2022年电子教材-ANSYS在光纤Bragg光栅加速度计设计中的应用 .pdf

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1、名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 6 页 -名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 6 页 -名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 6 页 -ANSYS在光纤Bragg光栅加速度计设计中的应用作者：姜德生，陈大雄，粱磊作者单位：武汉理工大学,光纤传感技术研究中心,湖北,武汉,430070刊名：传感器技术英文刊名：JOURNAL OF TRANSDUCER TECHNOLOGY年，卷(期)：2004，23(11)引用次数：1次参考文献(4条)1.许兆文.盛秋琴.施可彬.董孝义.刘志国.梁龙彬.童峥嵘.夏秀兰 光纤光栅振动传

2、感实验研究期刊论文-南开大学学报(自然科学版)2001(2)2.陈精一.蔡国忠 电脑辅助工程分析ANSYS使用指南 20013.姜德生.Clause 智能材料与结构器件 20004.南京航空学院.北京航空学院传感器原理 1980相似文献(10条)1.学位论文陈大雄 光纤Bragg 光栅加速度传感器动态特性的研究2004 随着航空、航天、海洋工程、石油和土木等大型结构系统技术的发展,其动力学问题日益复杂,必须对其进行高质量的动态测试和分析,以确保工程安全和经济合理.目前广泛使用的电磁类加速度传感器已经远不能满足这些要求.光纤光栅传感技术作为一种全新的传感技术,具有电磁类传感技术所无法企及的诸多优

3、点.研究和开发新型的光纤光栅加速度传感器具有十分重要的意义.该文系统地研究了光纤光栅传感技术实现加速度测量的基本原理和技术,为光纤光栅传感技术实现动态测试测量奠定了一定的理论基础,对光纤光栅振动传感器设计分析和应用具有指导意义.1、提出了光纤光栅加速度传感器的设计和优化方法.系统地研究了光纤光栅传感技术实现动态测试的原理,通过建立加速度传感器结构的动力学模型,分析了光纤光栅加速度传感器动态响应特性,提出了光纤光栅传感器结构动力学参数的基本实现技术.2、提出了光纤光栅加速度传感器的原理性结构,对其进行了解析法和有限元法分析,并对理论分析结果进行了实验验证,证明了有限元法在光纤光栅加速度传感器设计

4、中的有效性.3、该文以大型桥梁和建筑结构的健康监测为背景,设计了一种新型的低频高灵敏度光纤光栅加速度传感器.使用通用有限元软件 ANSYS,建立了静态和动态特性的分析方法,并利用 APDL 语言编写了分析程序,对这种结构的传感器进行了优化设计和静态、动态特性分析.分析结果表明此种结构的具有:1)横向灵敏度小,X、Z方向的横向灵敏度均不到敏感方向的 2;2)在敏感方向上,一阶模态起主导作用,其它模态的影响较小,有利于减小交叉耦合的影响;3)当阻尼比为 0.3-0.7 时,传感器具有较好的动态特性.2.期刊论文李明.刘志愿.傅海威.乔学光.丁锋 一种光纤Bragg 光栅流量传感器二维数值模拟研究-

5、光通信技术2009,33(10)提出了一种双光纤 Bragg 光栅流量传感器模型,应用有限元软件 ANSYS对模型进行了二维模拟,模拟说明流体流量和 FBG2 的光纤布喇格光栅中心波长漂移量之间有良好的关系.尤其在测量流量大于 0.01m3/s 时,FBG2 的布喇格中心波长漂移量和流量有很好的线性度,达到0.9920,灵敏度达到12.017nm/(m3/s).3.学位论文邓凡平 光纤Bragg 光栅低温传感特性与高场超导磁体应力/应变有限元模型的研究2007 本课题按照国家自然科学基金资助项目的安排，着重从两个方面开展相关研究：一是研究光纤Bragg 光栅在低温环境中的传感特性，包括温度传感

6、特性和应变传感特性；二是研究在商用有限元软件ANSYS中如何为高场超导磁体建立二维弹性和二维弹塑性模型。本文首先介绍了光纤 Bragg 光栅的传感原理，然后分别研究了 77K 到286K 范围内光纤 Bragg 光栅的温度传感性能以及 77K 下光纤 Bragg 光栅的应变传感性能。总体说来，在低温环境中，光纤Bragg 光栅的传感性能会变坏，尤其是应变传感时，低温环境带来的多峰现象使其传感性能变得尤其恶劣。但在研究过程中，通过建立多种技术手段有效改善了光纤 Bragg 光栅的传感性能。本文还介绍了自行研制的光纤Bragg 光栅应变定标装置，并利用该装置为两根光纤进行了应变定标。另外本文重点介

7、绍了液氦环境中对光纤 Bragg 光栅传感特性进行探索性研究的情况，并分析了4.2K到296K 范围内光纤 Bragg 光栅的温度传感特性，还总结了光纤 Bragg 光栅液氦实验的特点并提出一些改进建议。本文讨论了建立高场超导磁体的 2维弹性模型和 2维弹塑性模型的问题。基于 ANSYS仿真平台，确立了耦合场计算的方法和仿真流程。对于弹性模型，为一个实际的1MJ 超导储能磁体建立了包括支持装置在内的各项异性材料的详细模型，并计算了该磁体的应力/应变；对于弹塑性模型，首先结合超导磁体的特点介绍了弹塑性力学相关知识，然后为一个23T 螺管磁体建立了弹塑性模型并分析了计算结果。4.会议论文王艳.闫卫

8、平 基于不同材料的光纤Bragg 光栅压力传感器设计2007 本文利用 ANSYS软件和有限元分析方法,对铜和 1Cr18Ni9 不锈钢两种材料在均匀分布压力下的受力情况进行了模拟仿真,并据此设计了光纤 Bragg 光栅压力传感器。在 040Mpa 的测量范围内,分别对两种材料制作的光纤 Bragg 光栅传感器的压力特性进行测试,实验结果表明:相同的设计尺寸下,铜材料制作的光纤 Bragg 光栅压力传感器的灵敏度为 0.0625nm/Mpa,不锈钢材料制作的光纤光栅压力传感器的灵敏度为0.032nm/Mpa,二者的线性度、重复性良好。实验中将封装好的传感器常温 21h 固化后,经过高温 130

9、 处理，压力灵敏度系数和中心波长均有变化。5.学位论文黄雪峰 光纤Bragg 光栅测量理论及其在动力工程中应用的研究2008 随着对动力需求的提高，大型动力设备的应用越来越多，保障其运行的安全性和经济性首当其冲，因此动力设备的在线和间歇健康状态监测成为一个重要而必不可少的组成部分。同时，其监测所得数据为设备设计和优化运行提供可参考的依据。对于动力设备健康安全运行，需要先进的测量和监测手段，以保证及时维护和整治，避免重大事故发生。针对动力设备安全监测、经济运行，本文采用光纤Bragg 光栅(Fiber Bragggrating，FBG)智能传感元件，研究其传感理论和特性，实验研究FBG 温度和应

10、变传感特性，并制作出 FBG 振动模态传感器、FBG 相对湿度传感器、FBG 折射率传感器、FBG 液体浓度传感器、FBG 气体浓度传感器以及解调和测试系统。为动力设备振动特性、腐蚀特性、噪音特性、温度和应力、泄漏、烟气成分、浓度和湿度等参数的监测提供有效手段。首先，本文研究了 FBG 的传感理论和特性，采用传输矩阵法对FBG 反射光谱进行理论计算，充分认识和了解其温度和应变传感机理。计算结果表明折射率和光栅长度对FBG 反射光谱影响很大。实验测试了 FBG 的温度和应变传感特性，其温度和应变灵敏度分别为10.2pm/和0.9742pm/研究了多种 FBG 波长解调方法，包括光谱仪直接测量、基

11、于波分复用器的边缘滤波法和可调谐窄带激光法等。其次，本文采用 FBG 对悬臂梁模态频率进行测量，对悬臂梁振动特性进行分析。同时采用模态分析系统(CRAS)对悬臂梁的振动特性进行测量，有限元软件(ANSYS)对悬臂梁的振动特性进行理论计算。三种方法的结果相同，证实基于FBG 的测量方法可靠。然后利用 FBG 来测量汽轮机叶片在有无约束时的模态频率，结果表明FBG 的测量方法可靠，从而引导 FBG 测量技术在动力工程中振动特性测量的应用开展。然后，本文采用 FBG 结合聚酰亚胺湿敏材料进行相对湿度测量。湿敏材料涂覆在 FBG 表面，湿敏材料把相对湿度的变化转化为应变的变化，作用于FBG，导致 FB

12、G 特征波长发生变化，实现相对湿度传感。对湿敏材料、FBG 湿度传感头、测试系统以及传感头的响应特性进行研究。实验结果表明当湿敏材料厚度为8m 时，湿度和温度灵敏度分别为-0.266mV/RH 和-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 6 页 -24.91mV/，响应时间仅为 5s，为开展烟气湿度、氢气湿度、煤炭湿度等的测量打下基础。再次，本文利用 FBG 和倏逝场吸收原理测量折射率。通过腐蚀变薄 FBG 所在的光纤包层，使得光纤纤芯传输光的倏逝场暴露于环境中，外界环境折射率变化引起FBG 有效折射率变化，导致光栅的反射波长发生漂移，从而通过检测波长漂移实现折射率传感。

13、当包层厚度为17 m 时，折射率灵敏度为 3.40V/RIU。利用制作的变薄 FBG 折射率传感器应用于测量几种具有代表意义的化学物质(酸、醇、糖类)浓度，其浓度测量范围为 0至饱和浓度，而且应用于纳米流体浓度测量。采用U 型结构 FBG 来实现对折射率的增敏，相比直的变薄 FBG，其灵敏度提高了 25。另外，针对微结构和微流体测量技术，本文研究了微结构FBG，实现对折射率和浓度测量。对微结构FBG 的反射光谱进行数值模拟，结果表明微结构长度、深度、位置对反射光谱影响很大，其结果为微结构设计提供参考依据。采用包覆法和三层溶液法制作微结构，研究制作方法与工艺，开展折射率传感等实验研究。当微结构在

14、光栅中间位置，长度为800 m，包层直径为 14 m 时，折射率测量范围为1.331.457，随着折射率增大，透射峰峰值所在的波长随之增大，折射率灵敏度为0.79nm/RIU。对于目前波长解调分辨率为 1pm，传感器的折射率最小分辨率可达 1.210-3。采用包覆法制作双微结构 FBG，可实现温度和折射率(浓度)同时测量。最后，本文利用 FBG 的可调谐滤波特性来进行气体浓度测量。结合气体吸收理论，搭建了基于FBG 的气体浓度测试系统，分别对 CO 和C2H2 气体浓度测量进行了实验研究，获得气体吸收特性，光谱吸收峰特征。实验结果表明 CO 和C2H2 气体一最大吸收峰值波长分别为 1546.

15、6nm 和1531.52nm。结合 FBG 可调谐范围宽和易复用的优势，可以实现同时对多种气体识别以及气体浓度进行测量。根据上述的研究，本文寄予把 FBG 测量技术引入到动力工程研究领域，为动力设备安全监测和经济运行提供一种新的测试手段。6.学位论文李清娜 光纤Bragg 光栅振动传感技术研究2007 在航空、航天、石油、海洋、桥梁、建筑等领域中亟待解决振动传感测量问题,以确保大型工程结构的安全性,然而目前常用的电磁类加速度传感器难以满足测量要求.光纤Bragg 光栅(FBG)传感器是近年来发展极其迅速的一种光纤传感器,它具有不受电磁干扰、灵敏度高、重量轻、结构紧凑等特点.研究以加速度为主的

16、FBG 振动传感技术具有十分重要的意义.本论文提出了一种基于等强度梁的 FBG 振动传感测量方案,并对该方案进行了理论分析及实验研究.论文的主要内容包括以下四方面:第一,简要介绍了常用的振动传感器和光纤传感器的特点以及FBG 振动传感器的研究及发展现状.第二,概述了 FBG 的制作方法、传感原理和 FBG 传感器常用的波长解调方法,并详细分析了各种解调方法的优缺点.第三,设计了基于 凸形截面梁和等强度梁的两种 FBG 振动传感方案,分别分析了两种梁的应变传感理论,并用ANSYS软件对 凸形截面梁进行了优化设计和模态分析.在分析比较两种传感方案优缺点的基础上,最终确定了基于等强度梁的 FBG 振

17、动传感方案.第四,实验研究了 FBG 应变、振动传感特性,并对实验结果进行了分析.在FBG 应变传感实验中,先后将三种参数不同的 FBG 粘贴在梁的不同位置进行应变传感测量,再将双 FBG 分别粘贴在梁的上下表面以补偿温度变化对应变传感测量的影响.在此基础上,先后用单 FBG 和双FBG 进行了振动传感实验研究.研究结果表明:采用单 FBG 时,振动系统的灵敏度为 0.098pm/g,系统固有频率为113.2Hz,可测加速度的范围为 10.193g 244.623g；采用双 FBG 的测量系统能够很好地对温度进行补偿,振动系统的灵敏度为 0.196pm/g,系统可测加速度的范围为 5.096g

18、 254.816g.7.学位论文王川 基于光纤布拉格光栅的大体积混凝土固化过程研究2004 随着大型桥梁、建筑物大型基础及大坝工程的日益增多,大体积混凝土的应用日益广泛,随之而来的温度场、温度应力及混凝土开裂问题越来越引起人们的重视.通常情况下,对于大体积混凝土温度场的测试多采用热电偶类的传感元件;对于应力场多为根据温度场结合混凝土自身的热力学性质进行计算.温度监测是否准确和可靠、应力计算时参数的取值是否合理等问题就显得非常重要.该文依据新型传感元件光纤 Bragg 光栅,针对不同的应用环境,自行研究封装多种不同形式的土木结构用传感器,在实验室进行了模拟大体积混凝土早期固化过程芯部状态的温度及

19、应变发展的实时监测试验,并在工程现场进行了大体积混凝土结构的早期温度场监测工作;同时又在实验室进行了混凝土的温度匹配养护试验,探讨了混凝土材料在不同温度匹配养护条件下各项力学性能(抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量、劈裂抗拉强度)随龄期的发展变化情况;通过以上参数来判定混凝土的内部应力及开裂状况.研究结果表明:应用光纤 Bragg 光栅来监测混凝土内部温度及应变变化准确、可靠,并通过监测应变变化成功地捕捉到裂缝的出现状况;在温度匹配养护条件下,混凝土的弹性模量发展变得不稳定,对于早期裂缝的出现影响显著,其他力学参数变化规律明显;应用有限元软件 ANSYS对大体积混凝土结构温度场及应力场的分布进行

20、数值模拟分析计算时,边界参数的选取对于计算结果影响很大,结合实际监测结果反推一些热力学参数具有重要的现实意义.通过对大体积混凝土进行温度监测、应变监测、匹配养护及数值模拟分析,我们对大体积混凝土在施工状况中的状态有了更多的认识和了解,为今后的研究工作和工程施工提供了基础.8.学位论文张金 FBG 的制作及其压力传感研究2008 光纤Bragg 光栅(FBG)是沿光纤轴向在光纤内形成周期性折射率调制分布的一种新型光纤无源器件，由于其在光纤通信和传感领域有广泛的应用前景，因此受到高度重视。其中，FBG 因具有高灵敏度、体积小、抗电磁干扰、波长编码、易于阵列等优点，已成为目前最具有发展前途的光纤传感

21、器件之一。利用 FBG 传感器实现恶劣条件下的高温高压参数的测量是目前光纤传感领域的研究热点。本文在阐述 FBG 的模式理论和传感原理的基础上，根据实验室现有条件，对普通单模石英光纤进行了掺氢处理，利用相位掩模法制作了FBG。通过实验研究了激光脉冲能量、脉冲频率、曝光时间和退火对FBG 写入的影响，得到了利用相位掩模和紫外写入技术制备FBG 的最佳工艺条件，并对所制作的 FBG 进行了温度和应变特性分析。利用弹性应变筒原理，设计了用于高温高压测量的、投入式的、双层金属筒式结构的FBG 压力传感头。并使用有限元分析软件 ANSYS，对使用四种不同材料(高弹性不锈钢1Cr18Ni9、低碳钢 Q23

22、5、铜、铝)、不同结构尺寸(壁厚分别为 1.0mm 和1.5mm)制作的薄壁筒在均匀分布压力下的受力和形变进行了仿真分析，验证了结构设计的合理性。通过计算得出，采用不锈钢1Cr18Ni9 材料制备的应变筒所能承受的最大压力理论上达到63Mpa。利用参考光栅法有效解决了交叉敏感问题。实验测得传感器的压力测量范围为 O 42Mpa，温度 20 230，压力灵敏度、线性度和重复性良好，达到了项目的设计要求。为了解决 FBG 与传感结构的有效结合，实现高温下压力参数的稳定测量，本文采用了金属化封装的光栅进行测试研究，得到了理想的测量结果。9.期刊论文周红.乔学光.王宏亮.冯德全.王炜.ZHOU Hon

23、g.QIAO Xue-guang.WANG Hong-liang.FENG De-quan.WANG Wei Al2O3 薄壁管FBG 高温高压传感器性能研究-光电子激光 2008,19(1)用有限单元方法建立了 Al2O3 薄壁管模型,分析了模型在外部受到均匀压力时的应力应变关系.借助ANSYS软件计算出模型的应力和应变.以上述薄壁管为衬底,设计制作了耐压为 045 MPa、温度为-10300、压力灵敏度系数为 0.042 6 nm/MPa 和温度灵敏度系数为 0.011 2 nm/的光纤 Bragg 光栅(FBG)高温、高压传感器,并对其性能进行了测试.结果表明,传感器的压力、应变灵敏度的

24、有限元分析结果与实验测试结果非常吻合.10.学位论文裴福俊 基于捷联基准及变形测量的分布式姿态基准系统研究2005 本文针对船用设备与观测系统对分立的捷联式局部姿态基准(简称局部基准)的数量和精度要求的不断提高，提出了分布式捷联姿态基准及变形测量系统(简称分布式姿态基准系统)的设计思想，该系统由分布在船舶甲板平面上的有限个捷联式局部姿态基准和挠曲姿态测量系统组成，由它提供的姿态信息的精确度和可靠性将比原有的分立式的捷联姿态基准系统有了很大提高，在大型船舶姿态基准方面具有很大的实用价值和先进性。本文的主要工作有以下几部分：1.船舶挠曲姿态信息的测量系统设计 分布式姿态基准系统中的局部基准通常远离

25、测量点，因此局部基准安装点与测量点之间存在挠曲姿态误差必须予以校正。本文中利用两种方法解决这个问题：(1)基于光纤 Bragg 光栅(FiberBraggGrating，简称 FBG)的挠曲姿态测量方法：通过对分布式 FBG 的测量原理和应变模态分析理论的结合，建立了船舶甲板挠曲姿态测量系统，利用ANSYS进行了仿真研究，并通过整体系统实验对该方法进行了试验验证；(2)基于三轴陀螺仪的挠曲姿态测量方法在分布式姿态基准系统中的应用：此方法是利用安装在测量点附近的三轴陀螺仪的输出信息和布置在甲板上的各个局部基准的陀螺仪输出信息有效估计出测量点和局部基准安装点之间的挠曲姿态误差，本文中对该算法进行了

26、半物理仿真研究。2.分布式姿态基准系统中信息融合及重组研究 分别基于 FBG 的挠曲姿态测量方法和基于三轴陀螺仪的挠曲姿态测量方法建立了分布式姿态基准系统的信息融合模型。然后针对分布式姿态基准系统的信息融合模型，将三种信息融合方法应用于分布式姿态基准系统中，并进行了仿真研究。3.分布式姿态基准系统中实时通信网络的设计 为了在分布式姿态基准系统中实现实时、可靠及准确的通信，本文中采用实时通信网络的方法建立了分布式姿态基准系统的通信平台。首先设计实现了时间同步模块产生统一的时钟信号，各个局部基准的惯性传感器和挠曲姿态测量传感器接收并以此信号作为采样同步脉冲。分别在Windows2000分时操作系统

27、和 VxWorks 实时嵌入式操作系统下建立了基于 TCP/IP 协议的实时网络通信平台。并对两种网络通信平台的实时性和可靠性进行了分析比较。4.分布式姿态基准系统的整体系统仿真及试验验证 受试验条件的限制，本文中首先对利用数台计算机分别模拟局部基准、挠曲姿态测量系统和综合信息处理装置对分布式姿态基准系统进行了整体系统仿真。最后利用简化的甲板模型对分布式姿态基准系统进行了静态的试验验证。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 6 页 -引证文献(1条)1.沈洋.孙利民 高灵敏度温度自补偿型光纤光栅加速度传感器设计期刊论文-结构工程师 2009(2)本文链接：http:/ 年1月18日名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 6 页 -