基于光纖Bragg光柵的力傳感技術分析

摘 要 本文以光纖bragg光柵為主要研究對象，針對光纖bragg光柵的力傳感技術為主要研究對象，借助模擬實驗狀態，開展對光纖bragg光柵進行壓力實驗，從而確定敏感元件對應技術指標，結合筆者對于光纖bragg光柵的研究經驗，給予一定的啟示和幫助。僅供參考。

關鍵詞 力傳感技術;敏感元件;光纖bragg光柵

引言

以光纖bragg光柵為代表的力傳感元件，由于其顯著的特點和性能受到行業內的普遍歡迎，尤其是電絕緣性能好、抗電磁干擾能力強、靈敏程度高等優勢，為以機器人為代表的科技產業，在應用光纖bragg光柵力傳感元件后，帶來前所未有的新體現、新創新。

1以FBG為傳感元件的彈性體結構仿真分析

1.1 靜力學分析

借助ANSYS對測試彈性體進行靜力學分析，通過在不同方向施加不同方向的力，并對彈性體應力變化情況進行計算，了解彈性體應力的具體情況后，可以發現彈性體的外表面應變最為明顯。由此可見，對四條彈性梁的外表面粘貼FBG，從而實現彈性體在模擬實驗中可以得到較好的實驗結果，根據最后彈性梁的變形情況來模擬粘貼外表面的FBG的變形，從而計算出FBG內部中心波長的偏移情況。通過對彈性體受單維力方向力進行分析，同時結合彈性指標以及在工業機器人手臂中的應用情況進行分析，其測力范圍保持在800N以下即可，通過施加單一方向的單維力，記錄彈性體具體的偏移情況，從而有效計算出利于形變之間的模擬狀態，從而了解到受單一方向力時，彈性體的靈敏度值[1]。

1.2 模態分析

結構共振以及某種頻率進行振動，對于彈性體的影響巨大，因此需要對相關情況有效規避，同時借助對彈性體進行模態分析，從而計算出其固有頻率以及相關特征的陣型分析。通過對彈性體相關數據的分析和研究，當彈性體受到單維力或者力矩時，在不同階段其固有頻率對彈性體的應力方向都會造成一定的影響。另外，由于結構與約束情況的影響，導致彈性體頻率相同、陣型結構相同。

2基于光纖bragg光柵的測力系統設計

測力系統的結構設計，主要是由軟件與硬件組成，其中硬件包括：電源、傳感器、寬帶光源、光纖Bragg光柵等，軟件包括：FBGA調節模塊以及Visual Studio 2019軟件中開展對應的測力系統測試。測力系統的設計原理為，利用寬帶光源將激勵光射入到FBG中，當外界中的作用力應用到彈性體上時，彈性梁的敏感元件會產生一定的拉壓作用，進而導致敏感元件的FBG中心波發生一定程度的變化，同時產生的光信號，通過調試解調模塊后，可以將數字信號傳輸到計算機中，實現對信號的記錄、分析、采集。由此可見，FBG波長的變化情況，與彈性體內部的中心波長、彈性體材料、彈性體外力應用情況等相關因素具有緊密的聯系，當對彈性體結構進行確定時，可以根據FBG中心波長的偏移距離，有效測算出彈性體的受力情況，確定其受力的數值。

3基于光纖bragg光柵的彈性體結構模擬實驗

3.1 彈性體結構

彈性體的材料，以304不銹鋼為主要實驗材料，其基本的幾何參數為，材料A屬于弓形梁結構，其中長度外半徑為70毫米，寬度內半徑為10毫米，厚度為2毫米;材料B屬于圓環結構，其中長度外半徑為70毫米，寬度內半徑為32毫米，厚度為4毫米。彈性體如圖一所示。通過對彈性體仿真測試分析得出，當彈性體受到不同方向的單維力或者力矩時，結合彈性梁的應變情況，可以有效計算出彈性梁外表面FBG的中心波長的具體偏移數值，通過對彈性梁不停位置進行測試，發現不同力矩或者受力不同，所造成的FBG中心波長的位移偏移量存在巨大的差距[2]。

3.2 靈敏度實驗

根據仿真實驗得知，當彈性體上表面，受到固定方向的單維力時，其中彈性體的四個梁的受力情況較為一致，因此，對相關實驗進行簡化，以其中一條彈性梁進行分析，從10N循序漸進加力到80N，從而確定FBG中心波長的實際變化，因此，得到中心波長的變化量和彈性體量壓力之間的具體關聯，根據相應的關系，可以計算出彈性體的靈敏度以及擬合率。需要注意的是，在實驗中由于對FBG無法做到嚴格的密封，從而無法去除溫度以及焊接工藝等相關內容對于材料的影響程度，因此，在實際的測試成績中，光纖光柵的靈敏度對比彈性體的靈敏度相差較大，遠遠低于彈性體的靈敏度。

4基于光纖bragg光柵的力傳感元件的應用價值

基于光纖bragg光柵的力傳感元件具有體積小、波長選擇性好、不受非線性效應影響、極化不敏感、易于與光纖系統連接、便于使用和維護、帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性好、可與其他光纖器件融成一體等特性，而且光纖光柵制作工藝比較成熟，易于形成規模生產，成本低，因此它具有良好的實用性，其優越性是其他許多器件無法替代的。

5結束語

本文分析了以FBG為傳感元件的彈性體，并且設計出基于光纖Bragg光柵的測試系統，通過建立對應的模擬實驗，進一步表明弓形彈性體對于測量不同方向的力或者力矩，具有極強的敏感度以及穩定性，具有很好的應用價值和應用前景。

參考文獻

[1] 曹璨.基于光纖Bragg光柵的力傳感技術研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2019.

[2] 唐世鑫.光纖傳感技術在錨桿軸力監測中的應用[J].建材與裝飾，2019（8）：230-231.

作者簡介

楊劉陽（1987-），男，河南商城人;畢業院校：成都大學，專業：電子信息工程，學歷：本科，現職稱：工程師，現就職單位：武漢理工光科股份有限公司，研究方向：電子技術。