摘 要 本文以光纖bragg光柵為主要研究對(duì)象，針對(duì)光纖bragg光柵的力傳感技術(shù)為主要研究對(duì)象，借助模擬實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，開展對(duì)光纖bragg光柵進(jìn)行壓力實(shí)驗(yàn)，從而確定敏感元件對(duì)應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合筆者對(duì)于光纖bragg光柵的研究經(jīng)驗(yàn)，給予一定的啟示和幫助。僅供參考。

關(guān)鍵詞 力傳感技術(shù);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(diǎn)和性能受到行業(yè)內(nèi)的普遍歡迎，尤其是電絕緣性能好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏程度高等優(yōu)勢(shì)，為以機(jī)器人為代表的科技產(chǎn)業(yè)，在應(yīng)用光纖bragg光柵力傳感元件后，帶來前所未有的新體現(xiàn)、新創(chuàng)新。

1以FBG為傳感元件的彈性體結(jié)構(gòu)仿真分析

1.1 靜力學(xué)分析

借助ANSYS對(duì)測(cè)試彈性體進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過在不同方向施加不同方向的力，并對(duì)彈性體應(yīng)力變化情況進(jìn)行計(jì)算，了解彈性體應(yīng)力的具體情況后，可以發(fā)現(xiàn)彈性體的外表面應(yīng)變最為明顯。由此可見，對(duì)四條彈性梁的外表面粘貼FBG，從而實(shí)現(xiàn)彈性體在模擬實(shí)驗(yàn)中可以得到較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)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(jì)算出FBG內(nèi)部中心波長的偏移情況。通過對(duì)彈性體受單維力方向力進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合彈性指標(biāo)以及在工業(yè)機(jī)器人手臂中的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，其測(cè)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(jì)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(shí)，彈性體的靈敏度值[1]。

1.2 模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)共振以及某種頻率進(jìn)行振動(dòng)，對(duì)于彈性體的影響巨大，因此需要對(duì)相關(guān)情況有效規(guī)避，同時(shí)借助對(duì)彈性體進(jìn)行模態(tài)分析，從而計(jì)算出其固有頻率以及相關(guān)特征的陣型分析。通過對(duì)彈性體相關(guān)數(shù)據(jù)的分析和研究，當(dāng)彈性體受到單維力或者力矩時(shí)，在不同階段其固有頻率對(duì)彈性體的應(yīng)力方向都會(huì)造成一定的影響。另外，由于結(jié)構(gòu)與約束情況的影響，導(dǎo)致彈性體頻率相同、陣型結(jié)構(gòu)相同。

2基于光纖bragg光柵的測(cè)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(diào)節(jié)模塊以及Visual Studio 2019軟件中開展對(duì)應(yīng)的測(cè)力系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理為，利用寬帶光源將激勵(lì)光射入到FBG中，當(dāng)外界中的作用力應(yīng)用到彈性體上時(shí)，彈性梁的敏感元件會(huì)產(chǎn)生一定的拉壓作用，進(jìn)而導(dǎo)致敏感元件的FBG中心波發(fā)生一定程度的變化，同時(shí)產(chǎn)生的光信號(hào)，通過調(diào)試解調(diào)模塊后，可以將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的記錄、分析、采集。由此可見，F(xiàn)BG波長的變化情況，與彈性體內(nèi)部的中心波長、彈性體材料、彈性體外力應(yīng)用情況等相關(guān)因素具有緊密的聯(lián)系，當(dāng)對(duì)彈性體結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定時(shí)，可以根據(jù)FBG中心波長的偏移距離，有效測(cè)算出彈性體的受力情況，確定其受力的數(shù)值。

3基于光纖bragg光柵的彈性體結(jié)構(gòu)模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 彈性體結(jié)構(gòu)

彈性體的材料，以304不銹鋼為主要實(shí)驗(yàn)材料，其基本的幾何參數(shù)為，材料A屬于弓形梁結(jié)構(gòu)，其中長度外半徑為70毫米，寬度內(nèi)半徑為10毫米，厚度為2毫米;材料B屬于圓環(huán)結(jié)構(gòu)，其中長度外半徑為70毫米，寬度內(nèi)半徑為32毫米，厚度為4毫米。彈性體如圖一所示。通過對(duì)彈性體仿真測(cè)試分析得出，當(dāng)彈性體受到不同方向的單維力或者力矩時(shí)，結(jié)合彈性梁的應(yīng)變情況，可以有效計(jì)算出彈性梁外表面FBG的中心波長的具體偏移數(shù)值，通過對(duì)彈性梁不停位置進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)得知，當(dāng)彈性體上表面，受到固定方向的單維力時(shí)，其中彈性體的四個(gè)梁的受力情況較為一致，因此，對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)化，以其中一條彈性梁進(jìn)行分析，從10N循序漸進(jìn)加力到80N，從而確定FBG中心波長的實(shí)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(guān)聯(lián)，根據(jù)相應(yīng)的關(guān)系，可以計(jì)算出彈性體的靈敏度以及擬合率。需要注意的是，在實(shí)驗(yàn)中由于對(duì)FBG無法做到嚴(yán)格的密封，從而無法去除溫度以及焊接工藝等相關(guān)內(nèi)容對(duì)于材料的影響程度，因此，在實(shí)際的測(cè)試成績中，光纖光柵的靈敏度對(duì)比彈性體的靈敏度相差較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)用價(jià)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(yīng)影響、極化不敏感、易于與光纖系統(tǒng)連接、便于使用和維護(hù)、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(chǎn)，成本低，因此它具有良好的實(shí)用性，其優(yōu)越性是其他許多器件無法替代的。

5結(jié)束語

本文分析了以FBG為傳感元件的彈性體，并且設(shè)計(jì)出基于光纖Bragg光柵的測(cè)試系統(tǒng)，通過建立對(duì)應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步表明弓形彈性體對(duì)于測(cè)量不同方向的力或者力矩，具有極強(qiáng)的敏感度以及穩(wěn)定性，具有很好的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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

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

作者簡(jiǎn)介

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