基于等强度悬臂梁的光纤Bragg光栅低频加速度传感器

由于粘贴于等强度悬臂梁的光纤Bragg光栅受振动质量块驱动而产生应变,一种光纤Bragg光栅低频加速度传感器被研制和定义为基座运动引起的单自由度系统的受迫振动模型。模型计算表明该加速度传感器的固有频率fn为16.96 Hz.固定于激振器的光栅加速度传感器受正弦激励。加入硅油后,光栅加速度传感器的频响范围从原来的3-11Hz增大为3-22 Hz.试验结果表明：当激励振动频率接近系统固有振动频率时,阻尼系统决定了传感器的工作范围。然而,由于悬臂梁的粗端固定在基座上,传感器的频响受限于悬臂梁的固有频率。

TMD等强度悬臂梁实际应用时的频率精确分析

为了确定实际应用中调谐质量阻尼器(TMD)刚度单元的梯形悬臂梁参数,建立了梯形悬臂梁频率的精确计算公式,计算了梯形等强度悬臂梁与三角形等强度悬臂梁频率的误差,利用梯形悬臂梁频率计算公式确定了TMD等强度悬臂梁的设计步骤与程序,给出了工程示例,并使用仿真软件ANSYS进行了验证。结果表明:悬臂梁自由端的宽度小于固定端宽度的12.65%时,梯形等强度悬臂梁与三角形等强度悬臂梁的频率相对误差小于5%;所用程序可以用于确定满足频率精度要求的TMD等强度悬臂梁的参数,对工程实际有较大指导意义。

基于等强度悬臂梁的光纤传感器设计研究

根据光纤Bragg光栅和等强度悬臂梁的结构原理,推演了传感器设计的理论依据,并依据此原理设计了光纤光栅传感器,在实验室环境进行了测试,利用matlab进行数据处理,结果表明,该传感器可以应用于工程实践。

基于高速动态光栅解调系统的FBG等强度悬臂梁振动传感特性研究

研究基于高速动态光栅解调系统的光纤Bragg光栅（fiber Bragg grating,FBG）等强度悬臂梁振动传感性能,分析FBG等强度悬臂梁与振动传感的基本原理和传感特性。结果表明：当压电陶瓷的输出频率接近等强度悬臂梁的谐振频率时,传感器的输出振幅最大;相同频率下,等强度悬臂梁厚度为0.3mm时响应度最大,平坦响应范围为10Hz-60Hz,平坦区的加速度灵敏度为51.25pm/（m·s^-2）,最大加速度灵敏度为416.81pm/（m·s^-2）;相同振动频率下,波长漂移幅值与振动幅值具有良好的线性关系,线性相关度为0.998,时域波形信号的FFT变换主频分量占80%以上。

光纤光栅在等强度悬臂梁均匀应变区的转换与有限元分析

等强度悬臂梁作为力学传感器的关键转换元件,不同尺寸和材料的悬臂梁,其自由端的挠度和作用力的量程及光纤光栅的最大微应变也不同。采用光学测量中的基本元件光纤光栅及等强度悬臂梁为模型基础,设计模型平面节点坐标有六个,平面节点坐标可以改变等强度悬臂梁的尺寸,模型厚度依次设置为0.005m、0.010m、0.015m、0.020m、0.030m。对初始尺寸,厚度为0.005m,材料选择为碳素钢的悬臂梁的仿真,结果表明,光纤光栅工作在均匀应变区时,其自由端挠度的量程为0~2.767×10-2 m,作用力的量程为0~437N,光纤光栅的最大微应变为171με。

基于ANSYS的矩形截面等强度悬臂梁的设计

由于工程中所使用的承受均布载荷的等截面积悬臂梁并不经济,使用ANSYS对受均布载荷变截面矩形悬臂梁进行等强度分析设计,使得矩形截面梁的体积在强度允许范围内达到最小,从而可以避免材料的浪费,有工程的实用价值和现实意义。

基于等强度悬臂梁的低频高灵敏度FBG加速度传感器研究

针对桥梁低频振动监测灵敏度低的问题,提出了一种基于等强度悬臂梁的低频高灵敏度光纤光栅(fiber Bragg grating, FBG)加速度传感器。以悬臂梁厚度与质量块质量为主要参数设计了12组FBG加速度传感器,通过激振器对传感器进行幅频特性、灵敏度及横向抗干扰试验,得到较适合监测桥梁振动的一组传感器,其固有频率为49 Hz,工作频带为0—34 Hz,灵敏度高达664.53 pm/g,线性度为99.9%,且横向抗干扰能力强。通过理论推导到试验验证,为桥梁振动提供一种新型有效的监测手段。

等强度压电复合悬臂梁的理论建模与数值仿真

通过理论分析和数值模拟验证了三角形压电复合悬臂梁的等强度假设,并推导了三角形压电复合悬臂梁准静态电压输出理论表达式。采用ANSYS 11.0对三角形压电复合悬臂梁的模态特性进行了分析,确定了层合厚度比对其固有频率的影响规律,对比了采用不同基底材料的压电梁电压输出理论值和模拟值。理论和模拟结果表明三角型压电复合悬臂梁在最优层合厚度比下的最大电压输出约为5V,其谐振频率约为62Hz。

光纤Bragg光栅等强度悬臂梁型称重传感器的标定与不确定度分析

研制了一种等强度悬臂梁结构的光纤Bragg光栅称重传感器。为了确定其称量结果的可靠性,通过分析载荷信息传递过程与光栅敏感元件的感知原理,推演传感器设计的理论依据,设计了采用标准质量块进行标定的静态载荷实验装置,通过MATLAB实现静态传感数据分析,并分析标定过程中存在的不确定因素进而确定了传感器的不确定度指标。实验表明:所研制的光纤Bragg光栅等强度悬臂梁型称重传感器的灵敏度为0.0069 nm/N,非线性误差为4.93%,重复性误差为2.59%,迟滞误差为3.21%FS,称重传感器的测量不确定度为0.409 N。设计的光纤Bragg光栅等强度悬臂梁型称重传感器静态特性良好,在它量程范围内测量不确定度对结果的影响较小,满足性能要求,标定方法有效提高了标定效率和精度,为其他类型传感器综合性能定量分析提供了思路与工程实践。

基于LabVIEW的悬臂梁固有频率测试研究

将虚拟仪器技术应用于悬臂梁固有频率的测量,组成了基于虚拟仪器的测试系统,介绍了测试系统的硬件、软件的构成,开发了基于LabVIEW的测量程序。测试实验采用力锤产生脉冲激励对等强度悬臂梁固有频率进行了测试,对实验结果进行了分析,并与有限元分析和理论公式计算结果作比较,结果表明测试结果可靠,测量精度高。该测试系统提供了一种新的悬臂梁固有频率测试方法,具有一定的参考价值。

双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器

位移测量装置利用测量杆通过楔形块作用在固定于底座的等强度悬臂梁上,其中,光纤Bragg光栅粘贴于其中一块等强度悬臂梁外表面的中心线处。在测量中,当测量杆产生位移时,会带动楔形块产生相应的位移,并促使等强度悬臂梁的自由端产生扰度变化,从而导致粘贴于等强度悬臂梁外表面的光纤Bragg光栅产生波长移位。实验表明,当位移增加或者减少时,位于中心测点的光纤Bragg光栅的实验灵敏度分别为正行程0.015nm/mm,反行程为0.014nm/mm,重复性误差为2.2%;正行程的线性度为0.99728,反行程的线性度为0.99684,迟滞为0.0626%FS。

悬臂梁中对布拉格光栅应变传感的温度补偿研究

本文首先分析了光纤布拉格光栅传感的基本原理和布拉格光栅波长变化与环境温度和应变的相关方程,然后基于等强度悬臂梁设计了一个简单有效的消除温度影响的应变测量方法。最后,在温度范围为0～60℃之间进行了应变的测试,实验结果表明测量误差为8.32με。

光纤Bragg光栅的悬臂梁波长调谐特性研究

提出了一种适用于古建筑健康监测的光纤光栅中心波长调谐装置,将光纤光栅粘贴于等腰三角形悬臂梁的上下表面,通过螺旋测微器使弹性梁产生应变,实验上得到了6.23nm准无啁啾的中心波长调谐。

高灵敏度柔性多层等强度梁式力/位移传感器设计及传感理论研究

针对目前柔性传感器大多数结构为薄膜形式,不利于法向集中力与位移同时测量的问题,设计并制备了一种基于多层离子皮肤(柔性电容传感片)的等强度梁式传感器.该触觉传感器由多层离子皮肤和等强度梁构成.当梁的自由端接触被测物时,传感器可以将力或位移转化为输出的电容信号来进行法向接触力或位移的测量.建立了传感器电容变化量与梁自由端力/位移关系的传感理论模型,并通过力/位移加载试验对传感理论模型进行验证.试验结果表明,传感器的传感理论模型与试验结果吻合较好,当传感器具有四层结构时,对力/位移测量的灵敏度分别为1.855 mN/pF和0.694 mm/pF.所能测得最小力为0.02 mN,最小位移为0.01 mm,同时该传感器表现出良好线性度(R2=0.994).该传感理论模型可为此类传感器的设计提供理论依据,在柔性机器和医疗健康检测等领域具有良好的应用前景.

悬臂梁结构光纤光栅电流传感器的优化

针对电力系统对电流测量高精度的要求,设计了一种基于等强度悬臂梁结构的光纤光栅电流传感器。将两根光栅分别粘贴于等腰三角形结构的悬臂梁上下表面,末端永磁体材料振子置于两螺线圈中间。当螺线圈接通电流时,形成的磁场将会引起永磁体振子偏移,进而引起光栅中心波长的变化。采用差分方式建立电流大小与光栅波长变化之间的关系,在提高测量灵敏度的同时消除了温度对测量结果的影响。实验结果表明:在0~5A的范围内,利用光纤光栅波长变化可准确反演待测电流值,与理论计算值相比,误差小于1.2%。

高灵敏度柔性多层等强度梁式力传感器的设计

阐述设计并制备的一种柔性多层等强度梁式传感器,通过力移加载试验对传感器电容变化量与梁自由端力进行测试,传感器对力的灵敏度最高为1.855mN/pF,具有高灵敏度与线性度。

中低频集中质量悬臂式簧片仪基频分析方法研究

簧片仪是一种中低频冲击响应谱测量装置,设计时可将其简化为端部附带集中质量的悬臂梁。簧片仪的振型方程中存在超越函数,对于等截面簧片仪来说,可使用二分法等数值方法求解,计算量较大,该方法不适用于复杂截面簧片仪基频设计。首先利用悬臂梁自由端受集中力的挠度公式,推导出其等效刚度等效单自由度的弹簧振子系统,利用弹簧振子相关频率公式解决求解集中质量等截面悬臂梁的基频问题,该方法与振型方程求解的基频对比,发现在10 Hz以下的中低频区域,可以很好的保证等截面悬臂梁的基频精度,大于10 Hz的中频段,误差随频率的升高而迅速增大。接下来,通过Mohr积分的方法,推导出等强度集中质量悬臂梁自由端的最大挠度,并给出其基频的设计公式,该方法与试验进行对比,发现误差与等截面悬臂梁有相同趋势,因此利用瑞利能量法修正设计公式中的质量参数,修正后与实验误差在5%左右。经理论与试验验证,所提出的簧片仪设计方法简单可行、计算结果可信。

极大倾角光纤光栅悬臂梁振动传感器性能优化

提出一种利用极大倾角光纤光栅(Ex-TFG)谐振峰的3 dB点进行悬臂梁低频振动检测的优化方法。对Ex-TFG的轴向应变和弯曲应变特性进行理论分析和实验验证;对基于光强调制的Ex-TFG振动传感的光谱响应特性进行理论分析,采用Ex-TFG谐振峰的3 dB点对振动进行实验研究。实验结果表明:1)Ex-TFG在轴向应变和弯曲应变条件下,其谐振波长均发生蓝移,横电(TE)模和横磁(TM)模的轴向应变灵敏度分别为-2.8 pm/με和-1.8 pm/με,透射强度基本不变,在0~0.4 m-1的曲率范围内基于光强变化的弯曲应变灵敏度分别为2.6 dB/m-1和1.2 dB/m-1,基于波长漂移的弯曲应变灵敏度分别为-3.34 nm/m-1和-2.53 nm/m-1;2)在低频振动的检测中,Ex-TFG的TE模和TM模的谐振峰3 dB点的振动加速度灵敏度分别为113.54 mV/g和100.93 mV/g,比谐振峰的峰值波长点(100%点)的振动加速度灵敏度高2倍多,且信噪比(SNR)高约10 dB。此外,SNR随悬臂梁厚度的增大而增大;3)在相同条件下,TE模具有比TM模更高的振动响应灵敏度,但TM模比TE模具有更好的输出稳定性。

Y型熔锥光纤耦合器的应变响应

本文对已广泛应用于光纤通信或作为光纤传感系统中处理元件的 Y型单模熔锥光纤耦合器对应变的响应进行了研究 .在悬臂梁上进行的应变实验表明 ,该型耦合器的耦合比不但对应变敏感 ,而且有单调性 .其中 ,值得注意的是

光纤光栅位移传感器的开发及应用

针对全光纤结构健康监测系统中对位移监测的需求,设计了一种基于等强度悬臂梁结构的光纤光栅(FBG)位移传感器,它具有结构简单、测量精度高、温度自补偿等优点。通过对传感器进行标定试验,结果显示其线性相关系数可以达到0.999以上,传感器的测量精度为0.326%FS。该传感器在桥梁支座监测中的成功应用表明其可靠性高、对结构自身影响小,可直接测量支座位移,适合于长期工程结构监测。