基于复合材料的光纤光栅加速度传感器的研究

摘要

随着重大装备和重大工程结构系统大型化、连续化、高速化、高效化、轻柔化和自动化方向发展，其动力学问题日益复杂。如何在复杂恶劣的环境下、在超荷载的工况下对其进行准确的动态测试和分析，确保设备正常和工程安全的健康状况监测(特别是其中的振动监测)显得越来越重要。目前广泛应用的电磁类加速度传感器由于抗干扰能力和长期稳定性差，不太适应远传输环境的使用；而传统的悬臂梁式光纤光栅加速度传感器由于结构的限制其性能得不到提高，二者均不能很好满足大型结构的振动监测需要。因此，研究和开发新型的光纤光栅加速度传感器有着重要的意义。
　　 本论文基于光纤光栅加速度传感器的基本理论、基础实验，结合ANSYS参数化优化设计方法，从材料、构件、结构等方面探讨基于复合材料的光纤光栅加速度传感器的设计理论，以期研制出适应恶劣复杂环境并可用于大型结构工程振动监测的高灵敏度低频的光纤光栅加速度传感器。
　　 1.基于光纤光栅传感理论，系统研究了光纤光栅加速度传感器的基本原理和动态特性；针对现有加速度传感器的不足，研究了一种双板簧结构的光纤光栅加速度传感器，并从材料和结构两方面对其进行系统优化。
　　 2.针对双板簧结构加速度传感器的性能需要和现有金属基弹性结构的不足，提出了以碳纤维基的复合材料传感器弹性结构；系统研究复合材料层合板的设计理论和成型工艺方法，设计和制备了用于传感器弹性结构的碳纤维复合材料层合板。并对其进行了系统力学性能实验，得到了满足加速度传感器参数要求(弹性模量约为145GPa)的碳纤维复合材料弹性结构。
　　 3.根据具体的应用对象环境和测量的要求，结合设计的高灵敏度低频光纤光栅加速度传感器，总结出碳纤维基光纤光栅加速度传感器的设计理论与方法。即利用ANSYS软件建立传感器的静态、动态特性分析方法，用APDL语言编写了优化分析程序和控制程序，迭代计算得到了传感器的最优结构。随后通过ANSYS软件对最优结构进行了模态分析、谐响应分析和横向灵敏度分析。
　　 4.对传感器最优结构进行加工与封装工艺研究，并进行系统的实验分析和误差分析，有关结论与理论分析较为一致。实验测得传感器谐振频率是51Hz，幅频是0-35Hz，灵敏度是1.247nm/g，在传感器性能上达到了较高水平。