基于光纤Bragg光栅的力传感技术分析

摘 要 本文以光纤bragg光栅为主要研究对象，针对光纤bragg光栅的力传感技术为主要研究对象，借助模拟实验状态，开展对光纤bragg光栅进行压力实验，从而确定敏感元件对应技术指标，结合笔者对于光纤bragg光栅的研究经验，给予一定的启示和帮助。仅供参考。

关键词 力传感技术;敏感元件;光纤bragg光栅

引言

以光纤bragg光栅为代表的力传感元件，由于其显著的特点和性能受到行业内的普遍欢迎，尤其是电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、灵敏程度高等优势，为以机器人为代表的科技产业，在應用光纤bragg光栅力传感元件后，带来前所未有的新体现、新创新。

1以FBG为传感元件的弹性体结构仿真分析

1.1 静力学分析

借助ANSYS对测试弹性体进行静力学分析，通过在不同方向施加不同方向的力，并对弹性体应力变化情况进行计算，了解弹性体应力的具体情况后，可以发现弹性体的外表面应变最为明显。由此可见，对四条弹性梁的外表面粘贴FBG，从而实现弹性体在模拟实验中可以得到较好的实验结果，根据最后弹性梁的变形情况来模拟粘贴外表面的FBG的变形，从而计算出FBG内部中心波长的偏移情况。通过对弹性体受单维力方向力进行分析，同时结合弹性指标以及在工业机器人手臂中的应用情况进行分析，其测力范围保持在800N以下即可，通过施加单一方向的单维力，记录弹性体具体的偏移情况，从而有效计算出利于形变之间的模拟状态，从而了解到受单一方向力时，弹性体的灵敏度值[1]。

1.2 模态分析

结构共振以及某种频率进行振动，对于弹性体的影响巨大，因此需要对相关情况有效规避，同时借助对弹性体进行模态分析，从而计算出其固有频率以及相关特征的阵型分析。通过对弹性体相关数据的分析和研究，当弹性体受到单维力或者力矩时，在不同阶段其固有频率对弹性体的应力方向都会造成一定的影响。另外，由于结构与约束情况的影响，导致弹性体频率相同、阵型结构相同。

2基于光纤bragg光栅的测力系统设计

测力系统的结构设计，主要是由软件与硬件组成，其中硬件包括：电源、传感器、宽带光源、光纤Bragg光栅等，软件包括：FBGA调节模块以及Visual Studio 2019软件中开展对应的测力系统测试。测力系统的设计原理为，利用宽带光源将激励光射入到FBG中，当外界中的作用力应用到弹性体上时，弹性梁的敏感元件会产生一定的拉压作用，进而导致敏感元件的FBG中心波发生一定程度的变化，同时产生的光信号，通过调试解调模块后，可以将数字信号传输到计算机中，实现对信号的记录、分析、采集。由此可见，FBG波长的变化情况，与弹性体内部的中心波长、弹性体材料、弹性体外力应用情况等相关因素具有紧密的联系，当对弹性体结构进行确定时，可以根据FBG中心波长的偏移距离，有效测算出弹性体的受力情况，确定其受力的数值。

3基于光纤bragg光栅的弹性体结构模拟实验

3.1 弹性体结构

弹性体的材料，以304不锈钢为主要实验材料，其基本的几何参数为，材料A属于弓形梁结构，其中长度外半径为70毫米，宽度内半径为10毫米，厚度为2毫米;材料B属于圆环结构，其中长度外半径为70毫米，宽度内半径为32毫米，厚度为4毫米。弹性体如图一所示。通过对弹性体仿真测试分析得出，当弹性体受到不同方向的单维力或者力矩时，结合弹性梁的应变情况，可以有效计算出弹性梁外表面FBG的中心波长的具体偏移数值，通过对弹性梁不停位置进行测试，发现不同力矩或者受力不同，所造成的FBG中心波长的位移偏移量存在巨大的差距[2]。

3.2 灵敏度实验

根据仿真实验得知，当弹性体上表面，受到固定方向的单维力时，其中弹性体的四个梁的受力情况较为一致，因此，对相关实验进行简化，以其中一条弹性梁进行分析，从10N循序渐进加力到80N，从而确定FBG中心波长的实际变化，因此，得到中心波长的变化量和弹性体量压力之间的具体关联，根据相应的关系，可以计算出弹性体的灵敏度以及拟合率。需要注意的是，在实验中由于对FBG无法做到严格的密封，从而无法去除温度以及焊接工艺等相关内容对于材料的影响程度，因此，在实际的测试成绩中，光纤光栅的灵敏度对比弹性体的灵敏度相差较大，远远低于弹性体的灵敏度。

4基于光纤bragg光栅的力传感元件的应用价值

基于光纤bragg光栅的力传感元件具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的。

5结束语

本文分析了以FBG为传感元件的弹性体，并且设计出基于光纤Bragg光栅的测试系统，通过建立对应的模拟实验，进一步表明弓形弹性体对于测量不同方向的力或者力矩，具有极强的敏感度以及稳定性，具有很好的应用价值和应用前景。

参考文献

[1] 曹璨.基于光纤Bragg光栅的力传感技术研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2019.

[2] 唐世鑫.光纤传感技术在锚杆轴力监测中的应用[J].建材与装饰，2019（8）：230-231.

作者简介

杨刘阳（1987-），男，河南商城人;毕业院校：成都大学，专业：电子信息工程，学历：本科，现职称：工程师，现就职单位：武汉理工光科股份有限公司，研究方向：电子技术。