CN101210937A - 光纤光栅三维加速度/振动传感器 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅三维加速度/振动传感器，在基座的与x、y、z轴对应的三个相互垂直的右平面、上平面和前平面上各固定设置有一个测量探头，三个测量探头形成相互垂直的位置关系，每个测量探头的一端通过单模光纤与光分路器相连，而光分路器的另一端通过单模光纤分别连接光源和波长解调设备。测量探头包括有：固定在基座平面上的弯曲梁和沿弯曲梁的轴向粘贴于弯曲梁表面上的光纤光栅，以及固定于弯曲梁自由端的质量块，所述的光纤光栅的一端通过单模光纤与光分路器相连。本发明利用布喇格光纤光栅作为传感器件，采用三根光纤光栅测量三维空间加速度的三个相互垂直的分量，通过三个分量的矢量迭加实现空间三维加速度的测量。可应用于空间三维加速度或振动参量的感测。

Description

光纤光栅三维加速度/振动传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器。特别是涉及一种通过三个分量的矢量迭加实现空间三维加速度的测量的光纤光栅三维加速度/振动传感器。

背景技术

光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。在单模光纤上写制布喇格光栅，由于均匀的折射率分布，其反射谱具有一个满足布喇格条件的反射峰，反射峰的波长与栅格间距和折射率调制深度成正比。当光纤光栅受到轴向力时，其栅格周期将发生变化，进而引起光纤光栅反射峰的漂移。在弯曲梁结构的加速度传感器中，加速度于梁的自由端挠度有关，因此可以通过光纤光栅探测梁的挠度，进而获得振动的加速度。

但是，在现有技术中，仅能够应用光纤光栅做一维加速度传感，尚未有应用光纤光栅实现空间三维加速度传感的方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过三个分量的矢量迭加实现空间三维加速度的测量的光纤光栅三维加速度/振动传感器。

本发明所采用的技术方案是：一种光纤光栅三维加速度/振动传感器，包括有基座，在基座的与x、y、z轴对应的三个相互垂直的右平面、上平面和前平面上各固定设置有一个测量探头，共设有三个结构相同的测量探头，三个测量探头形成相互垂直的位置关系，所述的每个测量探头的一端通过单模光纤与光分路器相连，而光分路器的另一端通过单模光纤分别连接光源和波长解调设备。

所述的测量探头包括有：固定在基座平面上的弯曲梁和沿弯曲梁的轴向粘贴于弯曲梁表面上的光纤光栅，以及固定于弯曲梁自由端的质量块，其中，所述的光纤光栅的一端通过单模光纤与光分路器相连。

所述的三只光纤光栅到弯曲梁固定端的距离相等。

所述的光纤光栅是能由应变引起光谱变化的光学器件构成，为布喇格光纤光栅或长周期光纤光栅或光纤FP腔或光纤干涉器件。

所述的弯曲梁为能构成弯曲的振动梁结构，为悬臂梁或简支梁或伸长梁。

所述的用于传感的光纤光栅采用串联或并联或串并混联的连接方式。

所述的光源是宽带光源或可调谐光源。

本发明的光纤光栅三维加速度/振动传感器，利用布喇格光纤光栅作为传感器件，采用三根光纤光栅测量三维空间加速度的三个相互垂直的分量，通过三个分量的矢量迭加实现空间三维加速度的测量。可应用于空间三维加速度或振动参量的感测。

附图说明

图1是本发明的光纤光栅三维加速度/振动传感器的结构示意图。

其中：

1：光源                                2：波长解调设备

3：光分路器                            4：光纤光栅

5：弯曲梁                              6：单模光纤

7：基座                                8：测量探头

9：质量块

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的光纤光栅三维加速度/振动传感器做出详细说明。

本发明提供的光纤光栅三维加速度/振动传感器，由是3个材料、尺寸相同的振动梁结构，按x、y、z轴三个方向刚性固定于同一个基座上，3个振动梁的自由端分别刚性固定3个相同的质量块，用作基本传感器件的3只光纤光栅分别粘贴于三个梁的上表面，3只光纤光栅在三个梁上的位置相同，3只光纤光栅的一端分别通过单模光纤连接光分路器，光分路器的另一端通过单模光纤分别连接光源和波长解调设备。

具体如图1所示，本发明的光纤光栅三维加速度/振动传感器，包括有基座7，在基座7的与x、y、z轴对应的三个相互垂直的右平面b、上平面c和前平面a上各固定设置有一个测量探头8，共设有三个结构相同的测量探头8，三个测量探头8形成相互垂直的位置关系。所述的测量探头8的构成包括有：固定在基座7平面上的弯曲梁5和沿弯曲梁5的轴向粘贴于弯曲梁5表面上的光纤光栅4以及固定于弯曲梁5自由端的质量块9。三个测量探头8共有三个相同的质量块9和三只相同的光纤光栅4，所述的三只光纤光栅4到弯曲梁5固定端的距离都相等，每只光纤光栅4的一端(即每个测量探头8的一端)通过单模光纤6与光分路器3相连，而光分路器3的另一端通过单模光纤6分别连接光源1和波长解调设备2。

上面所述的光纤光栅4是能由应变引起光谱变化的光学器件构成，为布喇格光纤光栅或长周期光纤光栅或光纤FP腔或光纤干涉器件。所述的弯曲梁5为能构成弯曲的振动梁结构，为悬臂梁或简支梁或伸长梁。所述的用于传感的光纤光栅4可以是光纤光栅加速度传感器阵列，采用串联或并联或串并混联的连接方式。所述的光源1是宽带光源或可调谐光源。所述的光分路器3可以是光耦合器、光开关等光学器件。所述的波长解调设备2可以是光谱仪或多波长计等光波长解调设备。所述的悬臂梁5和基座7可以是质地均匀金属、非金属或其他材质。

本发明的光纤光栅三维加速度/振动传感器，当被测物块做加速或振动运动时，由于质量块的惯性，三个梁发生不同程度的弯曲，此时三根布喇格光纤光栅4由于受力不同其反射峰将产生不同的漂移量，可以利用材料力学公式计算梁的挠度，进而计算出这三个垂直方向上的加速度，由此可以进行三维加速度的传感测量。

测试原理是：

若弯曲梁结构采用等强度悬臂梁时(长度为L，厚度为h，固定端宽度为b，弹性模量为E)：光纤光栅沿悬臂梁上表面轴线粘贴于悬臂梁的固定端附近。悬臂梁自由端固定质量为m的质量块作为载荷。根据材料力学知识：

等强度梁弯曲时上表面轴向应变为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{h}{L^2}X---\left(1\right)$

光纤光栅反射峰漂移量为：

          Δλ_B＝(1-P_e)ελ_B                                        (2)

将(1)代入(2)得光纤光栅反射峰漂移量与悬臂梁自由端挠度的关系：

${\mathrm{\Δ\λ}}_B={\mathrm{\λ}}_B(1-P_e)\frac{h}{L^2}X---\left(3\right)$

设基座作简谐振动的位移为：

          X₀＝dcos(ωt)                                             (4)

悬臂梁自由端挠度于基座的位移满足：

$m\frac{{\∂}^{2}X}{{\∂t}^2}+c\frac{\∂X}{\∂t}+\mathrm{kX}=-m\frac{{\∂}^2{X}_0}{{\∂t}^2}---\left(5\right)$

将(4)代入并化简为：

$\frac{{\∂}^{2}X}{{\∂t}^2}+2{\mathrm{\ξ\ω}}_n\frac{\∂X}{\∂t}+{\mathrm{\ω}}_n^{2}X={d\mathrm{\ω}}^2\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(6\right)$

式中，梁的固有频率 ${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{k/m},$ 刚度 $k=\frac{\mathrm{Eb}{h}^3}{6L^3},$ c为阻尼，临界阻尼 $c_c=2\sqrt{\mathrm{mk}},$ 阻尼比为 $\mathrm{\ξ}=c/c_c=c/2\sqrt{\mathrm{mk}}.$

解(6)得：

$X=\frac{d\·{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2}{{[1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2]}^2+{4\mathrm{\ξ}}^2{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2}\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\φ})---\left(7\right)$

即加速度的幅值与悬臂梁振幅满足：

$\⟨\frac{{\∂}^2{X}_0}{{\∂t}^2}\⟩={\mathrm{\ω}}_n^2\{{[1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2]}^2+4{\mathrm{\ξ}}^2{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2\}\⟨X\⟩---\left(9\right)$

将(3)代入(9)得：

$\⟨\frac{{\∂}^2{X}_0}{{\∂t}^2}\⟩={\mathrm{\ω}}_n^2\{{[1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2]}^2+4{\mathrm{\ξ}}^2{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2\}\frac{L^2{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B(1-P_e)h}---\left(10\right)$

因此可以利用光纤光栅的反射峰漂移量测得振动加速度。

测量三个光栅中心波长的漂移量，利用(10)式分别求出三个方向上的加速度分量a_x、a_y、a_z，则空间三维加速度为：

$a=\sqrt{a_x^2+a_y^2+a_z^2}---\left(11\right)$

Claims (7)

1.一种光纤光栅三维加速度/振动传感器，包括有基座(7)，其特征在于，在基座(7)的与x、y、z轴对应的三个相互垂直的右平面(b)、上平面(c)和前平面(a)上各固定设置有一个测量探头(8)，共设有三个结构相同的测量探头(8)，三个测量探头(8)形成相互垂直的位置关系，所述的每个测量探头(8)的一端通过单模光纤(6)与光分路器(3)相连，而光分路器(3)的另一端通过单模光纤(6)分别连接光源(1)和波长解调设备(2)。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅三维加速度/振动传感器，其特征在于，所述的测量探头(8)包括有：固定在基座(7)平面上的弯曲梁(5)和沿弯曲梁(5)的轴向粘贴于弯曲梁(5)表面上的光纤光栅(4)，以及固定于弯曲梁(5)自由端的质量块(9)，其中，所述的光纤光栅(4)的一端通过单模光纤(6)与光分路器(3)相连。

3.根据权利要求1或2所述的光纤光栅三维加速度/振动传感器，其特征在于，所述的三只光纤光栅(4)到弯曲梁(5)固定端的距离相等。

4.根据权利要求1或2所述的光纤光栅三维加速度/振动传感器，其特征在于，所述的光纤光栅(4)是能由应变引起光谱变化的光学器件构成，为布喇格光纤光栅或长周期光纤光栅或光纤FP腔或光纤干涉器件。

5.根据权利要求1或2所述的光纤光栅三维加速度/振动传感器，其特征在于，所述的弯曲梁(5)为能构成弯曲的振动梁结构，为悬臂梁或简支梁或伸长梁。

6.根据权利要求1或2所述的光纤光栅三维加速度/振动传感器，其特征在于，所述的用于传感的光纤光栅(4)采用串联或并联或串并混联的连接方式。

7.根据权利要求1所述的光纤光栅三维加速度/振动传感器，其特征在于，所述的光源(1)是宽带光源或可调谐光源。

Images