光纤光栅振动加速度传感器的优化设计及振动体的振动模态分析

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进入21世纪,随着科学技术的不断进步,我国交通事业也随之得到了蓬勃发展,在全国范围内,许多公路、高铁桥梁等大结构建筑正在进行修建,但对于该类大型结构建筑物的安全监测仍然为一个空缺,导致了一些大型桥梁结构自身损伤不能被及时发现,从而使自身损伤不断地积累,最终引发建筑物坍塌事故,此类事故发生常常会造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失。为避免此类事故的发生,及时、准确的检测到建筑物的损伤情况显得尤为重要。因此,本文主要就光纤光栅加速度振动传感器设计进行了研究和实验,以使其可以满足对建筑物的检测;同时,对基于固有频率的损伤识别技术进行了研究,提出了一套简单、准确的检测方法。实验研制了一种基于双等强度悬臂梁式光纤布拉格光栅振动传感器,首先通过ANSYS软件对传感器进行了数值计算与仿真,得到了在各个阻尼比下传感器的幅频特性曲线和相频特性曲线,不断变化传感器结构参数,寻找最优谐振频率与加速度灵敏度,从而得到传感器最优结构参数;根据仿真所得的最优结构参数进行传感器加工;利用所加工的振动传感器进行振动台试验研究并对所得实验数据进行处理,将处理后的数据与ANSYS软件仿真所得到的数据进行比较,可知,振动平台所测得的实验结果与ANSYS软件仿真结果相吻合:传感器的谐振频率为80.74Hz,可实现50Hz以下低频振动信号的实时监测,在5-50Hz之间的加速度灵敏度约为20.85pm/m·s-2。该传感器可以很好地获得建筑物的振动信息,从而为损伤识别提供准确、可靠的振动信号。对损伤识别的一般方法进行简单介绍,明确了监测物健康状况与固有频率之间存在一定关系。对结构尺寸、材料完全相同的4组桥梁模型进行人为制造损伤,其中4组损伤程度各不相同,对4组桥梁模型进行相同的实验,实验得出监测物损伤程度与固有频率之间的关系,当损伤程度增加时,固有频率将不断减小;通过ANSYS软件对实验中的4组桥梁建立仿真模型,进行模态分析,得出不同损伤程度下桥梁的固有频率,从而得到损伤程度的增加导致固有频率的减小,所得结论与实验相吻合。因此,当桥梁受到损伤时,其固有频率减小。
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