Análisis de precisión de la detección de deformaciones en estructuras de ingeniería de giroscopios de fibra óptica
Producto: Sistema de detección de deformaciones basado en giroscopio de fibra óptica
Características principales:
Conclusión:
Este sistema proporciona mediciones de deformación precisas y confiables, ofreciendo soluciones valiosas para las necesidades de ingeniería y análisis estructural.
El principio del método de detección de deformaciones en estructuras de ingeniería basado en un giroscopio de fibra óptica consiste en fijar el giroscopio al dispositivo de detección, medir la velocidad angular del sistema de detección al desplazarse sobre la superficie medida de la estructura, medir la distancia de operación del dispositivo y calcular su trayectoria para detectar la deformación. En este documento, este método se denomina "método de trayectoria". Este método se puede describir como "navegación plana bidimensional", es decir, se determina la posición del portador en la superficie vertical de la estructura medida y, finalmente, se obtiene su trayectoria a lo largo de dicha superficie.
Según el principio del método de trayectoria, sus principales fuentes de error incluyen el error de referencia, el error de medición de distancia y el error de medición de ángulo. El error de referencia se refiere al error de medición del ángulo de inclinación inicial θ0, el error de medición de distancia se refiere al error de medición de ΔLi y el error de medición de ángulo se refiere al error de medición de Δθi, que se debe principalmente al error de medición de la velocidad angular del giroscopio de fibra óptica. Este artículo no considera la influencia del error de referencia ni del error de medición de distancia en el error de detección de deformación, sino que solo analiza el error de detección de deformación causado por el error del giroscopio de fibra óptica.
El giroscopio de fibra óptica es un sensor que mide la velocidad angular mediante el efecto Sagnac. Tras el paso de la luz emitida por la fuente a través de la guía de ondas Y, se forman dos haces de luz que giran en direcciones opuestas en el anillo de fibra. Cuando el portador gira respecto al espacio inercial, se produce una diferencia de trayectoria óptica entre los dos haces de luz, y la señal de interferencia óptica relacionada con la velocidad angular de rotación se detecta en el extremo del detector para medir la velocidad diagonal.
La expresión matemática de la señal de salida del giroscopio de fibra óptica es: F = Kw + B0 + V. Donde F es la salida del giroscopio, K es el factor de escala y ω es el giroscopio.
La entrada de velocidad angular en el eje sensible, B0 es el sesgo cero giroscópico, υ es el término de error integrado, que incluye ruido blanco y componentes que varían lentamente causados por varios ruidos con un tiempo de correlación largo, υ también puede considerarse como el error de sesgo cero.
Las fuentes de error de medición del giroscopio de fibra óptica incluyen el error de factor de escala y el error de desviación cero. Actualmente, el error de factor de escala del giroscopio de fibra óptica aplicado en ingeniería es de 10⁻⁶~10⁻⁶. En la aplicación de la detección de deformación, la entrada de velocidad angular es pequeña, y el error de medición causado por el error de factor de escala es mucho menor que el causado por el error de desviación cero, que puede ignorarse. El componente de CC del error de polarización cero se caracteriza por la repetibilidad de polarización cero Br, que es la desviación estándar del valor de polarización cero en múltiples pruebas. El componente de CA se caracteriza por la estabilidad de polarización cero Bs, que es la desviación estándar del valor de salida del giroscopio con respecto a su media en una prueba, y su valor está relacionado con el tiempo de muestreo del giroscopio.
Tomando como ejemplo el modelo de viga apoyada simple, se calcula el error de detección de deformación y se establece el modelo teórico de deformación estructural. Con base en esto, se establece la detección.
Con base en la velocidad de operación y el tiempo de muestreo del sistema, se puede obtener la velocidad angular teórica del giróscopo de fibra óptica. Posteriormente, se puede simular el error de medición de la velocidad angular del giróscopo de fibra óptica según el modelo de error de desviación cero del giróscopo de fibra óptica descrito anteriormente.
La configuración de simulación de la velocidad de funcionamiento y el tiempo de muestreo adopta un modo de rango variable, es decir, el ΔLi que pasa en cada tiempo de muestreo es fijo, y el tiempo de muestreo del mismo segmento de línea cambia al variar la velocidad de funcionamiento. Por ejemplo, si el ΔLi es de 1 mm y la velocidad de funcionamiento es de 2 m/s, el tiempo de muestreo es de 0,5 ms. Si la velocidad de funcionamiento es de 0,1 m/s, el tiempo de muestreo es de 10 ms.
En primer lugar, se analiza el efecto del error de repetibilidad de polarización cero. Cuando no existe error de estabilidad de polarización cero, el error de medición de velocidad angular causado por este error se corrige. Por ejemplo, a mayor velocidad de movimiento, menor tiempo total de medición, menor impacto del error de polarización cero y, por lo tanto, menor error de medición de deformación. A alta velocidad, el error de estabilidad de polarización cero es el principal factor que causa el error de medición del sistema. A baja velocidad, el error de repetibilidad de polarización cero se convierte en la principal causa del error de medición del sistema.
Utilizando el índice giroscópico de fibra óptica de precisión media típico, es decir, la estabilidad de polarización cero es de 0,5 °/h cuando el tiempo de muestreo es de 1 s, la repetibilidad cero es de 0,05 °/h. Compare los errores de medición del sistema a la velocidad de operación de 2 m/s, 1 m/s, 0,2 m/s, 0,1 m/s, 0,02 m/s, 0,01 m/s, 0,002 m/s y 0,001 m/s. Cuando la velocidad de operación es de 2 m/s, el error de medición es de 8,514 μm (RMS), cuando la velocidad de medición se reduce a 0,2 m/s, el error de medición es de 34,089 μm (RMS), cuando la velocidad de medición se reduce a 0,002 m/s, el error de medición es de 2246,222 μm (RMS), como se puede ver en los resultados de la comparación. Cuanto mayor sea la velocidad de funcionamiento, menor será el error de medición. Teniendo en cuenta la conveniencia de la operación de ingeniería, la velocidad de funcionamiento de 2 m/s puede lograr una precisión de medición mejor que 10 μm.
A partir del análisis de simulación de la medición de la deformación de estructuras de ingeniería con un giróscopo de fibra óptica, se establece el modelo de error del giróscopo y se obtiene la relación entre el error de medición de la deformación y su rendimiento utilizando como ejemplo el modelo de viga soportada simple. Los resultados de la simulación muestran que cuanto más rápido funciona el sistema, es decir, cuanto menor es el tiempo de muestreo del giróscopo de fibra óptica, mayor es la precisión de la medición de la deformación del sistema cuando el número de muestreos permanece constante, garantizando así la precisión de detección de distancia. Con el índice típico de precisión media del giróscopo de fibra óptica y una velocidad de funcionamiento de 2 m/s, se puede alcanzar una precisión de medición de la deformación superior a 10 μm.
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