双光纤-悬臂梁FBG加速度传感器研究

针对现有悬臂梁FBG加速度传感器光纤表面粘贴会造成FBG受力不均匀,并且无法在温度变化和振动等复杂的环境中工作的问题,提出一种双光纤-悬臂梁结构的FBG加速度传感器。理论分析了结构参数对传感器灵敏度和固有频率的影响,并采用ANSYS有限元分析软件进行了静应力和模态仿真分析,最后搭建了测试系统对传感器进行性能测试。结果表明,加速度传感器的固有频率为84.86Hz,在15~60Hz的低频段具有平坦的灵敏度响应,双光纤在增加传感器的灵敏度的同时有效消除了温度变化的影响,加速度灵敏度为156.70pm/g,线性度为99.38%,刚性梁有效增加了结构的稳定性,在工作频段内的横向串扰为-26.97dB。     

基于双光纤光栅的高灵敏度低频加速度传感器

针对低频振动信号的高精度测量需求,设计了一种基于双光纤光栅的变宽度椭圆铰链式低频加速度传感器.首先建立传感器的结构模型,理论分析了传感器的振动响应特性,给出该传感器的谐振频率及灵敏度的公式.随后搭建了传感单元的数学模型,对传感单元结构的关键尺寸参数进行了优化.另外,利用有限元仿真验证了理论分析结果,最后加工制作了传感器样件,对其进行加速度性能测试.实验结果表明:传感器的谐振频率约为36 Hz,工作频带为0-10 Hz,灵敏度为1496 pm/g.所设计的传感器具有较高的灵敏度、良好的温度补偿能力,能够满足工程中低频振动检测的要求.     

一种基于单一椭圆铰链的光纤光栅加速度传感器

针对加速度传感器在振动分析与故障诊断中的需 求,提出了一种基于椭圆铰链的光纤布拉格光栅加速度传感器,椭 圆铰链和质量块组成加速度传感器理论模型的弹簧质量系统。首先,根据传感器结构的力学 模型,推导出了传感器的灵 敏度和谐振频率的计算公式,进而分析了传感器的结构参数对灵敏度和谐振频率的影响;随 后,采用Lingo软件对传感 器参数进行了最优化分析;最后,基于优化结果设计制作了光纤布拉格光栅加速度传感器, 测试了该传感器的灵敏度、 幅频响应和横向抗干扰等性能。结果表明,传感器的谐振频率约为750 Hz,灵敏度约为128 pm/g,横向抗干扰度小于5%,可用于350 Hz以下的低频微弱振动信号的实时监测。     

基于等强度悬臂梁的低频高灵敏度FBG加速度传感器研究

针对桥梁低频振动监测灵敏度低的问题,提出了一种基于等强度悬臂梁的低频高灵敏度光纤光栅(fiber Bragg grating,FBG)加速度传感器。以悬臂梁厚度与质量块质量为主要参数设计了12组FBG加速度传感器,通过激振器对传感器进行幅频特性、灵敏度及横向抗干扰试验,得到较适合监测桥梁振动的一组传感器,其固有频率为49 Hz,工作频带为0—34 Hz,灵敏度高达664.53 pm/g,线 性 度为99.9%,且横向抗干扰能力强。通过理论推导到试验验证,为桥梁振动提供一种新型有效的监测手段。     

高灵敏抗冲击光纤光栅微振动传感器

针对高灵敏度的光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器的抗冲击可靠性,设计了一种具有限振结构的双悬臂梁型FBG振动传感器,理论分析了结构参数与灵敏度和振动位移的关系,进行了结构优化,确定了限振幅度。制作了限振幅度约为90m的传感器样品,对传感器的加速度灵敏、频率响应、抗冲击性能进行了测试,结果表明,传感器的加速度灵敏度达到525 pm/g,谐振频率约为66 Hz,传感器经过50 g反复冲击,频响特性具有良好重复性,表明传感器具有较高的可靠性。     

基于L型悬臂梁的光纤光栅加速度传感器

为了测量低频小信号,提出了一种基于L型悬臂梁的光纤光栅(FBG)加速度传感器, 并进行了理论分析,推导出了其灵敏度及谐振频率表达公式。为了得出结构的最优参数,根 据理论公式进行了仿真分析得出仿真曲线。根据仿真曲线,选定传感器各个参数,制作出传 感器实物,分别对传感器灵敏度幅频响应,线性响应及横向抗干扰性进行了实验测试,实验 测试出传感器谐振频率280 Hz,在充装硅油阻尼后测量带宽为1Hz－ 240 Hz,测量带宽内响应 曲线平坦度在±1.5 dB以内,灵敏度可达到52 pm/g,线性相关性为99.97%,与理论谐振频 率290 Hz,灵敏度59 pm/g较吻合,表明了理 论分析的正确性,同时传感器具有较好的横向 抗干扰性,横向抗干扰性为4.2%,研究表明此传感器可以应用于低频 小信号场合的振动测试。     

基于对称悬臂梁的小型化低频FBG加速度传感器研究

提出了一种基于对称悬臂梁的小型化低频光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器。首先根据传感器结构的力学模型,推导出传感器的灵敏度和固有频率表达式;然后对传感器进行结构参数优化,采用ANSYS Workbench对传感器进行静应力与模态分析;最后根据分析结果制作传感器,并实验研究了传感器的幅频响应、灵敏度特性、横向抗干扰能力和冲击响应。结果表明,该传感器固有频率为72 Hz,灵敏度为681.7 pm/g,抗横向干扰度小于4.9%,且体积仅为6.48 cm^(3),可用于50 Hz以下的低频微弱振动信号的实时监测。     

弛豫铁电单晶三轴加速度传感器

该文提出了一种适用于低频测试的弛豫铁电单晶三轴加速度传感器的结构形式,加速度传感器每个坐标轴由一个单晶弯曲梁敏感元件组成。通过有限元仿真分析了弯曲梁结构中的单晶层厚度、基梁金属层厚度及基梁材料等结构尺寸参数对谐振频率及加速度灵敏度的影响,找到最优结构尺寸,研制了弛豫铁电单晶三轴加速度传感器样品并进行测试。测试结果表明,弛豫铁电单晶三轴加速度传感器各个方向的一致性良好,加速度灵敏度达86.1 mV/(m·s^-2),可以工作在10～400 Hz的低频段。     

金属环封装低频光纤布拉格光栅振动传感系统研制

研制了一种金属环封装的单柱体芯轴式光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器,搭建了基于非平衡迈克耳逊干涉仪相位载波调制(PGC)解调技术的FBG振动传感器解调系统,实现了低频振动信号的高精度实时解调,并分析了各参数对传感器谐振频率和灵敏度等特性的影响。实验结果表明,研制的FBG振动传感器谐振频率为388Hz,在10～200Hz频率范围内,传感器的加速度灵敏度约为81pm/g,且加速度响应平坦,起伏小于1dB,与理论分析结果基本一致。研制的振动传感器可实现200Hz以下低频振动信号的实时检测,解调系统的波长检测精度为1.07×10-3 pm,最小可检测加速度为1.3×10-5 g。     

一种新型光纤Bragg光栅振动传感器的设计

为满足各种工程结构和机械系统的低频测试需求,设计并研制了一种特殊三脚支架和等强度悬臂梁结构的可放大振动信号、增加灵敏度和有较宽工作频带的光纤Bragg光栅(FBG)振动传感器,建立了传感器的数学模型,测试了传感器固有频率、灵敏度、失真系数和横向抗干扰能力等参数.实验表明,研制的FBG振动传感器,其同有频率约为100 H...     

拨动式上变频压电俘能器的设计与研究

该文提出了一种基于弹簧振动平台的上变频压电俘能器,解决了低频振动能量收集效率低的问题。分析了压电悬臂梁输出功率与激励频率的三次方正相关,解释了采用上变频收集低频振动能量的原因。应用赫兹接触理论分析了拨片与压电悬臂梁的接触力,建立了拨动式激励的压电俘能器机电耦合模型。在综合考虑重叠长度和拨片厚度等影响因素后,选取厚度0.1 mm矩形不锈钢拨片。实验表明,在1g(g=9.8 m/s²)、5.67 Hz的激励信号下,单拨动式上变频V25W型压电悬臂梁输出功率可达9.6 mW,具有很强的低频能量收集性能。     

光纤布拉格光栅振动传感器的研究进展

随着光纤传感技术的不断发展,光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)振动传感器在实际应用中的复杂振动测量性能愈发优良可靠。基于FBG振动传感器的优势,简略地阐述了FBG振动传感器的工作原理,并介绍了近5年国内研发的部分悬臂梁型、膜片型、铰链型三种结构的优缺点。最后针对FBG振动传感器提出了4个方面的建议,并展望了FBG振动传感器的发展方向。     

Energy Harvesting from Ambient Vibrations with Arbitrary In-Plane Motion Directions Using a Magnetostrictive/Piezoelectric Laminate Composite Transducer

A magnetoelectric (ME) vibration energy harvester has been designed to scavenge sufficient energy from ambient vibration with arbitrary motion directions in a plane and over a range of frequencies. In the harvester, a circular-cross-section cantilever rod is adopted to extract the vibration energy due to its ability to host accelerations in arbitrary in-plane motion directions. The magnetic coupling between the magnet and the ME transducer results in nonlinear oscillation of the cantilever rod with increased frequency bandwidth. To achieve optimal vibration energy harvesting performance, the effects of the nonlinear vibration and the harvester parameters including the magnetic circuit and the separation distance on the electrical output and the?working bandwidth are analyzed. The experimental results show that the harvester can scavenge vibration energy in arbitrary in-plane directions, exhibiting a bandwidth of 4.0 Hz and maximum power of 0.22 mW at acceleration of 0.6g (with g = 9.8 m s^?2).     

Low-frequency piezoelectric energy harvesting prototype suitable for the MEMS implementation

A low-frequency piezoelectric energy harvester based on impact vibration assembled with a compliant driving beam and two rigid generating beams is presented. The ambient low frequency is up-converted to high resonant frequency by the periodic impact between the driving beam and the generating beams. The advantages of the harvester are: restricting the large displacement of the compliant driving beam, improving power density and being especially suitable for a compact MEMS approach. The 1.53 mW average power of the macroscale impact vibration harvester is achieved at 20.1 Hz under 0.4g acceleration. The power density is 93.2 μW/cm³, which is 6.8 times that of conventional counterpart (13.6 μW/cm³). The measured results demonstrate the potential of the device applied to portable and implantable electronics benefited from the MEMS batch-fabrication technology.     

四电极含芯压电纤维简谐振动传感特性研究

受到水黾等动物能感知身体振动的毛发感受器的启发,设计了一种能感知外部振动的仿生纤维振动传感器。采用模具干压成型法制备了含铂金芯的压电陶瓷纤维胚体,经过高温烧结、涂镀表面电极、极化后,制成表面四电极含金属芯压电纤维(MMPF)振动传感器。并建立了悬臂梁结构,2对表面电极用作传感电极的传感器理论模型。把纤维固定在基体上,验证传感器对基体结构受到简谐激励的传感性能。结果表明,MMPF能够感知基体结构受到简谐激励的频率、幅值和方向。这种具有感知幅值和方向的仿生纤维振动传感器将有广泛的应用前景。     

基于BST微悬臂梁横向挠曲电系数的测定

挠曲电材料具有高力电耦合系数、尺度效应及对环境温度无特定要求等特点,有望用于传感器、作动器及结构健康监测等领域。基于钛酸锶钡(BST)微悬臂梁结构,实验分析了横向挠曲电系数对驱动频率的依赖关系,并讨论了尺度效应。利用压电微驱动器的低频激振,获得了横向挠曲电系数。结果表明,作为传感器,挠曲电材料在传感方面呈现出明显的尺度效应,当梁的厚度减小到微纳米尺度时,其传感特性将优于压电材料。     

A dynamic collision model for improved over-range protection of cantilever-mass micromechanical accelerometers

A dynamic collision model is proposed and built to analyze over-range protection of cantilever beam-mass structured micro-accelerometers. The model encloses angular momentum of the seismic mass, squeeze-film air damping, inertial force and supporting force (acting at the cantilever-root) during the collision between the seismic mass and the over-range stopping bumpers. Based on angular momentum balance equation we obtain the relationship among the supporting force F, the collision time duration t and the rotation center c where the bumpers are located. In the best case of F=0 which means no supporting force acts on the cantilever, we find the optimal bumper location of c. The accelerometers have been fabricated with the over-range protection design according to the dynamic collision model. Experimental test shows that 5g measure-range accelerometers can endure 9000g acceleration and there is no sign of performance degradation, which well verified the dynamic collision model.     

基于MFC驱动的结构热变形物理模拟方法

该文提出一种基于压电纤维复合材料(MFC)的结构热变形物理模拟方法,建立了悬臂梁结构热变形与MFC驱动变形的相关性方程,并与有限元仿真进行对比验证。面向复合材料层合板以结构热变形模拟为目标,利用优化的方法反求出MFC的驱动电压,从而指导MFC驱动实验。结果表明,对于均质悬臂梁的弯曲变形,仿真结果与理论表达式一致;面向层合板的弯扭耦合变形、MFC驱动变形与热变形的测点位移误差均在5%内,验证了该文提出的物理模拟方法的有效性。