CN101285847B - 一种温度不敏感的光纤光栅加速度传感器 - Google Patents

一种温度不敏感的光纤光栅加速度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种温度不敏感的光纤光栅加速度传感器，包括：作为光纤光栅加速度传感器支撑结构的外壳；用于测量加速度的光纤光栅，该光纤光栅的一端固定于所述光纤光栅加速度传感器一端的内壁，另一端平行穿过所述光纤光栅加速度传感器另一端上的小孔并延伸到所述光纤光栅加速度传感器外部；固定于光纤光栅加速度传感器前后两侧壁上的轴；安装于轴上的L型杠杆，用于将振动信号传递给与自身连接的光纤光栅；所述L型杠杆竖直方向部分与水平方向部分相交的折点处与轴活动连接；固定于杠杆水平方向端部的质量块，用于调整传感器的灵敏度和自振频率。本发明提高了光纤光栅加速度传感器的灵敏度，改进了光纤光栅加速度传感器的封装工艺。

Description

一种温度不敏感的光纤光栅加速度传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种温度不敏感的光纤光栅加速度传感器。
背景技术
光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性等方面也具有明显的优势，在国防、军事应用领域显得尤为突出，被许多国家列为重点发展的国防技术。
光纤加速度计是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产生的种种调制效应，探测地面、空气中或者海底的振动等信号的仪器。它与传统的压电类加速度计相比，有以下主要优势：频带宽、声压灵敏度高、不受电磁干扰、重量轻、可设计成任意形状，以及兼具信息传感及光信息传输于一身等优点。
鉴于光纤加速度计的如上技术优势，可满足各发达国家在石油、军事等领域的要求，目前已经在此方面积极展开研究。
在常见的强度调制型、数字式、光纤光栅式光纤加速度计中，光纤光栅式加速度计由于其体积小、易于复用的特点得到了广泛的关注。
田珂珂等人报道了一种光纤光栅加速度计，是采用在将光纤光栅粘接在悬臂梁表面的方法。当悬臂梁发生振动时，其表面会有周期性的压拉应变，光纤光栅通过检测悬臂梁表面的应变来实现振动的测量。该种技术方案一方面光纤光栅的栅区直接被胶封装，容易使光纤光栅产生啁啾；另一方面为了使加速度和传感器的输出保持线性关系，悬臂梁的挠度不能过大，从而限制了传感器的灵敏度。此外，由于悬臂梁由金属加工而成，对温度变化比较敏感，需要额外的温度补偿技术。
因此，如何改进光纤光栅加速度计的封装形式以及提高光纤光栅加速度计的灵敏度，降低传感器的温度敏感性是光纤光栅加速度计大规模应用必需解决的重要技术问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种温度不敏感的光纤光栅加速度传感器，以提高光纤光栅加速度传感器的灵敏度并改进光纤光栅加速度传感器的封装工艺。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种温度不敏感的光纤光栅加速度传感器，该光纤光栅加速度传感器包括：
作为该光纤光栅加速度传感器支撑结构的外壳1，该外壳1由热膨胀系数小的材料制作；
用于测量加速度的光纤光栅2，该光纤光栅2的一端固定于所述光纤光栅加速度传感器一端的内壁，另一端平行穿过所述光纤光栅加速度传感器另一端上的小孔并延伸到所述光纤光栅加速度传感器外部，且该光纤光栅2在穿过所述光纤光栅加速度传感器另一端上的小孔时经过L型杠杆3竖直方向端部，与L型杠杆3竖直方向垂直并与L型杠杆3的竖直方向端部固定连接；
固定于光纤光栅加速度传感器前后两侧壁上的轴4；
安装于轴4上的L型杠杆3，用于将振动信号传递给与自身连接的光纤光栅2；所述L型杠杆3竖直方向部分与水平方向部分相交的折点处与轴4活动连接，并可绕轴4旋转；
固定于L型杠杆3水平方向端部的质量块5，用于调整传感器的灵敏度和自振频率；
该光纤光栅加速度传感器在具有用于穿过光纤光栅2小孔的一端的内壁上进一步固定连接有一个弹簧6，该弹簧6的另一端连接于L型杠杆3的竖直方向部分，该弹簧6处于被拉伸状态，使得光纤光栅2具有一定的初始拉应力，该弹簧6的热膨胀系数远大于外壳(1)的热膨胀系数。
上述方案中，当所述光纤光栅加速度传感器受到振动激励时，所述光纤光栅2，弹簧6和质量块5构成一个弹簧-质量系统，质量块5在激励加速度的方向起振并产生一定的位移，该位移通过L型杠杆3通过轴4传递给光纤光栅2。
上述方案中，所述质量块5的质量远大于L型杠杆3的质量，用于减小光纤光栅加速度传感器的非线性效应。
上述方案中，所述轴4上L型杠杆3的两侧进一步安装有螺母7，用于限制L型杠杆3沿轴4轴向的位移，使L型杠杆3只有一个绕轴4旋转的自由度，以降低光纤光栅加速度传感器的横向灵敏度。
上述方案中，该光纤光栅加速度传感器通过调节质量块5的质量或改变弹簧6的刚度来改变传感器的灵敏度和自振频率。
上述方案中，所述热膨胀系数小的材料为聚合物材料，或为复合材料。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种温度不敏感的光纤光栅加速度传感器，通过在光纤光栅的两端进行固定的方式，在避免光纤光栅产生啁啾的同时简化了封装的工艺，制作工艺简单。
2、本发明提供的这种温度不敏感的光纤光栅加速度传感器，质量块在振动过程中的位移转化为光纤光栅的轴向位移，相比于粘贴在悬臂梁表面通过应变传递的方式，本发明的结构极大的提高了传感器的灵敏度。
3、本发明提供的这种温度不敏感的光纤光栅加速度传感器，由于可以方便的通过调节质量块5的质量或改变弹簧6的刚度来改变传感器的灵敏度和自振频率，灵敏度和自振频率易于调节。
附图说明
图1为本发明提供的温度不敏感的光纤光栅加速度传感器的结构侧视图；
图2为本发明提供的温度不敏感的光纤光栅加速度传感器的结构俯视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1和图2所示，图1为本发明提供的温度不敏感的光纤光栅加速度传感器的结构侧视图，图2为本发明提供的温度不敏感的光纤光栅加速度传感器的结构俯视图。
该温度不敏感的光纤光栅加速度传感器包括：作为该光纤光栅加速度传感器支撑结构的外壳1；用于测量加速度的光纤光栅2，该光纤光栅2的一端固定于所述光纤光栅加速度传感器一端的内壁，另一端平行穿过所述光纤光栅加速度传感器另一端上的小孔并延伸到所述光纤光栅加速度传感器外部，且该光纤光栅2在穿过所述光纤光栅加速度传感器另一端上的小孔时经过L型杠杆3竖直方向端部，与L型杠杆3竖直方向垂直并与L型杠杆3的竖直方向端部固定连接；固定于光纤光栅加速度传感器前后两侧壁上的轴4；安装于轴4上的L型杠杆3，用于将振动信号传递给与自身连接的光纤光栅3；所述L型杠杆3竖直方向部分与水平方向部分相交的折点处与轴4活动连接，并可绕轴4旋转；固定于杠杆3水平方向端部的质量块5，用于调整传感器的灵敏度和自振频率。
该温度不敏感的光纤光栅加速度传感器在具有用于穿过光纤光栅2小孔的一端的内壁上进一步固定连接有一个弹簧6，该弹簧6的另一端连接于L型杠杆3的竖直方向部分，该弹簧6处于被拉伸状态，使得光纤光栅2具有一定的初始拉应力。
当该光纤光栅加速度传感器受到如图1所示方向的振动激励时，上述光纤光栅2，弹簧6和质量块5构成一个弹簧-质量系统，质量块5在激励加速度的方向起振并产生一定的位移，该位移通过L型杠杆3通过轴4传递给光纤光栅2。由于光纤光栅2的一端固定在传感器外壳1上，另一端固定在L型杠杆3上，从而质量块5的振动使得光纤光栅中产生和振动频率一致的周期性变化的轴向应力。对于光纤光栅，其反射波长的变化量与所受轴向应力成正比，故通过检测波长的变化量可以得到外界振动加速度的大小。
上述轴4上L型杠杆3的两侧进一步安装有螺母7，用于限制L型杠杆3沿轴4轴向的位移，使L型杠杆3只有一个绕轴4旋转的自由度，以降低光纤光栅加速度传感器的横向灵敏度。由于L型杠杆3被螺母7限制只有一个自由度，故本发明显著的降低了传感器的横向灵敏度。
在设计传感器时需要使L型杠杆3的质量相对于质量块5很小，可以忽略，以减小系统的非线性效应。
由于质量块5的质量将对加速度计的灵敏度和自振频率产生显著的影响，故可以通过调节质量块5的质量来改变传感器的灵敏度和自振频率。弹簧6的刚度同样可以决定传感器的灵敏度和自振频率，故改变弹簧6的刚度亦可以改变传感器的灵敏度和自振频率。因此，光纤光栅加速度传感器通过调节质量块5的质量或改变弹簧6的刚度来改变传感器的灵敏度和自振频率。
外壳1由热膨胀系数较小的材料如聚合物、复合材料等制作。弹簧6的热膨胀系数远大于外壳1的热膨胀系数。当外界温度发生变化时，一方面，由于外壳1的热膨胀系数较小，轴4与外壳1固定光纤光栅2的一侧的内壁之间的距离变化很小，因此由温度变化引起的光纤光栅2中的附加应变很小。另一方面，由于弹簧6的热膨胀系数较大，并远大于外壳1的热膨胀系数，当外界温度发生变化时，弹簧6的伸长量大于轴4与外壳1用于穿过光纤光栅2小孔的一端的内壁之间的伸长量，因此弹簧6相对松弛，从而补偿了外界温度的变化。
本发明对外界温度变化的补偿还体现在另外一方面，由于光纤光栅2与L型杠杆3竖直方向垂直，所以当L型杠杆3受到外界温度波动的影响而在长度上发生变化时，其伸长(或缩短)量垂直于光纤光栅2，因此对光纤光栅2轴向应变的影响可以忽略。故本发明提供的这种光纤光栅加速度传感器具有温度自补偿的作用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种温度不敏感的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，该光纤光栅加速度传感器包括：
作为该光纤光栅加速度传感器支撑结构的外壳(1)，该外壳(1)由热膨胀系数小的材料制作；
用于测量加速度的光纤光栅(2)，该光纤光栅(2)的一端固定于所述光纤光栅加速度传感器一端的内壁，另一端平行穿过所述光纤光栅加速度传感器另一端上的小孔并延伸到所述光纤光栅加速度传感器外部，且该光纤光栅(2)在穿过所述光纤光栅加速度传感器另一端上的小孔时经过L型杠杆(3)竖直方向端部，与L型杠杆(3)竖直方向垂直并与L型杠杆(3)的竖直方向端部固定连接；
固定于光纤光栅加速度传感器前后两侧壁上的轴(4)；
安装于轴(4)上的L型杠杆(3)，用于将振动信号传递给与自身连接的光纤光栅(2)；所述L型杠杆(3)竖直方向部分与水平方向部分相交的折点处与轴(4)活动连接，并可绕轴(4)旋转；
固定于L型杠杆(3)水平方向端部的质量块(5)，用于调整传感器的灵敏度和自振频率；
该光纤光栅加速度传感器在具有用于穿过光纤光栅(2)小孔的一端的内壁上进一步固定连接有一个弹簧(6)，该弹簧(6)的另一端连接于L型杠杆(3)的竖直方向部分，该弹簧(6)处于被拉伸状态，使得光纤光栅(2)具有一定的初始拉应力，该弹簧(6)的热膨胀系数远大于外壳(1)的热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的温度不敏感的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，当所述光纤光栅加速度传感器受到振动激励时，所述光纤光栅(2)、弹簧(6)和质量块(5)构成一个弹簧-质量系统，质量块(5)在激励加速度的方向起振并产生一定的位移，该位移通过L型杠杆(3)通过轴(4)传递给光纤光栅(2)。
3.根据权利要求1所述的温度不敏感的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述质量块(5)的质量远大于L型杠杆(3)的质量，用于减小光纤光栅加速度传感器的非线性效应。
4.根据权利要求1所述的温度不敏感的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述轴(4)上L型杠杆(3)的两侧进一步安装有螺母(7)，用于限制L型杠杆(3)沿轴(4)轴向的位移，使L型杠杆(3)只有一个绕轴(4)旋转的自由度，以降低光纤光栅加速度传感器的横向灵敏度。
5.根据权利要求1所述的温度不敏感的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，该光纤光栅加速度传感器通过调节质量块(5)的质量或改变弹簧(6)的刚度来改变传感器的灵敏度和自振频率。
6.根据权利要求1所述的温度不敏感的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述热膨胀系数小的材料为聚合物材料，或为复合材料。
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