CN101344533A - 基于纯弯梁的光纤光栅加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感器技术领域，公开了一种基于纯弯梁的光纤光栅加速度计，包括：用作光纤光栅加速度计支撑结构的传感器外壳1；用于测量加速度的光纤光栅2；用于安装光纤光栅2的弹性简支梁3；用于安装弹性简支梁3，且固定在外壳1上的第一支座5和第二支座6；安装在弹性简支梁3上，用于调整光纤光栅加速度计灵敏度和自振频率的两个质量块4。利用本发明，提高了光纤光栅加速度计的灵敏度，并改进了光纤光栅加速度计的封装工艺，使栅区获得了均匀应变。

Description

基于纯弯梁的光纤光栅加速度计

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种基于纯弯梁的光纤光栅加速度计。

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。

余有龙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。

因此，如何改进光纤光栅加速度计的封装形式以消除栅区的应力不均匀并提高光纤光栅加速度计的灵敏度是光纤光栅加速度计大规模应用必需解决的重要技术之一。

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基于纯弯梁的光纤光栅加速度计，以提高光纤光栅加速度计的灵敏度，并改进光纤光栅加速度计的封装工艺，使栅区获得均匀应变。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于纯弯梁的光纤光栅加速度计，该光纤光栅加速度计包括：

用作光纤光栅加速度计支撑结构的传感器外壳1；

用于测量加速度的光纤光栅2；

用于安装光纤光栅2的弹性简支梁3；

用于安装弹性简支梁3，且固定在外壳1上的第一支座5和第二支座6；

安装在弹性简支梁3上，用于调整光纤光栅加速度计灵敏度和自振频率的两个质量块4。

上述方案中，所述光纤光栅2固定于弹性简支梁3上，且位于两个质量块4的中间。

上述方案中，所述弹性简支梁3的两端通过第一支座5和第二支座6固定在外壳1上。

上述方案中，所述质量块4对称安装于弹性简支梁3上，且每个质量块距离弹性简支梁3端部的距离为弹性简支梁3长度的四分之一。

上述方案中，所述弹性简支梁3的刚度小于第一支座5和第二支座6的刚度。

上述方案中，所述弹性简支梁3的质量小于质量块4的质量。

上述方案中，所述弹性简支梁3为等截面梁，截面为长方形。

(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、本发明提供的这种基于纯弯梁的光纤光栅加速度计，通过在弹性简支梁3中产生均匀的应变的方法使栅区的应力均匀，避免了光纤光栅由于受力不均匀而产生的啁啾。

2、本发明提供的这种基于纯弯梁的光纤光栅加速度计，灵敏度高，并且灵敏度和自振频率易于调节，可以方便的通过改变质量块4的质量来改变传感器的灵敏度和自振频率。同时，由于弹性简支梁3中部的应变均匀，传感器可以获得很大的动态范围。

附图说明

图1为本发明提供的基于纯弯梁的光纤光栅加速度计的结构侧视图；

图2为本发明提供的光纤光栅加速度计中弹性简支梁的弯矩图。

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所示，图1为本发明提供的光纤光栅加速度计的结构侧视图。该光纤光栅加速度计包括：传感器外壳1，用作光纤光栅加速度计的支撑结构；光纤光栅2，用于测量加速度；弹性简支梁3，用于安装光纤光栅2，光纤光栅2的尾纤可以通过在外壳1上开孔7引到传感器外部；固定在外壳1上的第一支座5和第二支座6，用于安装弹性简支梁3；质量块4，共两个，用于调整传感器的灵敏度和自振频率。

弹性简支梁3的两端分别固定在第一支座5和第二支座6上，成为一简支梁。质量块4对称安装于梁3上，且每个质量块距离弹性简支梁3端部的距离为弹性简支梁3长度的四分之一。

梁的弯曲正应力最大值为

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{M_{\max }}{W}$

其中W为梁的抗弯截面系数，对截面固定的梁为一常数。故要求弹性简支梁3为等截面梁，且截面一般为长方形。采用本发明提出的加载方式，弹性简支梁3的弯矩图如图2所示，在两个质量块中间的部分的弯矩为一常数，故位于两个质量块中间部分的梁的表面正应力为

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{M_{\max }}{W}=\frac{\mathrm{FL}}{4W}$

其中，F为质量块的重量，L为梁的长度。由上式可见，两个质量块中间部分的梁表面的应力或应变为一常数，这样就避免了光栅固定在上面时的啁啾问题。所以，光纤光栅2固定于弹性简支梁3上质量块4的中间。

为了保证传感器在应用时弹性简支梁3的变形仍然满足简支梁条件，要求第一支座5和第二支座6之间的距离不能发生改变，故弹性简支梁3的刚度远小于第一支座5和第二支座6的刚度。同时，为了减小非线性效应，减小传感器设计计算的难度，弹性简支梁3的质量一般远远小于质量块4的质量。

当该光纤光栅振动传感器受到振动激励时，弹性简支梁3和质量块4构成一个弹簧-质量系统，质量块4在垂直于弹性简支梁3的表面的方向起振，带动弹性简支梁3产生一定的挠度。由于光纤光栅2的固定在弹性简支梁3表面上，从而弹性简支梁3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。

同时，由于质量块4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4的质量来改变传感器的灵敏度和自振频率。弹性简支梁3的刚度同样可以决定传感器的灵敏度和自振频率，故改变弹性简支梁3的材料和结构参数亦可以改变传感器的灵敏度和自振频率。

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 (7)

1、一种基于纯弯梁的光纤光栅加速度计，其特征在于，该光纤光栅加速度计包括：

用作光纤光栅加速度计支撑结构的传感器外壳(1)；

用于测量加速度的光纤光栅(2)；

用于安装光纤光栅(2)的弹性简支梁(3)；

用于安装弹性简支梁(3)，且固定在外壳(1)上的第一支座(5)和第二支座(6)；

安装在弹性简支梁(3)上，用于调整光纤光栅加速度计灵敏度和自振频率的两个质量块(4)。

2、根据权利要求1所述的光纤光栅加速度计，其特征在于，所述光纤光栅(2)固定于弹性简支梁(3)上，且位于两个质量块(4)的中间。

3、根据权利要求1所述的光纤光栅加速度计，其特征在于，所述弹性简支梁(3)的两端通过第一支座(5)和第二支座(6)固定在外壳(1)上。

4、根据权利要求1所述的光纤光栅加速度计，其特征在于，所述质量块(4)对称安装于弹性简支梁(3)上，且每个质量块距离弹性简支梁(3)端部的距离为弹性简支梁(3)长度的四分之一。

5、根据权利要求1或3所述的光纤光栅加速度计，其特征在于，所述弹性简支梁(3)的刚度小于第一支座(5)和第二支座(6)的刚度。

6、根据权利要求1或3所述的光纤光栅加速度计，其特征在于，所述弹性简支梁(3)的质量小于质量块(4)的质量。

7、根据权利要求1或3所述的光纤光栅加速度计，其特征在于，所述弹性简支梁(3)为等截面梁，截面为长方形。

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