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微光機(jī)電系統(tǒng)（ＭＯＥＭＳ）三分量加速度地震檢波器主要包括簡諧振子、光波導(dǎo)偏振器、光電探測器和數(shù)字信號(hào)處理電路。簡諧振子是整個(gè)檢波器的關(guān)鍵部位，主要由質(zhì)量塊、ＬｉＮｂＯ３基底和雙馬赫－曾德爾（Ｍ-Ｚ）干涉儀組成，其設(shè)計(jì)和制配的優(yōu)劣、靈敏度和性能對整個(gè)檢波器有至關(guān)重要的作用。高質(zhì)量的簡諧振子要邊緣棱角清楚，整體上整齊清晰，質(zhì)量塊和基底的邊緣無花紋和斑點(diǎn)。有限元法是一種求解數(shù)理方程的數(shù)值計(jì)算方法，它是一個(gè)用于數(shù)值計(jì)算功能強(qiáng)大的工程工具。它將計(jì)算機(jī)軟件、計(jì)算數(shù)學(xué)和彈性理論有機(jī)地結(jié)合起來，由于該方法的有效性、快速和靈活，使其迅速發(fā)展為求解各領(lǐng)域數(shù)理方程通用的近似計(jì)算方法。
本文采用有限元分析法對簡諧振子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。簡諧振子的工作原理ＭＯＥＭＳ三分量加速度地震檢波器的工作原理是當(dāng)檢波器受到一外來的地震波時(shí)，質(zhì)量塊由于受到震動(dòng)產(chǎn)生橫梁的彎曲變化，引起信號(hào)臂上的光相位發(fā)生改變，從而分別沿ｘ、ｙ、ｚ３個(gè)方向激發(fā)檢波器，干涉光強(qiáng)由 Ｍ－Ｚ干涉儀檢測，并由數(shù)字信號(hào)處理電路進(jìn)行進(jìn)一步的相位探測，最后從雙 Ｍ－Ｚ干涉儀的輸出光強(qiáng)中提取感應(yīng)到的加速度信號(hào)。
ANSYS是美國 ANSYS公司研制的有限元分析（FEA）軟件，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)、傳熱、流體等問題的耦合分析。用戶可按照幾何畫圖描述、單元選擇及剖分、設(shè)定幾何約束及施加外力、選擇算法及運(yùn)行、觀察計(jì)算結(jié)果及可視化輸出等步驟這樣非常規(guī)范的流程來執(zhí)行。ANSYS自主建模的方法有自上而下建模和自下而上建模兩種方法。
采用自上而下建模的方法建立簡諧振子中質(zhì)量塊的實(shí)體模型。
考慮到三分量加速度地震檢波器集成化和簡諧振子腐蝕質(zhì)量的要求，選擇單晶硅作為簡諧振子中質(zhì)量塊的材料。硅單晶是以純度極高的多晶硅為原料，通常由直拉法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法）和區(qū)熔（Ｆｌｏａｔ－Ｚｏｎｅ）法成長而成。
網(wǎng)格劃分的控制技術(shù)主要涉及單元形狀、中間節(jié)點(diǎn)位置和單元大小等方面。首先選擇單元類型為Ｓｏｌｉｄ中的Ｂｒｉｃｋ ８ｎｏｄｅ ４５，它是一種拋物線形實(shí)體四面體單元。定義材料屬性，依次設(shè)置彈性模量、泊松比和密度。最后采用智能分網(wǎng)的方式劃分網(wǎng)格，為提高計(jì)算精度，設(shè)置網(wǎng)格尺寸級(jí)別為１。
載荷是指在實(shí)體模型上的位移、力、溫度等，選擇合適的載荷對分析結(jié)果的影響大，施加載荷的關(guān)鍵是確定載荷的類型。由于質(zhì)量塊與基底固聯(lián)，因此對幾何模型兩側(cè)的兩個(gè)底面施加位移約束，然后對模型右側(cè)面上編號(hào)為414的結(jié)點(diǎn)施加水平方向即沿ｘ方向的力。
靜力分析用于計(jì)算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，不考慮慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用于結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假定，即假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨時(shí)間的變化很緩慢。查看實(shí)體模型ｘ、ｙ、ｚ３個(gè)分量總位移的應(yīng)力云圖的顯示結(jié)果，如圖所示。由圖可知，實(shí)體模型的總位移為0.236×e-19μｍ。
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