光纖加速度計靈敏度仿真分析

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1、光纖加速度計靈敏度仿真分析 光纖加速度計靈敏度仿真分析 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的工作原理，利用有限元方法得到光纖加速度計兩彈性柱體外半徑上節(jié)點的徑向形變ΔＲ，并通過公式計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，并測得其加速度靈敏度為３９．４３ｄＢ，與仿真結(jié)果相差０．２６ｄＢ，實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果相吻合。研

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

3、 １主要研究內(nèi)容與結(jié)果 １．１光纖加速度計的基本結(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，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，進而引起纏繞在彈性柱體上的光纖臂一個伸長，一個縮短，兩束光經(jīng)過光纖末端反射后，回到耦合器處進行干涉，最后對干涉信號進行檢測和處理，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，兩柱體將產(chǎn)生相同的形變，從而致使相位差變化為零，因此加速度計所敏感的只是加速

4、度在彈性柱體軸向上的分量，從而實現(xiàn)矢量探測［２］。加速度相位靈敏度是表征光纖加速度計性能的重要參數(shù)，可定義為由加速運動引起的探頭的干涉儀兩臂的相位差Δ與水聽器運動的加速度變化量的比值。 １．２等效模型的建立采用ＡＮＳＹＳ進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)簡化所建立的模型，提高計算效率，在建模時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，由于光纖加速度計為軸對稱結(jié)構(gòu)，因此可以取探頭的一半結(jié)構(gòu)，通過對基元部分分析求解得到整體分析結(jié)果，這樣可以簡化模型、減少計算時間并提高計算效率。圖２為兩端固定的加速度計的等效模型。 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，因其為上下對稱結(jié)構(gòu)，因此可將位移

6、加載在質(zhì)量塊中心對稱位置，同時采用瞬態(tài)求解的方法進行分析，位移加載的頻率為１００Ｈｚ，設(shè)定時間末端０．０５ｓ，步長３２０步。圖３為加載過程中兩柱體外半徑上，上下位置對稱的兩節(jié)點３７６和１１０２隨時間變化的徑向位移圖，由圖可知，每一時刻上下對稱位置節(jié)點的徑向形變大小相等，方向相反。取第五個周期中，加速度方向向上、大小為１ｇ時上下兩個柱體外半徑上節(jié)點的總徑向形變分別是。 １．４實驗為了對仿真結(jié)果進行論證，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樣品，并對其在頻率為２０～１０００Ｈｚ內(nèi)的加速度靈敏度進行了實驗測試，測試結(jié)果如圖５所示。實驗中，光纖長度Ｌ＝２４ｍ，光源波長λ＝１５５０μｍ，ｎ＝１．４５６，由實驗數(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)，實驗測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)對光纖加速度計的加速度靈敏度進行仿真分析，同時研制了一批探頭對仿真分析結(jié)果進行實驗驗證。研究結(jié)果指出，利用有限元方法對光纖加速度計的加速度靈敏度性能進行仿真具有一定可行性，本文的研究對芯軸式推挽型光纖加速度計的結(jié)構(gòu)設(shè)計和廣泛應(yīng)用提供了重要的理論指導(dǎo)。