CN114993446A - 一种双悬臂梁光纤光栅振动传感器及其优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双悬臂梁光纤光栅振动传感器及其优化方法，该传感器，包括：上梁臂、下梁臂、质量块、光纤光栅和补充块；上梁臂和所述下梁臂长度相同且相互平行，上梁臂和下梁臂的固定端分别固定连接；自由端分别与质量块的一端固定连接；光纤光栅粘贴于所述上梁臂靠近固定端的表面；上梁臂厚度薄于下梁臂的厚度，且上梁臂的自由端上表面平行固定有补充块；通过减小上梁臂的厚度，增加粘贴光纤光栅栅区处的应变；通过在上梁臂的右端区域增加补充块，增加固有频率，实现了同时增加应变和固有频率。通过有限元方法三维仿真建模，通过控制变量法分析补充块尺寸对应变和固有频率的影响，选择最优尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及振动检测技术领域，具体涉及一种双悬臂梁光纤光栅振动传感器及其优化方法。
背景技术
现代工业生产中低频振动广泛存在，振动检测在保证现代基础建设、石油探测、机械工程系统等领域的安全性与稳定性起着重要的作用。面对工业生产中的复杂环境，提升振动传感器的灵敏度、测量范围、稳定性与准确性显得尤为重要。目前比较成熟的振动加速度传感器主要为动圈式、压电式、涡流式和微机电系统电类传感器，但是上述振动传感器在复杂环境(比如电磁干扰)中的性能容易受到干扰，难以完成准确的测量工作并且很难实现分布式组网测量，导致应用受到限制。相较于前者光纤光栅振动传感器具有许多独特的优点，例如：耐腐蚀、抗电磁干扰、稳定性高、寿命长、易组网，因此它成为传感器研究的热点，有着巨大的研究潜力。
依照光纤光栅振动传感器的结构特点，可以大致分为梁式结构，顺变柱体结构，膜片结构。上述传感器类型中梁式光纤光栅传感器的结构较简单、易于制造而且性能稳定，是较常用的形式。梁式结构包括单悬臂梁和双悬臂梁结构，单悬臂梁结构在外力的作用下，抗扭能力较差，相较于单悬臂梁，双悬臂梁的扭矩刚度显著提高，能有效地解决交叉方向干扰的影响，提高测量精度。
目前关于双悬臂结构的光纤光栅振动传感器，主要有以下研究：
一种双悬臂梁光纤光栅加速度传感器，主分类号：G01P15/03，分类号：G01P15/03。该发明涉及一种双悬臂梁光纤光栅加速度传感器，具体包括以下步骤：通过使用等强度梁来避免光纤光栅的啁啾效应，通过双层梁结构提高传感器的稳定性，通过阻尼装置保护传感器，避免振幅过大时，造成传感器的损坏，并且能防止后续信号测量失真的问题。
一种双等强度悬臂梁光纤光栅振动传感器，主分类号：G01H9/00，分类号：G01H9/00。该发明涉及一种双等强度悬臂梁光纤光栅振动传感器，具体包括以下步骤：通过使用双等强度梁克服振动传感器稳定性的问题。在上梁臂的外表面与下梁臂的外表面贴上光纤光栅，由于上梁臂外表面与下梁臂外表面应力方向相反，那么将上梁臂光纤光栅的波长变化与下梁臂光纤光栅的波长变化做差，就能得到两倍的单个波长变化量，从而提升传感器灵敏度。
上述研究中，所提出的双悬臂梁光纤光栅振动传感器的稳定性都有所提升，但是在实际工业振动测量中往往需要较高的灵敏度以及较宽的测量平坦区，对于梁式结构来说，较高的固有频率意味着较高的测量范围，但是由于梁式结构的固有频率与灵敏度存在严重的相互制约关系，这严重限制了双悬臂梁式光纤光栅振动传感器的应用与性能改善，如何在不降低传感器固有频率的同时提高灵敏度，是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明主要解决双悬臂梁光纤光栅振动传感器固有频率与灵敏度相互制约的问题，本发明提出一种双悬臂梁光纤光栅振动传感器及其优化方法，在不影响固有频率的情况下尽量提高灵敏度，设计出一种测量范围较大，灵敏度较高的双悬臂梁光纤光栅振动传感器。
为了实现上述目的，在考虑传感器灵敏度与固有频率的影响因素方面，分析双悬臂梁结构参数对光纤光栅传感器灵敏度与固有频率的影响，在此基础上根据影响特性通过增加补充块改进传感器结构；接着采用有限元的方式分析补充块结构参数对双悬臂梁光纤光栅振动传感器灵敏度与固有频率的影响；最终根据效果最好的补充块参数，对双悬臂梁光纤光栅振动传感器进行优化处理，以此改善传感器的灵敏度与固有频率。
根据本发明的一个方面，提供了一种双悬臂梁光纤光栅振动传感器，包括：上梁臂、下梁臂、质量块和光纤光栅；还包括：补充块；
所述上梁臂和所述下梁臂长度相同且相互平行，所述上梁臂和所述下梁臂均包括固定端和自由端，两个固定端分别固定连接；两个自由端分别与所述质量块的一端固定连接；所述光纤光栅粘贴于所述上梁臂靠近固定端的表面；
所述上梁臂厚度薄于所述下梁臂的厚度，且所述上梁臂的自由端上表面平行固定有所述补充块；
通过减小上梁臂的厚度，增加粘贴光纤光栅的栅区处的应变；通过在上梁臂的右端区域增加补充块，增加固有频率，实现了同时增加应变和固有频率。
优选地，所述上梁臂的厚度为0.3mm、长度为60mm。
优选地，所述下梁臂的厚度为0.5mm，长度为60mm。
优选地，所述补充块的厚度为1.7mm，长度为41mm。
优选地，所述上梁臂、下梁臂和补充块的材料为304不锈钢，对应杨氏模量为1.93x1011pa。
优选地，所述质量块的材料为金属钨，质量为35g。
优选地，所述光纤光栅在距离固定端1-5mm的范围内，光纤光栅的栅区长度4mm。
根据本发明的另一方面，还提供了一种双悬臂梁光纤光栅振动传感器的优化方法，包括以下步骤：
采用有限元法，在COMSOLMultiphysics中根据预设尺寸参数对双悬臂梁光纤光栅振动传感器进行三维建模，得到传感器三维仿真模型；
使用控制变量的方法分析不同尺寸的补充块对传感器上梁臂应变与固有频率的影响，最终选取最优的补充块尺寸。
其中，所述传感器上梁臂应变与灵敏度成正比。
本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明根据双悬臂梁结构参数对光纤光栅传感器灵敏度与固有频率的影响，在此基础上根据影响特性通过增加补充块改进了双悬臂梁光纤光栅振动传感器的结构；并采用有限元的方式分析补充块结构参数对双悬臂梁光纤光栅振动传感器灵敏度与固有频率的影响；最终根据效果最好的补充块参数，对双悬臂梁光纤光栅振动传感器进行优化处理，以此改善传感器的灵敏度与固有频率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明的具体效果作进一步说明，附图中：
图1是本发明一种双悬臂梁光纤光栅振动传感器及其优化方法的整体流程图；
图2是传统双悬臂梁结构弯曲模型的正视图(a)与俯视图(b)；
图3是传统双悬臂梁结构参数对灵敏度与固有频率的影响，其中，图3(a)对应梁臂厚度h，图3(b)对应梁臂宽度b，图3(c)对应梁臂长度L，图3(d)对应质量块质量m；
图4是本发明优化后双悬臂梁光纤光栅振动传感器的三视图，其中，图4(a)正视图，图4(b)左视图，图4(c)俯视图；
图5是本发明改进版双悬臂梁结构的仿真模型(a)及网格划分图(b)；
图6是本发明补充块尺寸对传感器固有频率(a)和上梁臂粘贴光纤光栅处的应变(b)的影响；
图7是本发明优化后双悬臂梁结构与传统双悬臂梁结构的应变性能对比图；
图8是本发明优化后双悬臂梁光纤光栅振动传感器的结构封装图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
请参考图1，图1是本发明一种双悬臂梁光纤光栅振动传感器及其优化方法的整体流程图；该流程步骤如下：
S1：分析双悬臂梁结构参数对双悬臂梁光纤光栅振动传感器的灵敏度和固有频率的影响，提出一种增加补充块后的传感器结构。
在双悬臂梁光纤光栅传感器的实际设计中，光纤光栅常常通过环氧树脂粘贴在双悬臂梁的上梁臂，当双悬臂梁受到外界振动时，其自由端的质量块由于惯性而保持静止，因此质量块与梁臂之间产生相对运动，导致梁臂发生弯曲，迫使光纤光栅产生应变而发生中心波长的漂移，漂移量可由(1)式表示：
其中λB为光纤光栅的布拉格波长，ε为光纤光栅所受的轴向应变，Pe为光纤的弹光系数，一般为0.22，△λB为反射谱中心波长的漂移量，由上式可知波长漂移量与应变之间是线性变化的。
为了便于对双悬臂梁结构的力和应变特性进行理论分析和仿真，将外力直接施加在自由端的质量块上，双悬臂梁的固定端保持绝对静止不动，光纤光栅使用环氧树脂粘贴于上梁臂根部附近，其所受应变可以用光纤光栅栅区的平均应变代替。参考图2，图2是传统双悬臂梁结构弯曲模型的正视图(a)与俯视图(b)，图2中的上、下梁臂的厚度相等。
外力F与梁臂弯矩的关系可用弯矩平衡方程(2)式表示：
其中E是梁体材料的杨氏模量，I是横截面惯性矩，M0是双悬臂梁端部截面弯矩，x为到梁根部的距离，y梁臂的挠度，L为梁臂长度。
在欧拉梁系统中，剪切变形可以忽略，由材料力学中应变与弯矩的关系可以得到双悬臂梁的上梁臂固定端根部应变为：
其中，M(x)为距离梁根部x处的截面弯矩，z是梁表面到中性层的距离为h的1/2，结合牛顿第二定律与(1)式可得双悬臂梁光纤光栅传感器灵敏度为：
对应固有频率为：
式中，b为双悬臂梁的宽度，L为双悬臂梁的长度，h是双悬臂梁的厚度，m是质量块的质量，yr为梁臂最右端的挠度。
梁的尺寸参数分别为梁臂厚度h，梁臂宽度b，梁臂长度L，质量块质量m，为了直观显示各参数的作用，所以确定梁体的材料为304不锈钢，杨氏模量E为1.93x1011pa，各参数初始化为h＝0.5mm，b＝10mm，L＝60mm，m＝35g，确定光纤光栅的中心波长为1550.241nm，然后运用控制变量法研究梁的各尺寸参数对传感器性能的影响，各参数与传感器灵敏度及固有频率的关系如图3所示，图3(a)对应梁臂厚度h，图3(b)对应梁臂宽度b，图3(c)对应梁臂长度L，图3(d)对应质量块质量m，对于每个参数的改变，固有频率与灵敏度都是呈现相反的变化趋势。结合式(4)与(5)由上述分析可知单独改变双悬臂梁结构的某一个尺寸参数是很难同时提高灵敏度与固有频率的，这也验证了前文中所说的灵敏度与固有频率之间相互制约的关系。
基于灵敏度与固有频率相互制约的问题，分析双悬臂梁灵敏度推导的过程，由式(4)可以知道应变与该截面的厚度成反比，考虑到光纤光栅的栅区是粘贴在梁表面的某个局部，那么想要灵敏度增大，则需要减小该处梁的厚度。在计算双悬臂梁的固有频率中，利用的是最右端的挠度，同时右端部分的梁的惯性矩越大，则右端挠度越小，导致最后的固有频率越大。
因此，可以考虑在双悬臂梁结构中的上梁臂右端区域增加一块同材料的补充块从而增加此区域的惯性矩，进而增加固有频率。
本实施例中，增加补充块后的双悬臂梁光纤光栅振动传感器，具体结构参考图4，包括：上梁臂、下梁臂、质量块和光纤光栅；还包括：补充块；
所述上梁臂和所述下梁臂长度相同且相互平行，所述上梁臂和所述下梁臂均包括固定端和自由端，两个固定端分别固定连接；两个自由端分别与所述质量块的一端固定连接；所述光纤光栅粘贴于所述上梁臂靠近固定端的表面；
所述上梁臂厚度薄于所述下梁臂的厚度，且所述上梁臂的自由端上表面平行固定有所述补充块；
通过减小上梁臂的厚度，增加粘贴光纤光栅的栅区处的应变；通过在上梁臂的右端区域增加补充块，增加固有频率，实现了同时增加应变和固有频率。
S2：采用有限元方法分析补充块尺寸对双悬臂梁光纤光栅振动传感器灵敏度与固有频率的影响，最终选取最优的补充块尺寸。
作为可选地实施方式，采用有限元法(FEM)，在COMSOLMultiphysics中根据表1中的尺寸参数对改进版双悬臂梁结构进行三维建模，仿真模型结构与网格划分如图5所示，其中梁体与补充块材料为304不锈钢，对应杨氏模量为1.93x1011pa，补充块的宽度与梁臂一致，质量块材料为金属钨，质量为35g，形状与改进之前保持一样。
表1.传感器结构建模参数
| 尺寸参数 | 描述 | 大小 |
| d1 | 上梁臂厚度 | 0.3mm |
| d | 下梁臂厚度 | 0.5mm |
| L | 梁臂长度 | 60mm |
| b | 梁臂宽度 | 10mm |
| d2 | 补充块厚度 | 2.7mm |
| L2 | 补充块长度 | 40mm |
假设光纤光栅与梁表面之间的应变传递理想，从式(1)可以看出，光纤光栅振动传感器的灵敏度与粘贴处的应变呈现正比例关系，也就是说相同外力作用下，梁表面的应变越大则传感器的灵敏度越大。为了简化仿真分析，所以将应变作为灵敏度的衡量标准，其中光纤光栅的应变为4mm栅区受到的平均应变，文中所说的应变均为此平均应变。
分析比较的物理参数如下：补充块的厚度d2，补充块的长度L2，将d2设定为0.2-4mm，以0.1mm为间隔进行参数扫描，L2设定为1-51mm以5mm为间隔进行参数扫描，参考图6，使用控制变量的方法研究不同尺寸的补充块对传感器结构应变与固有频率的影响。
(1)补充块厚度与长度对固有频率影响的分析
由图6(a)可知，横向看，固有频率随着补充块厚度的增加而增加，然后逐渐趋于稳定，当厚度在1.5-3mm的范围时，固有频率基本保持稳定，不随厚度的增加而发生明显的变化；纵向看，随着补充块长度的增加，固有频率的稳定值伴随着增加。根据以上情况，仅从固有频率的角度来说，补充块的厚度应选择在1.5-3.5mm的范围内，保证固有频率达到稳定值，同时应保证补充块的长度尽量的长，使固有频率的稳定值尽量的较大。
(2)补充块厚度与长度对应变影响的分析
由图6(b)可知，纵向看，补充块厚度一定时，当补充块长度在1-26mm范围内，随着补充块的长度增加，应变也是伴随着增加，并且此时的应变大于改进前的应变8.1509x10-4；当补充块的长度在26-51mm范围时，随着补充块长度的增加而应变减小，特别的在26-41mm的范围内应变大于改进前，而在46-51mm的范围内应变小于改进前，为了使应变大小优于改进前，所以补充块长度应在1-41mm范围内选择。
综上所述，结合补充块尺寸对双悬臂梁结构应变与固有频率的影响，所以较好补充块尺寸确定为长：41mm，厚1.7mm，在补充块长度为41mm时，1.7mm的厚度对应最大的固有频率。最终结构参数如表2所示。
表2.优化后双悬臂梁的尺寸参数
| 尺寸参数 | 描述 | 大小 |
| d1 | 上梁臂厚度 | 0.3mm |
| d | 下梁臂厚度 | 0.5mm |
| d2 | 补充块厚度 | 1.7mm |
| L | 梁臂长度 | 60mm |
| L2 | 补充块长度 | 41mm |
| b | 梁臂宽度 | 10mm |
S3：根据最优的补充块尺寸，对双悬臂梁光纤光栅传感器进行优化处理，得到最优的传感器结构。
图7给出了传统双悬臂梁结构与优化后的双悬臂梁结构在80Hz范围内的应变响应曲线。从图中可知，采用补充块后，双悬臂梁结构的应变有了明显提高，约为优化前的1.17倍，同时固有频率约为优化前的1.5倍，拥有更大的测量范围。
因此，本实施例提出的双悬臂梁光纤光栅振动传感器及其优化方法在原来的基础上同时提高了固有频率和灵敏度，最终通过仿真验证了所提方法的有效性和合理性。传感器的封装结构如图8所示，金属外壳与固定端基座由不锈钢制成，其他部件参数如表2中所示。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。
Claims (9)
1.一种双悬臂梁光纤光栅振动传感器，包括：上梁臂、下梁臂、质量块和光纤光栅；其特征在于，还包括：补充块；
所述上梁臂和所述下梁臂长度相同且相互平行，所述上梁臂和所述下梁臂均包括固定端和自由端，两个固定端分别固定连接；两个自由端分别与所述质量块的一端固定连接；所述光纤光栅粘贴于所述上梁臂靠近固定端的表面；
所述上梁臂厚度薄于所述下梁臂的厚度，且所述上梁臂的自由端上表面平行固定有所述补充块；
通过减小上梁臂的厚度，增加粘贴光纤光栅的栅区处的应变；通过在上梁臂的右端区域增加补充块，增加固有频率，实现了同时增加应变和固有频率。
2.如权利要求1所述的双悬臂梁光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述上梁臂的厚度为0.3mm、长度为60mm。
3.如权利要求1所述的双悬臂梁光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述下梁臂的厚度为0.5mm，长度为60mm。
4.如权利要求1所述的双悬臂梁光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述补充块的厚度为1.7mm，长度为41mm。
5.如权利要求1所述的双悬臂梁光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述上梁臂、下梁臂和补充块的材料为304不锈钢，对应杨氏模量为1.93x1011pa。
6.如权利要求1所述的双悬臂梁光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述质量块的材料为金属钨，质量为35g。
7.如权利要求1所述的双悬臂梁光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述光纤光栅在距离固定端1-5mm的范围内，光纤光栅的栅区长度4mm。
8.一种双悬臂梁光纤光栅振动传感器的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用有限元法，在COMSOLMultiphysics中根据预设尺寸参数对双悬臂梁光纤光栅振动传感器进行三维建模，得到传感器三维仿真模型；
使用控制变量的方法分析不同尺寸的补充块对传感器上梁臂应变与固有频率的影响，最终选取最优的补充块尺寸。
9.如权利要求8所述的优化方法，其特征在于，所述传感器上梁臂的应变与灵敏度成正比。
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- 2022-05-27 CN CN202210584615.8A patent/CN114993446B/zh active Active
Patent Citations (7)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114993446B (zh) | 2023-10-27 |
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