一种基于新型双轴圆弧铰链的二维FBG加速度传感器_杨建宇.pdf
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1、 :一种基于新型双轴圆弧铰链的二维 加速度传感器杨建宇,段宇星,童晓玲,梁磊,米皓坤(中兴通讯股份有限公司 全球服务工程交付部,广东 深圳 ;武汉理工大学 光纤传感技术与网络国家工程研究中心,湖北 武汉 )摘要:为了实现大跨度桥梁中拉索构件的二维(,)振动信号高精 度 测 量,本 文 设计并研究了一种小型化的新型 光纤布拉格光栅(,)加 速 度 传 感 器,以 解决现有 加速度传感器体积 与 质 量 较 大 的 问 题。所 设 计 的 加 速 度 传 感 器 主 要 由 含 有 质量 块的双轴圆弧铰链、个固定支架,以及刻有段阵列 的光纤组成。通过建立 加速度传感器的动力学普遍方程,得到 灵 敏
2、 度 与 固 有 频 率 的 理 论 数 值,另 外 辅 以 软 件 对 其 进 行有限元仿真以验证理论推导的结果。实验测试数据表明,加速度传感 器 的 固 有 频 率 约 为 ,双 的布置使其灵敏度可以达到 ,此外对称推挽的圆弧铰链设计还具有优异的横向抗干扰和温度自补偿性能。最后以某中承式钢管混凝土拱桥为实际工程案例,使用所设计的 加速度传感器实现了吊索索力的有效测量。关键词:光纤布拉格光栅();二维()加速度传感器;双轴圆弧铰链;索力测量中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,;,):(),(),:();();光 电 子 激 光第 卷 第期 年月 :收稿日期:修订日期:引言对于大跨度悬
3、索桥、斜拉桥和分 离 式 拱肋 桥的拉索构件,可采用脉动法以测量拉 索 的 固有 频率等动力特性,即拾取由风荷载等各 种 外 部因 素引起索结构的微小不规则振动。拉索的固有频率是评价桥梁索力与其健康状况的 重 要指标,而其检测与评价是一个基于实测响应的系统识别问题,重点在于利用性能优异的加速度 传 感 器获 取准确的动力响应信号。传统的压电加速度传感器和磁电速度传感器在索力脉动测试中存在灵敏度低、测试频段低、可靠性 差 等 缺 点。光 纤 布 拉 格 光 栅(,)传 感 技 术 由 于 其 抗 电 磁 干 扰 能 力强、质量轻、本质防爆和组网便捷 等 诸多优 点,在桥梁动静载测试领域中具有十分
4、广阔的应用前景。通过将 封装于特殊的机械芯体中,倾斜、振动、位移、压力与沉降等物理参量的变 化会引起 波长的线性偏移。目前,常见的 加速度传感器的结构样式有悬臂梁、膜 片 式与 柔性铰链。国内外学者关于 加速度传感器的 研 究 大 多 数 面 向 于 一 维 加 速 度 传 感 器,提出的基于个质量块和个柔性铰链的 加速度 传 感 器,以 及 提 出 的 复 合 铰链式的 加速度传感器,均只能实现单向振动的测量。王赟 与 分别基于小型铰链与对称多轴铰链结构设计了相应的二维()加 速度 传 感器,以 上 两 者的固有频 率较高,分别可以达到 与 ,但其 灵敏度分别为 与 ,无法满足脉动法测 量
5、桥 梁 拉 索 动 力 特 性 的 高 灵 敏 度 要 求。为了实现三维振动的测量,设计了一种尺寸仅为 的薄壁铰链式 加速度传感器,但其相应的方向解耦算法复杂,不便于推广至实际现场,设计传感器时还应尽量提高其横向抗干扰能力。一般而言,提升 加速度传感器的灵敏度不可避免地会压缩其服役的频响测试范围,利用段阵列 布置与双轴 圆 弧 铰 链 的 设 计 思 路 可实现灵敏度倍增的效果,且可实现温 度 自 补偿 的功能,高灵敏度且高精度的 加速度传感器可以精确地捕捉脉动测试中拉索结构中微弱的振动信号,为索力测量等桥梁健康监测工 作 提 供有 效数据。加速度传感器结构动力学分析 传感器结构设计所设计的
6、加速度传感器的核心元件是 。宽带光源入射光纤经过 时,与布拉格中心波长一致的窄带光谱将发生反射,其余波段的光谱将透射。作用于 的应变与温度会引起的线性偏移,其改变量关系可表示为:,()式中,与分别是 的应变和温度灵敏系数。中心波长为 的 应变灵敏系数约为 ,温度灵敏系数约为 ,不同波段 的灵敏度几乎一致,因此,一根光纤上可串联接入多段中心波长不一致的阵列 ,以实现准分布式测量。如图所示,为实现对待测桥梁的拉索构件双向振动监测,所设计的 加速度传感器主要由不锈钢 材质的双轴柔性铰链、质量块、底座、个固定支架,以及一根刻有段阵列 的光纤组成。每个 经预拉伸使其波长漂移 后,使用 胶水固定于质量块与
7、固定支架之间。桥梁结构振动监测信号属于中低频信号,传感器应实现温度自补偿以避免监测现场温度变化所引起 的温漂效应。加速度传感器的水平方向各有个 ,在外界振动激励下,质量块在惯性力的作用下绕着双轴圆弧铰链往复旋转,测量方向的 分别受到拉伸与压缩,因此传感器的灵敏度增大了一倍并实现了温度自补偿。而当传感器受到其余个方向的振动时,测量方向的个 均为受拉状态,理论上将其波长漂移量相减后数值为,该结构设计可以有效提升加速度传感器的横向抗干扰能力。图二维 加速度传感器结构图 第期杨建宇等:一种基于新型双轴圆弧铰链的二维 加速度传感器 传感器固有频率分析为了得到 加速度传感器的灵敏度与固有频率,选取传感器平
8、面进行分析,利用达朗伯原理与虚位移原理推导其动力学普遍方程。令、与分别为作用于质点的主动力、约束反力与惯性力合力,表达式如下:。()设质点的虚位移为,由虚位移原理则有:()。()设其质点之间的约束均为理想约束,约束反力在 虚 位 移 上 所 做 的 功 为,因 此 可 得 动 力 学 普 遍方程:()。()将 加速度传感器的双轴柔性铰链简化为理想球铰,其理想化力学模型见图,同时附加力矩以表示变形体具有一定的抵抗变形能力,力矩、转角以及转动刚度三者关系见下式:。()图自由振动下 加速度传感器的理想化力学模型 双轴圆弧铰链转动刚度的倒数为其柔度,表达式为:()()()()()()()()()()(
9、).(),()式中,表示双轴圆弧铰链半径与其厚度的比值。加速度传感器在振动激励下变形较小,其力学模型满足小变形假设,因此可认为转角满足:。()令为 弹性预应力,为质量块绕铰链的转动惯量,为质量块的惯性力矩,表示为:,(),。()由式()动力学普遍方程可得:()。()由于虚位移任意性,加速度传感器的振动方程为:()。()加速度传感器可以等效为弹簧质量系统,等效质量为转动惯量,等效刚度为()。由于加速度传感器的变形体与质量块部分是旋转体结构,因此其一阶与二阶固有频率均为:,()。()传感器灵敏度分析计算 加速度传感器的稳态强迫振动响应,需要求得 加速 度作用下的静态响应,再根据式()进行稳态强迫振
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