CN101477138A - 一种光纤光栅高灵敏度加速度计 - Google Patents

一种光纤光栅高灵敏度加速度计 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光纤光栅高灵敏度加速度计，该加速度计包括外壳、支架、金属片、质量块、两根螺纹管、两根弹性梁、两根光纤光栅、两个微调螺母，所述的支架固定在外壳顶部，所述的质量块顶部通过金属片与支架顶部固定连接，以使质量块置于悬空，所述的两根螺纹管分别穿过外壳侧壁，伸出至侧壁外表面，所述的两根弹性梁分别固定在支架两侧外壁与两根螺纹管之间，所述的两根光纤光栅串接在同一根光纤上，所述的两根光纤光栅的串接端焊接在质量块上，所述的两根光纤光栅的另外两端分别穿过支架两侧的两根弹性梁，并焊接在其末端，所述的两个微调螺母分别套设在两根螺纹管伸出侧壁外的管体上。本发明拥有可远程监测，组网能力强，自带温度补偿等优点。

Description

一种光纤光栅高灵敏度加速度计
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种光纤光栅高灵敏度加速度计。
背景技术
传统的电加速度计是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如电容效应，热气泡效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。其缺点在于传感器本身受电磁干扰影响严重，使用场合有一定的局限性。
光纤光栅加速度计的传感机理是，如果拉伸或压缩光纤，波长就会发生变化，通过监测光纤光栅反射光的波长，就可以知道光纤光栅处的应变情况。如果让加速度影响光纤光栅反射光的波长，我们就可以测量加速度。我们针对这点开发了一种简便有效的光纤光栅加速度计装置，使得测量加速度的精度有了很大提高。而且可以通过远程读取光纤光栅中心反射波长，实现加速度计的远程实时读取，对于加速度计网状布设，工程实现简单易行。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种结构简单、布设方便、精度高、长期稳定性好的光纤光栅高灵敏度加速度计。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种光纤光栅高灵敏度加速度计，其特征在于，该加速度计包括外壳、支架、金属片、质量块、两根螺纹管、两根弹性梁、两根光纤光栅、两个微调螺母，所述的支架固定在外壳顶部，所述的质量块顶部通过金属片与支架顶部固定连接，以使质量块置于悬空，所述的两根螺纹管分别穿过外壳侧壁，伸出至侧壁外表面，所述的两根弹性梁分别固定在支架两侧外壁与两根螺纹管之间，所述的两根光纤光栅串接在同一根光纤上，所述的两根光纤光栅的串接端焊接在质量块上，所述的两根光纤光栅的另外两端分别穿过支架两侧的两根弹性梁，并焊接在其末端，所述的两个微调螺母分别套设在两根螺纹管伸出侧壁外的管体上。
还包括两个限位螺钉，该两个限位螺钉分别穿设在外壳侧壁的限位螺孔上。
所述的质量块以金属片为悬臂梁，可进行左、右一维方向摆动，所述的两个限位螺钉分别穿设在外壳侧壁上，用以限制质量块的摆动幅度。
所述的金属片的材料包括铜合金、铁合金、钛合金等。
所述的质量块的材料包括金属、非金属等。
所述的质量块的形状包括方形、圆形、“E”形、“L”形等。
所述的两根螺纹管、两根弹性梁、两根光纤光栅均为同轴且左右对称分布。
所述的外壳内部填充阻尼液体。
所述的两个弹性梁与支架固定为一体，并通过支架固定在外壳内。
所述的质量块通过金属片与支架固定为一体，并通过支架固定在外壳内。
与现有技术相比，本发明拥有测试精度高，抗电磁干扰，可远程监测，组网能力强，自带温度补偿等优点。
附图说明
图1是本发明一种光纤光栅高灵敏度加速度计的结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明一种光纤光栅高灵敏度加速度计包括：质量块1、支架2、金属片3、螺纹管4、外壳5、弹性梁6、微调螺母7、光纤光栅8、光纤光栅9、限位螺钉10、焊点11、焊点12。所述的支架2固定在外壳5顶部，所述的质量块1顶部通过金属片3与支架2顶部固定连接，以使质量块1置于悬空，所述的两根螺纹管4分别穿过外壳5侧壁，伸出至侧壁外表面，所述的两根弹性梁6分别固定在支架2两侧外壁与两根螺纹管4之间，所述的两根光纤光栅8、9串接在同一根光纤上，所述的两根光纤光栅8、9的串接端焊接在质量块1上，所述的两根光纤光栅8、9的另外两端分别穿过支架2两侧的两根弹性梁6，并焊接在其末端，所述的两个微调螺母7分别套设在两根螺纹管4伸出侧壁外的管体上。还包括两个限位螺钉10，该两个限位螺钉10分别穿设在外壳5侧壁的限位螺孔上。所述的质量块1以金属片3为悬臂梁，可进行左、右一维方向摆动，所述的两个限位螺钉10分别穿设在外壳5侧壁上，用以限制质量块1的摆动幅度。所述的金属片3的材料包括铜合金、铁合金、钛合金等。所述的质量块1的材料包括金属、非金属等。所述的质量块1的形状包括方形、圆形、“E”形、“L”形等。所述的两根螺纹管4、两根弹性梁6、两根光纤光栅8、9均为同轴且左右对称分布。所述的外壳5内部填充阻尼液体。所述的两个弹性梁6与支架2固定为一体，并通过支架2固定在外壳5内。所述的质量块1通过金属片3与支架2固定为一体，并通过支架2固定在外壳5内。所述的焊点11、12的焊料包括金属、非金属、胶等物质。
通过此装置，可以实现振幅及振动频率和加速度的精确传感，光纤光栅机械封装，不受任何电磁干扰。
质量块1通过金属片3与支架2相连，支架2固定在外壳5的侧壁上，保持质量块1悬空，弹性梁6固定在支架2的两端，弹性梁6与螺纹管4相连，伸出外壳5以外。连接两根不同波长的光纤光栅8、9，两光纤光栅8、9的中部与质量块1相连接11，两端分别与弹性梁6固定12，这样便能通过螺纹管4上的微调螺母7来拉伸弹性梁6，来实现对光纤光栅8、9的预拉伸。两个限位螺钉10在运输过程中顶住质量块1，防止震动对传感器造成破坏。
工作时，将传感器安装在待测目标表面，光栅方向与测试方向相同，固定牢靠，通过调节两端螺纹管4上的微调螺母7对光纤光栅89施加相同波长变化的预拉力。当待测目标向左加速运动时，质量块1在惯性作用下，对光纤光栅9进行拉伸而对光纤光栅8进行压缩。而两段光纤光栅受的力的大小相同，两段光纤光栅发生相同波长变化量，且方向相反。波长的变化量与待测目标的加速程度成正比关系。
其中利用两根光纤光栅一方面可以达到力的守恒，另一方面能实现精确的温度补偿。除了应力会改变光纤光栅波长外，温度同样能改变。为了剔除温度对传感器波长的影响，本结构使用了两段光纤光栅的封装方法，具体实现方式如下：
((Wa-Wa0)-(Wb-Wb0))/2
Wa---a段光纤光栅的测试波长
Wa0---a段光纤光栅的零点波长
Wb---b段光纤光栅的测试波长
Wb0---b段光纤光栅的零点波长
其中“Wa-Wa0”与“Wb-Wb0”的值中各包括加速度与温度对传感器引起的波长变化，其中加速度对传感器两段光纤光栅的波长变化量相等且相反，温度对传感器两段光纤光栅的波长变化量相等，所以两者的差值便是两倍的加速度引起的波长变化量，剔除掉了温度对光纤光栅的波长变化量。
((Wa-Wa0)+(Wb-Wb0))/2式子中，则是剔除了由于倾斜而引起的波长变化，剩下了温度对传感器引起的波长变化量，所以，在记录下安装时现场的温度的前提下，我们就可以计算出测试时的现场温度。
本发明是利用传感器在发生振动或加速度变化时，其结构会改变对光纤光栅的应力作用，我们通过对此变化量的计算来实现对被测体振幅及频率或加速度的测量，并且根据计算结果的正负值可以判断传感器加速度的方向。双光纤光栅封装结构还能将温度对器件的影响做自我修正，并且还能作为一个有较高精度的温度传感器使用，其效果和益处是该传感器体积小、测量精度相对较高，能测量物体振幅及频率、加速度及温度，而且可在一根光纤上布置多个传感器对多点进行准分布式测量，还可以和基于光纤光栅技术的各种传感器串联。

Claims (10)

1.一种光纤光栅高灵敏度加速度计，其特征在于，该加速度计包括外壳、支架、金属片、质量块、两根螺纹管、两根弹性梁、两根光纤光栅、两个微调螺母，所述的支架固定在外壳顶部，所述的质量块顶部通过金属片与支架顶部固定连接，以使质量块置于悬空，所述的两根螺纹管分别穿过外壳侧壁，伸出至侧壁外表面，所述的两根弹性梁分别固定在支架两侧外壁与两根螺纹管之间，所述的两根光纤光栅串接在同一根光纤上，所述的两根光纤光栅的串接端焊接在质量块上，所述的两根光纤光栅的另外两端分别穿过支架两侧的两根弹性梁，并焊接在其末端，所述的两个微调螺母分别套设在两根螺纹管伸出侧壁外的管体上。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高灵敏度加速度计，其特征在于，还包括两个限位螺钉，该两个限位螺钉分别穿设在外壳侧壁的限位螺孔上。
3.根据权利要求2所述的一种光纤光栅高灵敏度加速度计，其特征在于，所述的质量块以金属片为悬臂梁，可进行左、右一维方向摆动，所述的两个限位螺钉分别穿设在外壳侧壁上，用以限制质量块的摆动幅度。
4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高灵敏度加速度计，其特征在于，所述的金属片的材料包括铜合金、铁合金、钛合金等。
5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高灵敏度加速度计，其特征在于，所述的质量块的材料包括金属、非金属等。
6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高灵敏度加速度计，其特征在于，所述的质量块的形状包括方形、圆形、“E”形、“L”形等。
7.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高灵敏度加速度计，其特征在于，所述的两根螺纹管、两根弹性梁、两根光纤光栅均为同轴且左右对称分布。
8.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高灵敏度加速度计，其特征在于，所述的外壳内部填充阻尼液体。
9.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高灵敏度加速度计，其特征在于，所述的两个弹性梁与支架固定为一体，并通过支架固定在外壳内。
10.根据权利要求1所述的一种光纤光栅高灵敏度加速度计，其特征在于，所述的质量块通过金属片与支架固定为一体，并通过支架固定在外壳内。
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