示。經(jīng)過頻譜分析（圖11），實(shí)測振動(dòng)信號的主要頻率成分與轉(zhuǎn)速頻率一致，這表明所設(shè)計(jì)的FBG振動(dòng)傳感器能夠跟蹤動(dòng)態(tài)信號。

2.2.4 用藥頻次不適宜 如左甲狀腺素片宜將一日劑量一次性服用，常見錯(cuò)誤用法為每日3次或每日2次服用；脾氨肽口服凍干粉宜每日一次或隔日一次服用，錯(cuò)誤為每日3次服用。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下振動(dòng)信號測量

圖11 不同轉(zhuǎn)速下振動(dòng)信號頻譜

5 總結(jié)與展望

（1）采用光纖光柵作為敏感元件，與傳統(tǒng)電測傳感器相比具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、防爆、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

高職上接研究型大學(xué)，下連中職，是國家技能型人才鏈的重要組成部分，在有效服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有不可替代的層次與作用。因此，高職要依據(jù)地方經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展用人預(yù)期需求，與企業(yè)合作，共同培育高素質(zhì)創(chuàng)新人才和技術(shù)技能人才。

（2）設(shè)計(jì)的FBG非接觸振動(dòng)傳感器量程為1mm，位移檢測精度可達(dá)到1.14μm，在工作區(qū)間內(nèi)線性度可達(dá)0.996。

（3）設(shè)計(jì)的FBG非接觸振動(dòng)傳感器能滿足大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)位移檢測要求，還可和其他光纖光柵傳感器構(gòu)成多參數(shù)檢測系統(tǒng)，可充分發(fā)揮光纖光柵傳感多參數(shù)分布式檢測的優(yōu)勢。

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