CN102087300A - 一种基于金属波纹管结构的光纤光栅加速度传感器 - Google Patents
一种基于金属波纹管结构的光纤光栅加速度传感器 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于金属波纹管结构的光纤光栅加速度传感器，金属波纹管的上端设置在加工有通孔的外壳内顶部下表面，金属波纹管下端设置有质量块，外壳下端设置加工有通孔、且与密封盖联接的端盖，密封盖的下端设置有传感器接头，在金属波纹管内部设置有振动传感光纤光栅，振动传感光纤光栅的光纤上部固定在外壳上，振动传感光纤光栅的光纤下部穿过质量块的中心通孔固定在质量块上、从密封盖侧壁上的通孔引出并固定在密封盖侧壁上。本发明与现有的加速度传感器相比较，具有结构简单、体积小、灵敏度高、频谱范围宽、器形细长、易于串联组装等优点，可实现多点分布和动态在线实时监测。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅传感器技术领域，具体涉及一种用于测定物体加速度和振动信号的光纤光栅加速度传感器。
背景技术
光纤光栅传感器是利用如应力、应变、温度等外界物理量的变化引起光纤有效折射率或光栅周期等参数的变化，从而导致光栅反射中心波长的变化，通过检测光栅反射中心波长的变化来获得外界物理量的变化。与传统的电类加速度传感器相比，电类加速度传感器输出的是弱电信号，容易受电磁干扰，不适宜在大型机电设备等强电磁场环境中工作，而且不能进行远距离传输，一般需要就近将弱模拟信号转换为数字信号，增加了传感器使用的成本，使用也不方便。光纤光栅加速度传感器是波长调制型传感器，不但具有灵敏度高、动态范围宽、不受电磁干扰、抗腐蚀、传输损耗小、可靠性高、体积小、重量轻等特点，而且具有传感信号不受光源起伏、光路损耗等因素的影响，抗干扰能力强、传感探头结构简单、易于使用波分复用技术而形成分布式测量等明显优势，在国防、军事、石油、交通运输等应用技术领域显得尤为突出，被许多国家列为重点发展的国防技术。因此，光纤光栅在振动传感领域的应用引起了人们的广泛关注和极大兴趣，具有重要的学术研究价值和市场应用前景。
鉴于光纤光栅加速度传感器的如上技术优势，可满足在油气资源、地质勘探、工程建筑振动监测以及军事应用等领域，目前已经在此方面展开了研究。
专利号为ZL 200710065323.9，发明名称为《一种温度不敏感的光纤光栅加速度传感器》的中国发明专利，公开了一种光纤光栅加速度传感器，其技术方案如下：包括单模光纤、光纤布拉格光栅、等强度悬臂梁、质量块、滑竿等，其特点是：将光纤光栅粘贴于等强度悬臂梁靠近固定端的表面上，等强度悬臂梁自由端与质量块柔性联接，质量块被穿在滑竿上，可沿与梁垂直的方向运动。这种光纤光栅加速度传感器结构复杂、部件多、不易组装、抗横向干扰能力差，容易造成L型杠杆振动与实际物体的振动方向不一致，即L型杠杆在竖直方向振动时易产生横向振动，使得测量结果不精确。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述光纤光栅加速度传感器的缺点，提供一种抗横向干扰能力强和灵敏度高的一种基于金属波纹管结构的光纤光栅加速度传感器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：金属波纹管的上端设置在加工有通孔的外壳内顶部下表面，金属波纹管下端设置有质量块，外壳下端设置加工有通孔、且与密封盖联接的端盖，密封盖的下端设置有传感器接头，在金属波纹管内部设置有振动传感光纤光栅，振动传感光纤光栅的光纤上部固定在外壳上，振动传感光纤光栅的光纤下部穿过质量块的中心通孔固定在质量块上、从密封盖侧壁上的通孔引出并固定在密封盖侧壁上。
本发明的金属波纹管的内径为10～18mm、外径为15～24mm、波距为3～5mm、波厚为0.1～0.14mm、波数为5～10。本发明的振动传感光纤光栅是波长为1520～1620nm的掺锗光纤光栅。
本发明的质量块的质量为7.5～15g。
本发明的金属波纹管为铍青铜金属波纹管。
本发明的质量块为黄铜质量块。
本发明的外壳、金属波纹管、质量块的中心线在同一直线上，金属波纹管的上端面与外壳内的顶端面平行、下端面与质量块的上表面平行。
本发明的端盖的上表面与质量块下表面之间的距离为1～10mm。
本发明根据光纤光栅应变传感原理，在金属波纹管的底部设置质量块，将振动传感光纤光栅穿过质量块和金属波纹管的中心后安装在金属波纹管内部，当被测物体发生振动时，引起质量块振动，在质量块的惯性力的作用下，与质量块联接的金属波纹管产生拉伸或压缩运动，使得固定于其上的振动传感光纤光栅产生应变，振动传感光纤光栅将接收到的加速度信号转换成光信号输出。这种结构的加速度传感器，解决了同类光纤光栅传感器体积大，难以安装使用的技术问题，提高了传感器的灵敏度、测量范围及响应频率，提高了光纤光栅振动传感器工作的可靠性和稳定性。本发明与现有的加速度传感器相比较，具有结构简单、体积小、灵敏度高、频谱范围宽、器形细长、易于串联组装等优点，可实现多点分布和动态在线实时监测。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是本发明实施例1的瞬态响应图。
图3是本发明实施例1的幅频特性图。
图4是本发明实施例1的灵敏度标定图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1中，本实施例的一种基于金属波纹管结构的光纤光栅加速度传感器由金属波纹管1、振动传感光纤光栅2、质量块3、端盖4、密封盖5、传感器接头6、外壳7联接构成。
本实施例的外壳7为圆柱筒形结构，金属波纹管1的上端用502胶粘接在外壳7内顶部下表面，金属波纹管1是铍青铜金属波纹管，金属波纹管1的内径为18mm、外径为24mm、波距为5mm、波厚为0.12mm、波数为9。金属波纹管1下端用502胶粘贴固定有质量块3，502胶为市场销售的商品，由台州市椒江拓普胶粘剂厂生产，质量块3的中心加工有通孔，本实施例中的质量块3的质量为15g，材质为黄铜，质量块3用于调节光纤光栅振动传感器的灵敏度和固有频率。外壳7的下端通过螺纹联接安装有端盖4，端盖4的上表面与质量块3下表面之间留有距离，距离为5mm，用于金属波纹管1振动时产生轴向变形。端盖4的下端通过螺纹联接安装有密封盖5，密封盖5的侧壁上加工有一通孔，密封盖5的下端通过螺纹联接安装有传感器接头6，传感器接头6用于将本发明与振动台相联。本发明的外壳7、金属波纹管1、质量块3的中心线在同一直线上，金属波纹管1的上端面与外壳7内的顶端面平行、下端面与质量块3的上表面平行。在金属波纹管1内装有振动传感光纤光栅2，本实施例中的振动传感光纤光栅2为掺锗光纤光栅，其波长为1532.4nm，为市场上销售的商品，由北京泰克里科光学技术有限公司生产，振动传感光纤光栅2的光纤上部从外壳7的中心通孔引出并用502胶粘贴固定在外壳7外表面的中心孔处，振动传感光纤光栅2的光纤下部穿过质量块3的中心通孔并用502胶粘贴固定在质量块3下表面的中心通孔处，从密封盖5侧壁上的通孔引出并用502胶粘贴固定在密封盖5侧壁上的通孔处。振动传感光纤光栅2用于接收金属波纹管1在发生振动时产生的加速度信号，当被测物体发生振动时，引起质量块振动，在质量块的惯性力的作用下，与质量块联接的金属波纹管产生拉伸或压缩运动，使得固定于金属波纹管上的振动传感光纤光栅产生应变，振动传感光纤光栅将接收到的加速度信号转换成光信号输出。
这种结构的加速度传感器，解决了同类光纤光栅传感器体积大，难以安装使用的技术问题，提高了传感器的灵敏度、测量范围及响应频率，提高了光纤光栅振动传感器工作的可靠性和稳定性。这种结构的加速度传感器，由于体积小、灵敏度高、频谱范围宽、器形细长，很适应于在空间小、距离长的环境下传输所接收的加速度信号转换成光信号输出。
实施例2
在本实施例中，金属波纹管1的上端用502胶粘接在外壳7内顶部下表面，金属波纹管1下端用502胶粘贴固定有质量块3上，金属波纹管1的内径为18mm、外径为24mm、波距为5mm、波厚为0.14mm、波数为10，质量块3的质量为15g，端盖4的上表面与质量块3下表面之间的距离为10mm。在金属波纹管1内装有振动传感光纤光栅2，振动传感光纤光栅2的光纤上部从外壳7的中心通孔引出并用502胶粘贴固定在外壳7外表面的中心孔处，振动传感光纤光栅2的光纤下部穿过质量块3的中心通孔并用502胶粘贴固定在质量块3下表面的中心通孔处，从密封盖5侧壁上的通孔引出并用502胶粘贴固定在密封盖5侧壁上的通孔处。振动传感光纤光栅2是波长为1532.4nm的掺锗光纤光栅。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例3
在本实施例中，金属波纹管1的上端用502胶粘接在外壳7内顶部下表面，金属波纹管1下端用502胶粘贴固定有质量块3上，金属波纹管1的内径为10mm、外径为15mm、波距为3mm、波厚为0.1mm、波数为5，质量块3的质量为7.5g，端盖4的上表面与质量块3下表面之间的距离为1mm。在金属波纹管1内装有振动传感光纤光栅2，振动传感光纤光栅2的光纤上部从外壳7的中心通孔引出并用502胶粘贴固定在外壳7外表面的中心孔处，振动传感光纤光栅2的光纤下部穿过质量块3的中心通孔并用502胶粘贴固定在质量块3下表面的中心通孔处，从密封盖5侧壁上的通孔引出并用502胶粘贴固定在密封盖5侧壁上的通孔处。振动传感光纤光栅2是波长为1533.2nm的掺锗光纤光栅。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例4
在本实施例中，金属波纹管1的上端用502胶粘接在外壳7内顶部下表面，金属波纹管1下端用502胶粘贴固定有质量块3上，金属波纹管1的内径为14mm、外径为20mm、波距为4mm、波厚为0.12mm、波数为8，质量块3的质量为10g，端盖4的上表面与质量块3下表面之间的距离为5mm。在金属波纹管1内装有振动传感光纤光栅2，振动传感光纤光栅2的光纤上部从外壳7的中心通孔引出并用502胶粘贴固定在外壳7外表面的中心孔处，振动传感光纤光栅2的光纤下部穿过质量块3的中心通孔并用502胶粘贴固定在质量块3下表面的中心通孔处，从密封盖5侧壁上的通孔引出并用502胶粘贴固定在密封盖5侧壁上的通孔处。振动传感光纤光栅2是波长为1533.2nm的掺锗光纤光栅。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例5
在以上的实施例1～4中，在金属波纹管1内装有振动传感光纤光栅2，振动传感光纤光栅2的光纤上部从外壳7的中心通孔引出并用502胶粘贴固定在外壳7外表面的中心孔处，振动传感光纤光栅2的光纤下部穿过质量块3的中心通孔并用502胶粘贴固定在质量块3下表面的中心通孔处，从密封盖5侧壁上的通孔引出并用502胶粘贴固定在密封盖5侧壁上的通孔处。振动传感光纤光栅2是波长为1520nm nm的掺锗光纤光栅。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。
实施例6
在以上的实施例1～4中，在金属波纹管1内装有振动传感光纤光栅2，振动传感光纤光栅2的光纤上部从外壳7的中心通孔引出并用502胶粘贴固定在外壳7外表面的中心孔处，振动传感光纤光栅2的光纤下部穿过质量块3的中心通孔并用502胶粘贴固定在质量块3下表面的中心通孔处，从密封盖5侧壁上的通孔引出并用502胶粘贴固定在密封盖5侧壁上的通孔处。振动传感光纤光栅2是波长为1620nm的掺锗光纤光栅。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。
根据上述原理，还可设计出另外一种具体结构的基于金属波纹管结构的光纤光栅加速度传感器，但均在本发明的的保护范围之内。
本发明的工作原理如下：
由宽带光源发出的宽带光经光纤传输到光纤光栅振动传感器上，光纤光栅振动传感器固定在被测物体表面，跟随被测物体一起振动，振动时质量块3和金属波纹管1构成的弹性系统在惯性力的作用下做受迫振动，导致底部与质量块3相联接的金属波纹管1产生相应的应变变化，使得固定在其上的振动传感光纤光栅2的中心波长产生漂移，并与被测物体的振动加速度变化规律一致，由振动传感光纤光栅2将接收到的加速度信号转换成光信号输出。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
1.本发明采用金属波纹管1作为振动信号的传递元件，通过在振动传感光纤光栅2两端进行固定的方式，避免了振动传感光纤光栅2啁啾且降低了封装难度，制作工艺简单。
2.本发明将质量块3在振动过程中的位移转化为振动传感光纤光栅2的轴向位移，提高了光纤光栅振动传感器的灵敏度。
3.本发明可以通过调节质量块3的质量或改变金属波纹管1的刚度来改变本发明的灵敏度和固有频率，以满足不同频率的测量要求。
为了验证本发明的有益效果，发明人采用实施例1制备的基于金属波纹管的光纤光栅振动传感器进行实验室研究实验，各种实验情况如下：
实验仪器：光谱分析仪，型号为AQ6370B，由日本恒河(YOKOGAWA)公司生产；光纤熔接机，型号为FSM-60S，由日本藤仓公司生产；动态解调仪，型号为SM130，由美国微光(MICRON OPTICS)公司生产；标准振动台，型号为WS-Z40，由北京波普世纪科技发展有限公司生产；标准电荷加速度传感器，由北京波普世纪科技发展有限公司生产。
1、本发明的瞬态响应实验
将本发明实施例1的金属波纹管光纤光栅加速度传感器沿竖直方向固定在标准振动台上，激振频率设置为70Hz，采用正弦波激振。从本发明实施例1的加速度传感器外壳引出的一端尾纤接在美国微光公司生产的动态解调仪上，通过动态解调仪对从本发明实施例1的加速度传感器中的振动传感光纤光栅的波长变化进行解调。金属波纹管光纤光栅加速度传感器中振动传感光纤光栅2中心波长随时间的变化关系见表1。
表1振动传感光纤光栅中心波长随时间的变化关系
从表1中的数据可以看出，本发明实施例1中的振动传感光纤光栅2的中心波长值随时间呈现出周期性的变化，中心波长的最大值在1533.292～1533.294nm之间，最小值在1533.221～1533.222nm之间，最大值和最小值几乎均保持在一个恒定的大小上。对表1中的数据进行拟合，可以得到本发明实施例1的时域响应图，拟合结果见图2.由图2可以看出本发明的时域响应图呈现出很好的正弦特性，说明本发明能很好地响应振动台施加的正弦激振信号。
2、本发明的幅频特性实验
将本发明实施例1的金属波纹管光纤光栅加速度传感器沿竖直方向固定在标准振动台上，激振的加速度大小保持2m/s2不变，采用正弦波激振。激振频率为5Hz、10Hz、30Hz、40Hz、50Hz、60Hz、70Hz、80Hz、90Hz、100Hz、110Hz、120Hz、130Hz、140Hz、150Hz、160Hz、170Hz、180Hz、190Hz、200Hz，通过动态解调仪对从本发明实施例1的金属波纹管光纤光栅加速度传感器中的振动传感光纤光栅2的波长变化进行解调。振动传感光纤光栅2的中心波长随激振频率的变化关系见表2和图3。
表2振动传感光纤光栅的中心波长随激振频率的变化关系
由表2和图3可见，本发明实施例1在5～100Hz为幅值平坦区域，频带范围宽振动传感光纤光栅的中心波长在1533.290nm～1533.308nm之间，波长变化小于1.17％，平坦性好，可选做工作区域，用于探测100Hz以下的低频振动信号；100～160Hz为共振区；160～200Hz为衰减区。
3.本发明的灵敏度测试实验
将本发明实施例1的金属波纹管光纤光栅加速度传感器沿竖直方向固定在标准振动台上，激振频率设置为80Hz，采用正弦波激振。加速度在0-6m/s2之间变化，通过动态解调仪对从本发明实施例1的金属波纹管光纤光栅加速度传感器中的振动传感光纤光栅的波长变化进行解调。
实验结果见表3
表3激振频率一定时本发明中心波长变化量随加速度的变化情况
从表3可以看出，本发明的振动传感光纤光栅2的中心波长变化量随加速度的增大而增大，并呈现线性变化趋势，用Mathematica6.0软件对表3中的数据进行拟合，拟合方程为
y＝23.14x+0.0398
式中y表示振动传感光纤光栅的中心波长变化量，x表示激振加速度的大小，线性方程的斜率为灵敏度，线性拟合度达到了99.96％。即本发明实施例1的灵敏度为23.14pm/ms-2，拟合结果见图4。
Claims (7)
1.一种基于金属波纹管结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：金属波纹管(1)的上端设置在加工有通孔的外壳(7)内顶部下表面，金属波纹管(1)下端设置有质量块(3)，外壳(7)下端设置加工有通孔、且与密封盖(5)联接的端盖(4)，密封盖(5)的下端设置有传感器接头(6)，在金属波纹管(1)内部设置有振动传感光纤光栅(2)，振动传感光纤光栅(2)的光纤上部固定在外壳(7)上，振动传感光纤光栅(2)的光纤下部穿过质量块(3)的中心通孔固定在质量块(3)上、从密封盖(5)侧壁上的通孔引出并固定在密封盖(5)侧壁上。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属波纹管结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的金属波纹管(1)的内径为10～18mm、外径为15～24mm、波距为3～5mm、波厚为0.1～0.14mm、波数为5～10；所述的振动传感光纤光栅(2)是波长为1520～1620nm的掺锗光纤光栅。
3.根据权利要求1所述的一种基于金属波纹管结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所说的质量块(3)的质量为7.5～15g。
4.根据权利要求1所述的一种基于金属波纹管结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的金属波纹管(1)为铍青铜金属波纹管。
5.根据权利要求1或3所述的一种基于金属波纹管结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的质量块(3)为黄铜质量块。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于金属波纹管结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的外壳(7)、金属波纹管(1)、质量块(3)的中心线在同一直线上，金属波纹管(1)的上端面与外壳(7)内的顶端面平行、下端面与质量块(3)的上表面平行。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于金属波纹管结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的端盖(4)的上表面与质量块(3)下表面之间的距离为1～10mm。
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