引用本文:
邢心魁,刘凡凡,林揽日,等. 受拉型悬臂梁光纤布喇格光栅位移传感器研究[J]. 光通信技术,2021,45(12):1-4.
邢心魁1,2,3,刘凡凡1,2,3,林揽日1,2,3,覃荷瑛1,2,3
(1.桂林理工大学 土建学院,广西 桂林 541004;2.桂林理工大学 有色金属矿产勘查与资源高效利用协同创新中心,广西 桂林 541004;3.广西岩土力学与工程重点实验室,广西 桂林 541001)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:为了实时监测工程结构,根据位移传感原理,设计了一种受拉型悬臂梁光纤布喇格光栅(FBG)位移传感器。测量位移时,传感器两端支点产生相对位移,经弹簧将位移传递至悬臂梁,通过测试悬臂梁应变,实现对位移的测量;通过改变悬臂梁长度和截面尺寸可以实现灵敏度调节;根据工艺限制和理论计算确定悬臂梁尺寸,并通过有限元分析悬臂梁端部孔径大小对其应变影响确定孔径值。最后,对传感器的性能进行了测试。结果表明:受拉型悬臂梁FBG位移传感器灵敏度为101.3 pm/mm,量程可达30 mm,与一般商用FBG位移传感器相比,其灵敏度大大提高,线性拟合度达到了0.994。
关键词:光纤布喇格光栅;位移传感器;有限元;悬臂梁;受拉
中图分类号:TN256 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2021)12-0001-04
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.12.001
0 引言
在工程实践和实验研究工作中,经常需要利用位移传感器对结构的变形、裂缝宽度等进行监测[1]。位移能为结构健康监测提供有价值的信息,故位移传感器在重大结构的变形、开裂和滑动监测中起着重要的作用[2]。传统位移传感器多采用机械式或电测原理,由于精度低、量程短和易受干扰等原因,测试效果不理想。光纤布喇格光栅(FBG)位移传感器作为一种新型传感器,敏感元为布喇格光栅,布喇格光栅具有线性和重复性好的优点,是一种无源的应变敏感元件[3],其凭借高精度、可远距离传输、不受电磁干扰和使用寿命长等优点,在传感器领域得到迅速推广。
目前,FBG位移传感器常用结构有直拉型结构、悬臂梁结构和弯曲弹性梁结构等,但以上结构都存在一些问题,例如:直拉型结构量程较小和光栅易折断[4];悬臂梁结构的缺点是尺寸大,滑块易产生竖向位移[5];弯曲的弹性梁结构量程较小,封装工艺难度大。因此,本文提出一种受拉型悬臂梁FBG位移传感器,通过双光栅的方式实现温度补偿。
4 结束语
在已有FBG位移传感器研究的基础上,本文设计了一种受拉型悬臂梁FBG位移传感器。根据弹簧与悬臂梁的串联关系和双光栅波长理论公式,推导出位移与光栅波长之间的关系式,通过分析工艺限制,理论计算悬臂梁的截面面积,有限元模拟孔径大小对位移传感器的力学性能的影响,确定悬臂梁尺寸。由实验结果可知,本文设计的FBG位移传感器的灵敏度为101.3 pm/mm,线性拟合度R2为0.994,与已有FBG位移传感器相比,灵敏度得到很大提高,且该传感器具有结构简单、量程大和耐腐蚀等优势,为不同环境下位移的测量提供了优选方案。在此基础上,综合材料强度和封装工艺等因素,对FBG位移传感器的整体结构进行材料选用、结构设计以及制作工艺分析,本文的研究成果可为生产制造位移传感器提供参考。