高速列車用新型振動(dòng)傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高寶杰 孫琳

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東省青島市 266111）

由于體積大，運(yùn)行速度快，同時(shí)受軌道作用、空氣流作用、接觸網(wǎng)作用等外界作用力，高速列車的振動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)乘客體驗(yàn)、列車安全和周遭環(huán)境造成很大影響[1-3]：其一，造成人體乘車不適；其二，加劇了零部件磨損，降低使用壽命，可引起安全隱患；其三，激發(fā)噪聲會(huì)極大地影響沿線居民的生產(chǎn)生活。因此，利用先進(jìn)的加速度檢測(cè)技術(shù)，開展列車車體的振動(dòng)規(guī)律檢測(cè)，并采取相應(yīng)改進(jìn)措施減振降噪，對(duì)高速列車的發(fā)展具有重要意義。

加速度檢測(cè)是列車振動(dòng)檢測(cè)的重要內(nèi)容，而現(xiàn)有電類加速度傳感器在進(jìn)行大規(guī)模振動(dòng)檢測(cè)時(shí)接線繁雜、安裝要求嚴(yán)苛，難以在高速列車振動(dòng)檢測(cè)工程應(yīng)用中大量使用。光纖光柵加速度傳感器以其尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、抗電磁干擾、防水防潮、容易構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在高速列車振動(dòng)檢測(cè)中具有良好的應(yīng)用前景，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[4]。根據(jù)光纖光柵傳感原理，基于懸臂梁、弓形梁、簡(jiǎn)支梁和柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)等多種形式的加速度傳感器被陸續(xù)提出。葉婷等[5]設(shè)計(jì)了一種弓形梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵加速度傳感器，其靈敏度高達(dá)458.1pm/g，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍較窄，僅為0-10Hz；Mohd.Mansoor Khan 等[6]設(shè)計(jì)了單懸臂梁式加速度傳感器，其靈敏度接近50pm/g，但頻率平坦響應(yīng)范圍僅為60-160Hz；李嵐等[7]基于簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的加速度傳感器對(duì)溫度不敏感，成本低，測(cè)量結(jié)果與電阻應(yīng)變式傳感器基本吻合。張法業(yè)等[8]基于柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的加速度傳感器固有頻率為380Hz，頻率響應(yīng)范圍為236pm/g，橫向抗干擾能力較強(qiáng)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于等腰三角形懸臂梁的光纖光柵加速度傳感器。首先，理論分析了其加速度檢測(cè)原理，并給出了固有頻率計(jì)算方法。然后，構(gòu)建傳感器ANSYS 有限元仿真模型，結(jié)合傳感器模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析對(duì)傳感器尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。最后，搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)傳感器的幅頻響應(yīng)特性、加速度線性響應(yīng)特性和橫向抗干擾特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及響應(yīng)機(jī)理分析

基于等腰三角形懸臂梁的光纖光柵加速度傳感器的理論模型如圖1所示，傳感器工作時(shí)，等腰三角形梁的底邊固定，光柵沿著Z軸方向粘貼在底邊的中心線上。梁的厚度為d（X 方向），底邊長(zhǎng)為p（Y 方向），腰長(zhǎng)為q，底邊的高長(zhǎng)為h（Z 方向），右端的質(zhì)量塊由對(duì)稱的兩部分組成，每部分的底面半徑為r，厚度為l。

圖1：傳感器理論模型

圖2：傳感器仿真模型

圖3：網(wǎng)格化的傳感器仿真結(jié)構(gòu)

懸臂梁左端固定，梁與右側(cè)自由端的質(zhì)量塊構(gòu)成了諧振系統(tǒng)，當(dāng)待測(cè)物體以加速度a 振動(dòng)時(shí)，由于慣性，垂直于梁平面的質(zhì)量塊也在X 方向做加速度為a 的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)粘貼到梁表面的光纖光柵產(chǎn)生形變，從而引起其中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移。設(shè)E 為懸臂梁材料的楊氏模量，m 和mc分別為諧振系統(tǒng)的慣性質(zhì)量和懸臂梁的質(zhì)量，懸臂梁的固有頻率公式表示為：

圖4：傳感器模態(tài)分析結(jié)果

圖5：加速度為50m/s2 時(shí)傳感器頻率響應(yīng)仿真結(jié)果

圖6：光纖光柵加速度傳感器性能指標(biāo)測(cè)試平臺(tái)

圖7：時(shí)頻響應(yīng)曲線

圖8：幅頻特性曲線

圖9：加速度響應(yīng)曲線

圖10：橫向抗干擾特性曲線

選用65Mn 彈簧鋼作為懸臂梁的材料，其楊氏模量E=1.965 105MPa，密度為7810 kg/m3，泊松比為0.282。懸臂梁底邊長(zhǎng)p=3.4cm，腰長(zhǎng)n=3cm，厚度d=1mm，懸臂梁質(zhì)量m=mc=3.28g；選用Cu 作為質(zhì)量塊的材料，底面半徑r=0.3cm，厚度l=0.5cm。根據(jù)公式（1），計(jì)算得到所設(shè)計(jì)傳感器的固有頻率為731.4 Hz。

1.2 傳感器有限元分析

考慮傳感器工程應(yīng)用需求，對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下優(yōu)化設(shè)計(jì)：在懸臂梁外側(cè)增加矩形部分，矩形部分留有兩個(gè)直徑為2mm 的螺孔，通過兩個(gè)螺絲將懸臂梁固定在底座上，懸臂梁頂點(diǎn)部分設(shè)計(jì)成直徑為5mm 的圓形，中間留有一個(gè)直徑為2mm 的通孔，通過一個(gè)螺絲將質(zhì)量塊固定在懸臂梁上。根據(jù)傳感器的尺寸參數(shù)，利用ANSYS 軟件下的Workbench 模塊構(gòu)建傳感器有限元仿真模型，如圖2所示。

模型構(gòu)建時(shí)，保證上方質(zhì)量塊的下表面與懸臂梁圓形部分上表面同心并使其固定連接，下方質(zhì)量塊的上表面與懸臂梁圓形部分的下表面同心并使其固定連接，對(duì)傳感器進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，最小單元尺寸為1mm，如圖3所示，將傳感器劃分為3298 個(gè)單元。傳感器實(shí)際安裝過程中是通過兩個(gè)螺孔固定在底座盒子中，所以仿真時(shí)對(duì)兩個(gè)螺孔施加固定約束。

對(duì)于加速度傳感器，當(dāng)材料和結(jié)構(gòu)確定以后，需要考慮傳感器的固有頻率，當(dāng)待測(cè)物體的振動(dòng)頻率接近光纖光柵加速度傳感器的固有頻率時(shí)就容易發(fā)生共振，使得傳感器的振幅迅速增大，因此傳感器的工作頻率應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離自身固有頻率。如圖4 和圖5所示，當(dāng)X方向加速度為5g 時(shí)，通過模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析求得懸臂梁的固有頻率為651.85Hz，可以實(shí)現(xiàn)頻率在0-500Hz 的振動(dòng)信號(hào)測(cè)量，此時(shí)兩個(gè)質(zhì)量塊單純地沿著X方向振動(dòng)，光柵約有596-1192個(gè)微應(yīng)變。仿真所得的固有頻率與公式（1）的理論計(jì)算結(jié)果有79.55Hz 的偏差，這是由于傳感器結(jié)構(gòu)調(diào)整導(dǎo)致的。

2 結(jié)果與討論

為測(cè)試設(shè)計(jì)的懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器性能，搭建測(cè)試平臺(tái)如圖6所示。利用B711 膠將傳感器粘貼在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)臺(tái)面上，并保證振動(dòng)方向與梁面垂直，計(jì)算機(jī)通過振動(dòng)臺(tái)控制器給振動(dòng)臺(tái)施加固定頻率和固定加速度的正弦激勵(lì)信號(hào)，使振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)，傳感器將攜帶振動(dòng)信息的光信號(hào)輸出給SM130 光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)儀，解調(diào)儀將解調(diào)出的波長(zhǎng)和功率信息送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和顯示。

2.1 傳感器頻率響應(yīng)特性

為測(cè)試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，通過振動(dòng)臺(tái)給傳感器施加頻率為150Hz，加速度為45g 的正弦激勵(lì)信號(hào)，得到傳感器的時(shí)域和頻率響應(yīng)曲線如圖7。從圖中可以看出，傳感器具有良好的時(shí)頻響應(yīng)。

2.2 傳感器幅頻響應(yīng)特性

為測(cè)試懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的幅頻響應(yīng)特性，通過振動(dòng)臺(tái)給傳感器施加加速度為5g 的正弦激勵(lì)，在0～800Hz 范圍內(nèi)改變振動(dòng)頻率，步長(zhǎng)為50Hz，記錄傳感器輸入的 中心波長(zhǎng)偏移量，其幅頻特性曲線如圖8所示，可以看出，傳感器固有頻率約為650Hz，與仿真結(jié)果基本吻合，該傳感器在0～500Hz 范圍內(nèi)具有良好的平坦響應(yīng)區(qū)。

2.3 傳感器加速度響應(yīng)特性

為測(cè)試懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的加速度響應(yīng)特性，通過振動(dòng)臺(tái)給傳感器施加150Hz 的正弦激勵(lì)，在5～45g 加速度范圍內(nèi)，以5g 的固定步長(zhǎng)改變加速度大小，圖9 給出了對(duì)應(yīng)的光纖光柵中心波長(zhǎng)偏移量，可以看出，二者之間具有較好的線性關(guān)系，該傳感器的實(shí)際響應(yīng)靈敏度約為1pm/g。

2.4 傳感器橫向抗干擾特性

橫向抗干擾特性是懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的一項(xiàng)重要指標(biāo)，為測(cè)試傳感器的橫向抗干擾能力，通過振動(dòng)臺(tái)分別在橫向和縱向方向上給傳感器施加加速度為45g 正弦激勵(lì)信號(hào)，在0～500Hz范圍內(nèi)改變振動(dòng)頻率，步長(zhǎng)為50Hz，記錄傳感器輸入的中心波長(zhǎng)偏移量，傳感器的時(shí)域響應(yīng)如圖10所示。顯然，該傳感器具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠在慣性載荷的作用下產(chǎn)生近似單一自由度的振動(dòng)。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于等腰三角形懸臂梁的光纖光柵加速度傳感器，在理論分析傳感器的加速度檢測(cè)機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)傳感器進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，進(jìn)而對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的加速度傳感器具有較高的固有頻率（650Hz），寬頻率平坦響應(yīng)范圍（0-500Hz）和較強(qiáng)的橫向抗干擾能力，為高速列車振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)提供了一種新的技術(shù)手段。