CN101852815A - 一种温度自补偿型悬臂梁式光纤光栅加速度计 - Google Patents

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何大伟
王永生
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Abstract

本发明公开了一种温度自补偿型悬臂梁式光纤光栅加速度计，涉及一种加速度计。解决了现有加速度计的温度影响问题。该光纤光栅加速度计的底座(7)的一端固定在外壳(1)的底面，底座(7)的另一端与悬臂梁(6)的一端固定；在光纤(4)上写入一号光纤光栅(2)和二号光纤光栅(5)：将一号光纤光栅固定在悬臂梁的上表面，二号光纤光栅固定在悬臂梁的下表面，所述的一号光纤光栅和二号光纤光栅位于悬臂梁的中心线上，一号光纤光栅和二号光纤光栅的两端对齐；光纤上写入一号光纤光栅的光纤的一端，穿过外壳的导出孔露在外壳的外部。用于测量物体的振动频率和加速度。

Description

一种温度自补偿型悬臂梁式光纤光栅加速度计
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅加速度计，用于测量物体的振动频率和加速度。
背景技术
在工程应用中，结构振动测试有着重要作用，对结构的振动测试最能直接反应结构的性能，因此，加速度传感器在工程上有着广泛的应用。
然而传统的基于电子系统的传感系统易受电磁干扰；空间利用率低，布线复杂，难于维护，不适宜做长期安全监测应用。相比之下，光纤光栅传感器在精密度、可靠性、分布式布网等方面具有明显的优势。
光纤光栅加速度计由于光纤光栅其固有的特性，使它具有抗电磁干扰，耐腐蚀，可复用，长期稳定性好，可实现远距离长期监测，并且维护费用低等优点，但从目前来看，光纤光栅作为传感器件还主要是以监测应变、温度为主，现有的一些光纤光栅加速度计，也存在着温度影响大，灵敏度不高等缺点。
一般光纤光栅材料的应变灵敏度为1.2pm/με，而温度灵敏度为10pm/℃，因此在使用光纤光栅传感器进行测试时，温度补偿十分重要。在工程实际应用中，传统的温度补偿方法是在一个通道里配备一个温度补偿传感器，用来对同一通道中多大十数个传感器进行温度补偿，由于各个传感器布设在不同位置，之间的温度场也不一致，因此这样的温度补偿准确性并不可靠。
余有龙等人报道了一种光纤光栅加速度计，是采用将一个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力应变，光纤光栅通过检测悬臂梁表面的应变来实现振动的测量。该种技术未解决温度补偿问题，影响实际应用效果。
专利号为200520098628.6的专利公开一篇“双悬臂梁光纤光栅振动传感器”通过采用两根串联的光纤光栅分别粘贴于两根材质一样的悬臂梁，来实现自动温度补偿。两根悬臂梁表面一根平行于被测物表面，另一根垂直于被测物表面，并通过反射光强变化频率和幅度来确定被测物体的振动频率和幅度。此种结构要保证粘贴于垂直被测表面悬臂梁上的光纤光栅透射谱固定，实际操作中很难实现；此外振动信息被调制与光强中，而在实际工程应用中，连接损耗、传输损耗、光强探测器损耗等，都会对结果造成影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有加速度计的温度变化影响测试精度。提供一种温度自补偿型悬臂梁式光纤光栅加速度计。
本发明的技术方案：
一种温度自补偿型悬臂梁式光纤光栅加速度计，该光纤光栅加速度计包括外壳、一号光纤光栅、质量块、光纤、二号光纤光栅、悬臂梁、底座，所述构成件之间的连接：
在光纤上写入一号光纤光栅和二号光纤光栅；
将一号光纤光栅固定在悬臂梁的上表面，二号光纤光栅固定在悬臂梁的下表面，所述的一号光纤光栅和二号光纤光栅位于悬臂梁的中心线上，一号光纤光栅和二号光纤光栅的两端对齐；
将质量块固定在上述的悬臂梁的自由端；
底座的一端固定在外壳的底面上，底座的另一端与上述的悬臂梁的一端固定；
光纤上写入一号光纤光栅的光纤的一端，穿过外壳的导出孔露在外壳的外部。
所述的一号光纤光栅和二号光纤光栅长度相等。
本发明和现有技术相比所具有的有益效果：
采用双光纤光栅设计，两个光纤光栅置于同一温度场中，实现了可靠的温度自补偿，提高了检测精度；采用双光纤光栅，根据中心波长差值的变化反映被测结构振动信息，相对于“双悬臂梁光纤光栅振动传感器”，克服了受光源扰动、光纤扰动影响的缺点；该加速度计为单光纤输出，工程应用中节约成本。
附图说明
图1为温度自补偿型悬臂梁式光纤光栅加速度计结构示意图。
图2为图1的A-A剖面图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
一种温度自补偿型悬臂梁式光纤光栅加速度计的结构，如图1、2所示。
该光纤光栅加速度计包括外壳1、一号光纤光栅2、质量块3、光纤4、二号光纤光栅5、悬臂梁6、底座7，所述构成件之间的连接：
在光纤4上写入一号光纤光栅2和二号光纤光栅5：
将一号光纤光栅2固定在悬臂梁6的上表面，二号光纤光栅5固定在悬臂梁6的下表面，固定时一号光纤光栅2和二号光纤光栅5通过拉力计保持一固定预拉力，直到固定完成。通过调节预拉力的大小，使得加速度计无振动状态时光纤光栅2和光纤光栅5的中心波长相差0.2nm左右。所述的一号光纤光栅2和二号光纤光栅5位于悬臂梁6的中心线上，一号光纤光栅2和二号光纤光栅5的两端对齐。
所述的一号光纤光栅2和二号光纤光栅5长度相等。
将质量块3固定在上述的悬臂梁6的自由端；
底座7的一端固定在外壳1的底面上，底座7的另一端与上述的悬臂梁6的一端固定；
光纤4上写入一号光纤光栅2的光纤4的一端，穿过外壳的导出孔8露在外壳的外部。
悬臂梁6为等强度悬臂梁，在其自由端固定的质量块3可在与悬臂梁6平面垂直方向自由振动。通过更换不同质量的质量块来调节悬臂梁的振动频率。
使用时，把本加速度计固定在被测结构上，并使悬臂梁表面平行于被测物体表面。因为一号光纤光栅2和二号光纤光栅5在同一根光纤上刻写的，都贴在悬臂梁两侧面，处于同一温度场，又因其温度灵敏度是相同的，外界温度的变化，会导致一号光纤光栅2和二号光纤光栅5的中心波长同步漂移，但一号光纤光栅2和二号光纤光栅5之间的波长差值保持不变，从而消除温度影响。当被测结构无振动时，一号光纤光栅2和二号光纤光栅5的中心波长固定，其差值保持不变。当被测结构振动引起悬臂梁6受迫振动时，一号光纤光栅2和二号光纤光栅5的中心波长会分别向相反方向漂移，从而使得一号光纤光栅2和二号光纤光栅5的中心波长差值出现变化，两个光纤光栅中心波长差值的变化反映了被测物体的振动信息。

Claims (2)

1.一种温度自补偿型悬臂梁式光纤光栅加速度计，该光纤光栅加速度计包括悬臂梁的自由端固定质量块、悬臂梁及粘接在悬臂梁表面上的一根光纤光栅；
其特征在于：该光纤光栅加速度计包括外壳(1)、一号光纤光栅(2)、质量块(3)、光纤(4)、二号光纤光栅(5)、悬臂梁(6)、底座(7)，所述构成件之间的连接：
在光纤(4)上写入一号光纤光栅(2)和二号光纤光栅(5)：
将一号光纤光栅(2)固定在悬臂梁(6)的上表面，二号光纤光栅(5)固定在悬臂梁(6)的下表面，所述的一号光纤光栅(2)和二号光纤光栅(5)位于悬臂梁(6)的中心线上，一号光纤光栅(2)和二号光纤光栅(5)的两端对齐；
将质量块(3)固定在上述的悬臂梁(6)的自由端；
底座(7)的一端固定在外壳(1)的底面上，底座(7)的另一端与上述的悬臂梁(6)的一端固定；
光纤(4)上写入一号光纤光栅(2)的光纤(4)的一端，穿过外壳的导出孔(8)露在外壳的外部。
2.根据权利要求1所述的温度自补偿型悬臂梁式光纤光栅加速度计，其特征在于：一号光纤光栅(2)和二号光纤光栅(5)长度相等。
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