光纖加速度計靈敏度仿真分析范文

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《半導體光電雜志》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)仿真得到的結構材料參數(shù)，研制了光纖加速度計，并測得其加速度靈敏度為39．43dB，與仿真結果相差0．26dB，實驗數(shù)據(jù)與仿真結果相吻合。研究結果表明，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構設計和廣泛應用具有重要的理論指導意義。

關鍵詞：

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、能適應各種惡劣環(huán)境并且有利于遠距離勘測的特點，可廣泛應用于海事、航天等各領域。國內(nèi)外對各種結構的光纖加速度計很早以前就開始了深入的研究，目前已大量應用的光纖加速度計普遍采用光纖干涉儀結構［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。

1主要研究內(nèi)容與結果

1．1光纖加速度計的基本結構及工作原理基本結構及工作原理是：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構和材料參數(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的具有一定厚度的薄層［6－7］。表2為纏繞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構參數(shù)建立平面有限元模型，由于光纖加速度計為軸對稱結構，因此可以取探頭的一半結構，通過對基元部分分析求解得到整體分析結果，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設置單元類型的規(guī)則，設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，因其為上下對稱結構，因此可將位移加載在質(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果基本吻合。

2結論

本文建立了有限元模型，并以此模型為基礎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果進行實驗驗證。研究結果指出，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構設計和廣泛應用提供了重要的理論指導。

作者：肖昭 羅洪 熊水東 單位：國防科學技術大學 海洋科學與工程研究院