光纤陀螺技术用于工程结构形变测量方法探究

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1、光纤陀螺技术用于工程结构形变测量方法探究　　摘要：研究了将光纤陀螺应用于工程结构形变测量的方法。以简支梁缩尺模型为例给进行了实验，并基于力学理论进行了数值模拟。通过实验和数值模拟对该方法的重复性和可行性进行了验证。关键词：光纤陀螺形变测量数值模拟中图分类号：TN256文献标识码：A文章编号：1007-9416（2013）01-0213-021概述随着科学技术的发展和经济生活的需要，各种大型工程越来越多，工程项目监测技术显得越来越重要。其中变形监测与其它测量工作相比较，其精度要求较高，而且是有一定频率的重复观测[1]。而传统的变形监测手段只能对离散的点进行测量，不能连续测量，且存在着基准点难以确

2、定、测量仪器安装不易等缺陷。采用光纤陀螺的工程测量系统，则可以克服这些问题，该系统具有精度高、装置简单的优点，并且可以多点连续测量。2基本原理5光纤陀螺仪是一种对角速度敏感的光纤传感器，实际上它是一个基于Sagnac效应的环形干涉仪。光纤陀螺相对惯性空间转动而产生的相位差△φ可表示为，其中，L为光波在N匝光纤中传播的长度，R为光纤环路半径，c为光速，λ为光波长。由此，测量出相位差△φs后，便可以得到该系统的角速度Ω[2]。使用光纤陀螺测量工程结构形变时，需将陀螺同运动装置结合，使陀螺沿被测曲线或曲面运动。如图1，假定光纤陀螺沿图中曲线运动，在i时刻陀螺运行到了（Xi，Yi）点，且通过运动装置测

3、得此时的线速度为Vi，通过光纤陀螺测得此时的角速度为Ωi。当测量的时间间隔ΔT足够小时，可以近似算出第i+1时刻的坐标，即：，其中，为测量时间间隔ΔT内光纤陀螺移动的距离。，为第i点处轨迹曲线与x轴的夹角。在工程测量时，陀螺运动时的线速度Vi和角速度Ωi均为测量所得，当确定了起始角度θ0后，便可以通过上述迭代公式，计算出每一个时刻轨迹曲线的坐标值，从而得到光纤陀螺运动所走的轨迹，即为所沿的曲线或曲面的形状。将测得结果同被测对象的原始设计进行比较，可以得到被测对象的形变、准直等参数[3]。3实验和数值模拟5专门制作了一个简支梁缩尺模型进行实验，并且对该模型进行了数值模拟。如图3，当在简支梁中心施

4、加了一个集中力P时，则通过力学理论可以得到挠曲线方程为[4]：当时，当时其中，x为距离左端点的距离，υ（x）为离梁左端点距离为x处沿y方向的挠度，简支梁全长L=5.09m，弹性模量E=2e11Pa，惯性矩I=61.88e-8m2。通过挠曲线方程，可以对简支梁中心受静载力的变形情况进行数值模拟（如图2）。实验采用的光纤陀螺是湖北三江航天红峰控制有限公司生产的TXD6-A2闭环光纤陀螺，测量范围为±80（°）/s，零偏稳定性小于等于0.1（°）/h，数据输出频率为300Hz，输出为串口RS232信号。在简支梁中心施加一个大小为54.3N的集中力，该力使得简支梁发生了形变。将光纤陀螺装在小车上，用绳

5、子牵引小车，带同陀螺也以一定速度移动。小车车轮上装有一个测速装置，从而可以得到陀螺的运动速度。5进行了五次重复测量实验，通过前面的迭代公式可以计算得到简支梁每个点的X坐标和Y坐标，从而得到简支梁的变形曲线。因为我们只关注变形曲线在Y方向上的误差，为了方便对结果进行研究，我们以其中一次实验结果的X坐标为基准，对其余几次进行了插值处理，使得每次实验的X坐标是对齐的。处理后，将五次实验结果中每个点的Y坐标进行平均，得到实验平均值的曲线，将其作为最终实验结果，同模拟结果进行对比。图3为五次实验所测变形曲线、实验平均值曲线以及数值模拟得到的变形曲线。可以看到重复性比较好，为了精确判断，计算每次实验同实验

6、平均值在Y方向上的偏差最大值和相对偏差。结果如表1。从表1中可以看出，五次实验中的最大偏差为0.0411mm，最大相对偏差为3.11%，均比较小，说明测量结果的重复性是比较好的。接下来比较实验平均值同模拟值，从图4中可以看出，两者虽然重合性不佳，但形状和趋势基本是一致的。通过计算，得出试验平均值同模拟值的最大误差为0.1426mm，相对误差为11.85%。实验结果同模拟结果比较吻合。由上述结果可以得出：利用光纤陀螺技术进行工程结构形变测量的方法是可行的，并且具有较好的重复性和较高的精确性。4结语5本文对光纤陀螺应用于工程结构形变测量的方法进行了研究，通过实验和数值模拟对方法的可行性进行了验证。

7、测量中误差的产生，可能由陀螺自身的温漂和零漂，实验基准点不水平造成的起始角度误差叠加，预设导轨的不平整等因素引起。如何减小误差、提高测量精度是该技术方法的重点，需要继续深入的研究。参考文献[1]邢君.土木工程变形监测研究现状分析[J].浙江水利科技，2010，5：63～64.[2]张桂才.光纤陀螺原理与技术[M].北京：国防工业出版社，2008.32.[3]王立新，胡文彬.光纤陀螺应用于轨迹测量的