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光纤加速度计灵敏度仿真分析

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《半导体光电杂志》2016年第一期

摘要:

阐述了光纤加速度计的工作原理,利用有限元方法得到光纤加速度计两弹性柱体外半径上节点的径向形变ΔR,并通过公式计算得出加速度灵敏度值39.69dB(0dB=1rad/g),最后依据仿真得到的结构材料参数,研制了光纤加速度计,并测得其加速度灵敏度为39.43dB,与仿真结果相差0.26dB,实验数据与仿真结果相吻合。研究结果表明,利用有限元方法对光纤加速度计加速度灵敏度性能进行仿真具有一定可行性,该研究对芯轴式推挽型光纤加速度计的结构设计和广泛应用具有重要的理论指导意义。

关键词:

光纤加速度计;有限元分析;加速度灵敏度;等效模型

光纤加速度计具有灵敏度好、精度高、动态范围广、能适应各种恶劣环境并且有利于远距离勘测的特点,可广泛应用于海事、航天等各领域。国内外对各种结构的光纤加速度计很早以前就开始了深入的研究,目前已大量应用的光纤加速度计普遍采用光纤干涉仪结构[1-2],通过对光在光纤中传播的光程量变化的测量,以电信号的形式表现出来,最后换算成加速度。

1主要研究内容与结果

1.1光纤加速度计的基本结构及工作原理基本结构及工作原理是:Michelson干涉仪的两光纤臂分别缠绕在与质量块粘接的上下两弹性柱体上,当系统受到平行于柱体轴向的加速度矢量作用时,由于质量块的惯性作用,两弹性柱体在轴向上将分别受到大小相等、方向相反的压缩和拉伸力,导致柱体径向上的膨胀和收缩,进而引起缠绕在弹性柱体上的光纤臂一个伸长,一个缩短,两束光经过光纤末端反射后,回到耦合器处进行干涉,最后对干涉信号进行检测和处理,就可获得相位差。当系统受到平行于柱体径向加速度作用时,两柱体将产生相同的形变,从而致使相位差变化为零,因此加速度计所敏感的只是加速度在弹性柱体轴向上的分量,从而实现矢量探测[2]。加速度相位灵敏度是表征光纤加速度计性能的重要参数,可定义为由加速运动引起的探头的干涉仪两臂的相位差Δ与水听器运动的加速度变化量的比值。

1.2等效模型的建立采用ANSYS进行有限元仿真的步骤为首先建模、设置单元类型和材料属性,紧接着划分网格并且施加载荷,最后求解。表1列出了建模所需的结构和材料参数。表1为上下两弹性柱体和中间质量块的几何参量和材料特性。缠绕于弹性柱体上的光纤包含纤芯、包层和涂覆层,为了在误差允许范围内简化所建立的模型,提高计算效率,在建模时可把光纤等效成包围在基元的外侧的具有一定厚度的薄层[6-7]。表2为缠绕在弹性柱体外围的光纤各组成部分的几何参量和材料特性。按照以上所列的材料和结构参数建立平面有限元模型,由于光纤加速度计为轴对称结构,因此可以取探头的一半结构,通过对基元部分分析求解得到整体分析结果,这样可以简化模型、减少计算时间并提高计算效率。图2为两端固定的加速度计的等效模型。

1.3探头的加速度灵敏度仿真建立完平面模型后,首先根据ANSYS设置单元类型的规则,设置基元的单元类型为solid183,再参照上节参数定义平面模型的材料属性并划分网格,最后根据要施加的加速度大小来设定模型的边界条件和载荷[8-9]。本文采用瞬态位移加载的方法加载加速度,因其为上下对称结构,因此可将位移加载在质量块中心对称位置,同时采用瞬态求解的方法进行分析,位移加载的频率为100Hz,设定时间末端0.05s,步长320步。图3为加载过程中两柱体外半径上,上下位置对称的两节点376和1102随时间变化的径向位移图,由图可知,每一时刻上下对称位置节点的径向形变大小相等,方向相反。取第五个周期中,加速度方向向上、大小为1g时上下两个柱体外半径上节点的总径向形变分别是。

1.4实验为了对仿真结果进行论证,我们根据理论分析选定的几何参数研制了光纤加速度计样品,并对其在频率为20~1000Hz内的加速度灵敏度进行了实验测试,测试结果如图5所示。实验中,光纤长度L=24m,光源波长λ=1550μm,n=1.456,由实验数据可以分析得到,加速度相移灵敏度平均值为39.43dB。而利用有限元仿真得到的加速度灵敏度值为39.69dB,因此,在一定的工作频带内,实验测得的灵敏度与理论分析的结果基本吻合。

2结论

本文建立了有限元模型,并以此模型为基础对光纤加速度计的加速度灵敏度进行仿真分析,同时研制了一批探头对仿真分析结果进行实验验证。研究结果指出,利用有限元方法对光纤加速度计的加速度灵敏度性能进行仿真具有一定可行性,本文的研究对芯轴式推挽型光纤加速度计的结构设计和广泛应用提供了重要的理论指导。

作者:肖昭 罗洪 熊水东 单位:国防科学技术大学 海洋科学与工程研究院

半导体光电杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次