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        基于光纖Bragg光柵的力傳感技術分析

        2020-09-06 14:15:55楊劉陽
        科學與信息化 2020年23期
        關鍵詞:敏感元件

        摘 要 本文以光纖bragg光柵為主要研究對象,針對光纖bragg光柵的力傳感技術為主要研究對象,借助模擬實驗狀態(tài),開展對光纖bragg光柵進行壓力實驗,從而確定敏感元件對應技術指標,結合筆者對于光纖bragg光柵的研究經驗,給予一定的啟示和幫助。僅供參考。

        關鍵詞 力傳感技術;敏感元件;光纖bragg光柵

        引言

        以光纖bragg光柵為代表的力傳感元件,由于其顯著的特點和性能受到行業(yè)內的普遍歡迎,尤其是電絕緣性能好、抗電磁干擾能力強、靈敏程度高等優(yōu)勢,為以機器人為代表的科技產業(yè),在應用光纖bragg光柵力傳感元件后,帶來前所未有的新體現、新創(chuàng)新。

        1以FBG為傳感元件的彈性體結構仿真分析

        1.1 靜力學分析

        借助ANSYS對測試彈性體進行靜力學分析,通過在不同方向施加不同方向的力,并對彈性體應力變化情況進行計算,了解彈性體應力的具體情況后,可以發(fā)現彈性體的外表面應變最為明顯。由此可見,對四條彈性梁的外表面粘貼FBG,從而實現彈性體在模擬實驗中可以得到較好的實驗結果,根據最后彈性梁的變形情況來模擬粘貼外表面的FBG的變形,從而計算出FBG內部中心波長的偏移情況。通過對彈性體受單維力方向力進行分析,同時結合彈性指標以及在工業(yè)機器人手臂中的應用情況進行分析,其測力范圍保持在800N以下即可,通過施加單一方向的單維力,記錄彈性體具體的偏移情況,從而有效計算出利于形變之間的模擬狀態(tài),從而了解到受單一方向力時,彈性體的靈敏度值[1]。

        1.2 模態(tài)分析

        結構共振以及某種頻率進行振動,對于彈性體的影響巨大,因此需要對相關情況有效規(guī)避,同時借助對彈性體進行模態(tài)分析,從而計算出其固有頻率以及相關特征的陣型分析。通過對彈性體相關數據的分析和研究,當彈性體受到單維力或者力矩時,在不同階段其固有頻率對彈性體的應力方向都會造成一定的影響。另外,由于結構與約束情況的影響,導致彈性體頻率相同、陣型結構相同。

        2基于光纖bragg光柵的測力系統(tǒng)設計

        測力系統(tǒng)的結構設計,主要是由軟件與硬件組成,其中硬件包括:電源、傳感器、寬帶光源、光纖Bragg光柵等,軟件包括:FBGA調節(jié)模塊以及Visual Studio 2019軟件中開展對應的測力系統(tǒng)測試。測力系統(tǒng)的設計原理為,利用寬帶光源將激勵光射入到FBG中,當外界中的作用力應用到彈性體上時,彈性梁的敏感元件會產生一定的拉壓作用,進而導致敏感元件的FBG中心波發(fā)生一定程度的變化,同時產生的光信號,通過調試解調模塊后,可以將數字信號傳輸到計算機中,實現對信號的記錄、分析、采集。由此可見,FBG波長的變化情況,與彈性體內部的中心波長、彈性體材料、彈性體外力應用情況等相關因素具有緊密的聯(lián)系,當對彈性體結構進行確定時,可以根據FBG中心波長的偏移距離,有效測算出彈性體的受力情況,確定其受力的數值。

        3基于光纖bragg光柵的彈性體結構模擬實驗

        3.1 彈性體結構

        彈性體的材料,以304不銹鋼為主要實驗材料,其基本的幾何參數為,材料A屬于弓形梁結構,其中長度外半徑為70毫米,寬度內半徑為10毫米,厚度為2毫米;材料B屬于圓環(huán)結構,其中長度外半徑為70毫米,寬度內半徑為32毫米,厚度為4毫米。彈性體如圖一所示。通過對彈性體仿真測試分析得出,當彈性體受到不同方向的單維力或者力矩時,結合彈性梁的應變情況,可以有效計算出彈性梁外表面FBG的中心波長的具體偏移數值,通過對彈性梁不停位置進行測試,發(fā)現不同力矩或者受力不同,所造成的FBG中心波長的位移偏移量存在巨大的差距[2]。

        3.2 靈敏度實驗

        根據仿真實驗得知,當彈性體上表面,受到固定方向的單維力時,其中彈性體的四個梁的受力情況較為一致,因此,對相關實驗進行簡化,以其中一條彈性梁進行分析,從10N循序漸進加力到80N,從而確定FBG中心波長的實際變化,因此,得到中心波長的變化量和彈性體量壓力之間的具體關聯(lián),根據相應的關系,可以計算出彈性體的靈敏度以及擬合率。需要注意的是,在實驗中由于對FBG無法做到嚴格的密封,從而無法去除溫度以及焊接工藝等相關內容對于材料的影響程度,因此,在實際的測試成績中,光纖光柵的靈敏度對比彈性體的靈敏度相差較大,遠遠低于彈性體的靈敏度。

        4基于光纖bragg光柵的力傳感元件的應用價值

        基于光纖bragg光柵的力傳感元件具有體積小、波長選擇性好、不受非線性效應影響、極化不敏感、易于與光纖系統(tǒng)連接、便于使用和維護、帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性好、可與其他光纖器件融成一體等特性,而且光纖光柵制作工藝比較成熟,易于形成規(guī)模生產,成本低,因此它具有良好的實用性,其優(yōu)越性是其他許多器件無法替代的。

        5結束語

        本文分析了以FBG為傳感元件的彈性體,并且設計出基于光纖Bragg光柵的測試系統(tǒng),通過建立對應的模擬實驗,進一步表明弓形彈性體對于測量不同方向的力或者力矩,具有極強的敏感度以及穩(wěn)定性,具有很好的應用價值和應用前景。

        參考文獻

        [1] 曹璨.基于光纖Bragg光柵的力傳感技術研究[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學,2019.

        [2] 唐世鑫.光纖傳感技術在錨桿軸力監(jiān)測中的應用[J].建材與裝飾,2019(8):230-231.

        作者簡介

        楊劉陽(1987-),男,河南商城人;畢業(yè)院校:成都大學,專業(yè):電子信息工程,學歷:本科,現職稱:工程師,現就職單位:武漢理工光科股份有限公司,研究方向:電子技術。

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