光纖加速度計(jì)靈敏度仿真分析

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1、光纖加速度計(jì)靈敏度仿真分析 光纖加速度計(jì)靈敏度仿真分析 2016/05/08 《半導(dǎo)體光電雜志》2016年第一期 摘要： 闡述了光纖加速度計(jì)的工作原理，利用有限元方法得到光纖加速度計(jì)兩彈性柱體外半徑上節(jié)點(diǎn)的徑向形變?chǔ)ぃ?，并通過公式計(jì)算得出加速度靈敏度值３９．６９ｄＢ（０ｄＢ＝１ｒａｄ／ｇ），最后依據(jù)仿真得到的結(jié)構(gòu)材料參數(shù)，研制了光纖加速度計(jì)，并測(cè)得其加速度靈敏度為３９．４３ｄＢ，與仿真結(jié)果相差０．２６ｄＢ，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果相吻合。研

2、究結(jié)果表明，利用有限元方法對(duì)光纖加速度計(jì)加速度靈敏度性能進(jìn)行仿真具有一定可行性，該研究對(duì)芯軸式推挽型光纖加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和廣泛應(yīng)用具有重要的理論指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵詞： 光纖加速度計(jì)；有限元分析；加速度靈敏度；等效模型 光纖加速度計(jì)具有靈敏度好、精度高、動(dòng)態(tài)范圍廣、能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境并且有利于遠(yuǎn)距離勘測(cè)的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于海事、航天等各領(lǐng)域。國內(nèi)外對(duì)各種結(jié)構(gòu)的光纖加速度計(jì)很早以前就開始了深入的研究，目前已大量應(yīng)用的光纖加速度計(jì)普遍采用光纖干涉儀結(jié)構(gòu)［１－２］，通過對(duì)光在光纖中傳播的光程量變化的測(cè)量，以電信號(hào)的形式表現(xiàn)出來，最后換算成加速度。

3、 １主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)果 １．１光纖加速度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理基本結(jié)構(gòu)及工作原理是：Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ干涉儀的兩光纖臂分別纏繞在與質(zhì)量塊粘接的上下兩彈性柱體上，當(dāng)系統(tǒng)受到平行于柱體軸向的加速度矢量作用時(shí)，由于質(zhì)量塊的慣性作用，兩彈性柱體在軸向上將分別受到大小相等、方向相反的壓縮和拉伸力，導(dǎo)致柱體徑向上的膨脹和收縮，進(jìn)而引起纏繞在彈性柱體上的光纖臂一個(gè)伸長(zhǎng)，一個(gè)縮短，兩束光經(jīng)過光纖末端反射后，回到耦合器處進(jìn)行干涉，最后對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和處理，就可獲得相位差。當(dāng)系統(tǒng)受到平行于柱體徑向加速度作用時(shí)，兩柱體將產(chǎn)生相同的形變，從而致使相位差變化為零，因此加速度計(jì)所敏感的只是加速

4、度在彈性柱體軸向上的分量，從而實(shí)現(xiàn)矢量探測(cè)［２］。加速度相位靈敏度是表征光纖加速度計(jì)性能的重要參數(shù)，可定義為由加速運(yùn)動(dòng)引起的探頭的干涉儀兩臂的相位差Δ與水聽器運(yùn)動(dòng)的加速度變化量的比值。 １．２等效模型的建立采用ＡＮＳＹＳ進(jìn)行有限元仿真的步驟為首先建模、設(shè)置單元類型和材料屬性，緊接著劃分網(wǎng)格并且施加載荷，最后求解。表１列出了建模所需的結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)。表１為上下兩彈性柱體和中間質(zhì)量塊的幾何參量和材料特性。纏繞于彈性柱體上的光纖包含纖芯、包層和涂覆層，為了在誤差允許范圍內(nèi)簡(jiǎn)化所建立的模型，提高計(jì)算效率，在建模時(shí)可把光纖等效成包圍在基元的外側(cè)的具有一定厚度的薄層［６－７］。表２為纏繞

5、在彈性柱體外圍的光纖各組成部分的幾何參量和材料特性。按照以上所列的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)建立平面有限元模型，由于光纖加速度計(jì)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此可以取探頭的一半結(jié)構(gòu)，通過對(duì)基元部分分析求解得到整體分析結(jié)果，這樣可以簡(jiǎn)化模型、減少計(jì)算時(shí)間并提高計(jì)算效率。圖２為兩端固定的加速度計(jì)的等效模型。 １．３探頭的加速度靈敏度仿真建立完平面模型后，首先根據(jù)ＡＮＳＹＳ設(shè)置單元類型的規(guī)則，設(shè)置基元的單元類型為ｓｏｌｉｄ１８３，再參照上節(jié)參數(shù)定義平面模型的材料屬性并劃分網(wǎng)格，最后根據(jù)要施加的加速度大小來設(shè)定模型的邊界條件和載荷［８－９］。本文采用瞬態(tài)位移加載的方法加載加速度，因其為上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此可將位移

6、加載在質(zhì)量塊中心對(duì)稱位置，同時(shí)采用瞬態(tài)求解的方法進(jìn)行分析，位移加載的頻率為１００Ｈｚ，設(shè)定時(shí)間末端０．０５ｓ，步長(zhǎng)３２０步。圖３為加載過程中兩柱體外半徑上，上下位置對(duì)稱的兩節(jié)點(diǎn)３７６和１１０２隨時(shí)間變化的徑向位移圖，由圖可知，每一時(shí)刻上下對(duì)稱位置節(jié)點(diǎn)的徑向形變大小相等，方向相反。取第五個(gè)周期中，加速度方向向上、大小為１ｇ時(shí)上下兩個(gè)柱體外半徑上節(jié)點(diǎn)的總徑向形變分別是。 １．４實(shí)驗(yàn)為了對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行論證，我們根據(jù)理論分析選定的幾何參數(shù)研制了光纖加速度計(jì)樣品，并對(duì)其在頻率為２０～１０００Ｈｚ內(nèi)的加速度靈敏度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖５所示。實(shí)驗(yàn)中，光纖長(zhǎng)度Ｌ＝２４ｍ，光源波長(zhǎng)λ＝１５５０μｍ，ｎ＝１．４５６，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分析得到，加速度相移靈敏度平均值為３９．４３ｄＢ。而利用有限元仿真得到的加速度靈敏度值為３９．６９ｄＢ，因此，在一定的工作頻帶內(nèi)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的靈敏度與理論分析的結(jié)果基本吻合。 ２結(jié)論 本文建立了有限元模型，并以此模型為基礎(chǔ)對(duì)光纖加速度計(jì)的加速度靈敏度進(jìn)行仿真分析，同時(shí)研制了一批探頭對(duì)仿真分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果指出，利用有限元方法對(duì)光纖加速度計(jì)的加速度靈敏度性能進(jìn)行仿真具有一定可行性，本文的研究對(duì)芯軸式推挽型光纖加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和廣泛應(yīng)用提供了重要的理論指導(dǎo)。