CN102162816B - 一种扭转式光纤加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于计量测试技术，涉及一种扭转式光纤加速度传感器。传感器包括弹性体、质量块、光纤光栅，传感器的弹性扭转轴的两个端部固定在传感器的外壳上，弹性扭转轴的中部设置一个旋转盘，旋转盘上设置偏心质量块，带有预应力的光纤光栅缭绕上旋转盘的圆周上，光纤光栅的引出端固定在安装环上，安装环固定在传感器的外壳上；通过引出端将光信号接入解调仪表。本发明与现有光纤加速度传感器的各种设计方案有很大不同，将灵敏度与固有频率的影响因素进行分离设计，可以在不改变扭转轴与质量块相关参数的条件下通过缠绕半径提高灵敏度，解决灵敏度与固有频率之间的矛盾，另外，两段等长等预应力反向缠绕的光栅解决了传感器的温度补偿问题。

Description

一种扭转式光纤加速度传感器

技术领域

本发明属于计量测试技术，涉及一种扭转式光纤加速度传感器。

背景技术

光纤传感技术是70年代中期发展起来的一门新技术。它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。它以光纤为传输介质，当光纤光栅所在环境参数发生变化时，光波的传输特性会随之改变，利用光纤光栅的这一特性可以实现对应力、振动(包括速度、加速度等)、压力、温度、湿度等参数的测量。由于具有抗电磁干扰、耐高温高压、抗腐蚀、体积小、重量轻，易于集成等优点，光纤类传感器越来越多的取代传统电子传感器应用于各类大型装备，成为先进传感技术发展的一种趋势。

在光纤传感技术不断发展和走向成熟的过程中，光纤光栅加速度传感器也比较早的受到国内外研究者的关注，目前的光纤加速度计商业产品已经在各种振动测量领域得到应用。在已有的光纤加速度传感器设计方案中，多以弯曲梁结构为主，也有拉伸与杠杆机构形式作为有力的补充，但是已有产品的测量频率都偏低，无法覆盖传统加速度传感器的频率范围，另外由于光纤光栅的特点，温度补偿问题也一直在一定程度上限制着光纤传感器的发展。

发明内容

由于光纤传感的敏感方式比较灵活，给加速度传感器的结构设计留下较大的空间，因此光纤加速度传感器的结构相对多样；但是，各种结构的设计目标始终指向固有频率与灵敏度两个指标的优化，以及温度补偿问题的解决。因此，对以上两方面性能的提高程度，决定了光纤加速度传感器设计的水平，以及设计方案的发展潜力，这也是光纤加速度传感器未来发展的方向。为了使光纤加速度传感器跟上其它光纤类传感器的发展步伐，尽早达到传统加速度传感器的性能指标，在将来光纤传感网络化时代发挥重要作用，必须在敏感方式与结构形式方面找到根本的创新解决方案，才能为传感器性能的大幅提升提供必要条件。

本发明的目的是提出一种提高加速度传感器的频率范围，同时解决温度补偿问题的扭转式光纤加速度传感器。本发明的技术解决方案是，传感器包括弹性扭转轴、质量块、光纤光栅，传感器的弹性扭转轴的两个端部固定在传感器的外壳上，弹性扭转轴的中部设置一个旋转盘，旋转盘上设置偏心质量块，带有预应力的光纤光栅缠绕上旋转盘的圆周上，光纤光栅的引出端固定在安装环上，安装环固定在传感器的外壳上；通过引出端将光信号接入解调仪表。

所述的光纤光栅的两段悬空处等长度并且两段光栅完全相同。

所述的安装环、旋转盘与弹性扭转轴三者同轴。

光纤光栅缠绕旋转盘的半径不受扭转轴尺寸与偏向质量位置的限制，而根据灵敏度需要进行设计。

本发明具有的优点和有益效果，

1、不需要通过降低固有频率的方法(如减小扭转轴半径或增加偏心质量)来提高灵敏度，在一定程度上将固有频率与灵敏度的影响因素分离设计，为高频加速度传感器的研制留下较大的设计空间。

2、安装环、旋转盘与弹性扭转轴三者同轴，比较容易保证两段光栅悬空段长度相等，同时采用相对简单的缠绕安装工艺，比较容易保证差动方式所要求的各种条件，非常有利于传感器对温度变化的影响进行有效消除。

3、弹性元件线性范围较宽，敏感元件光纤光栅的布置稳定可靠，提高光纤加速度传感器输出结果的线性度与稳定性。

本发明根据光纤加速度传感器的现状与未来发展方向，考虑差动方式适用条件的同时，针对固有频率与灵敏度的矛盾，将传感器结构设计为扭转形式，并对相应制作工艺进行独特设计，充分发挥光纤传感方式的优势，光纤缠绕扭转轴，带预应力的光栅悬空测量光纤轴向的均匀应变，确保温度自补偿效果以及传感器固有频率的提高。首先，以线性良好的扭转轴作弹性元件，光纤光栅缠绕并沿转盘切线拉紧保证应变均匀且方向稳定，提高传感器输出的线性度与稳定性。其次，两支完全相同的光栅可以连接在同一根光纤上，并将光纤缠绕固定于设计独特的同轴安装环，保证满足差动方式所要求的条件，有利于传感器对温度补偿。更重要的是，在一定程度上将固有频率与灵敏度的影响因素分离设计，为高频加速度传感器的研制留下较大的设计空间。本发明从设计原理上提供了一种光纤加速度传感器的设计思路，为改善光纤加速度传感器的温补功能以及测频范围提供原创性的解决思路，将为传感器性能的大幅提升提供必要条件。

本发明与现有光纤加速度传感器的各种设计方案完全不同，本发明选择扭转轴作为弹性元件，因为圆截面轴的扭转变形与扭矩之间可以在较大的变形范围内保持良好线性；同时采取缠绕方式将光纤与旋转盘固定，可以保证光纤始终沿着旋转盘边缘的切线方向。因此只要旋转盘不发生偏心，就能够保证悬空的光纤光栅在测量过程中始终只有均匀的轴向变形而且方向不变，这样大大减少了变形传递中间环节带来的不确定性，可以保证质量块惯性力与光栅应变之间良好的正比例关系，同时增强了传感器抵抗横向振动干扰的能力，提高光纤加速度传感器输出结果的线性度与稳定性。差动式的结构提供了良好的温度补偿效果，提高了测量的准确度。

从安装工艺角度，两根光纤光栅可以串联在同一根光纤上，这样做有两点好处：首先，将这根光纤缠绕在旋转盘上，由于光纤带有一定的拉紧预应力，所以只要用少量的胶就可以保证光纤与旋转盘之间没有整体的相对滑动，大大降低了安装固定的工艺难度；其次，采用同一根光纤可以在安装中自然保证两根光栅的初始预应力完全相等，降低安装过程中对光栅状态的监测要求。另外，本发明采用与旋转盘同轴的光纤安装圆环来固定光纤光栅的另一端，可以保证无论从安装环的任何一点固定光栅，都可以在几何上自然保证两根光纤光栅的初始长度相等，减小固定点位置误差造成的影响，降低固定光纤光栅的工艺难度。以上两个特点可以比较容易的保证反向缠绕的两个光纤光栅的初始长度相等，预应力相等，测量过程中的应变大小相等而方向相反，这正是差动方式所要求的条件，因此非常有利于传感器对温度变化的影响进行有效消除。应该注意的是，在缠绕固定过程中，需要使整体结构保持与工作状态一致。由于重力的作用，扭转轴会有一个较小的初始扭转角，因此需要在初始状态下保持扭转轴与质量块在同一水平面，才能避免初始扭转对光纤长度的影响，保证两个光栅严格等长。

更重要的是，本发明设计结构的固有频率由扭转轴刚度与质量块大小决定，而输出灵敏度的决定因素除了以上两个之外，还可以通过旋转盘的尺寸调节，因此只要结构参数选择合理，就可以在不损失灵敏度的前提下，通过该结构设计出较高频率的光纤加速度传感器，为高频加速度传感器的研制留下较大的设计空间。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做以下详细描述。

参见附图1所示，该种扭转式差动温补光纤加速度传感器，在两端与外壳固定的弹性扭转轴1的中点位置，利用同轴旋转盘3连接并固定质量块2，质量块2安装在旋转盘3上，而带有预应力的光纤缠绕在旋转盘3上，两段悬空段的光纤光栅5与7长度和预应力相等，它们的另一端则固定在与扭转轴1及旋转盘3同轴的光纤安装圆环4上，并通过光纤继续将信号接入解调仪表8，而光纤安装圆环4通过安装圆环固定件9与传感器外壳连接。在加速度的作用下，质量块2的惯性力通过旋转盘3带动扭转轴1产生扭转变形，同时牵动光纤光栅5与7产生拉伸或压缩变形，通过解调仪表8读出光纤光栅中心波长的变化量，将其转化为应变从而解得质量块2的加速度，达到测量加速度的目的。

其工作过程是：在Z方向加速度的作用下，质量块2的惯性力将带动旋转盘3使扭转轴1产生扭转变形，同时旋转盘3带动光纤光栅5与7产生轴向变形，通过解调仪表8直接解出光栅的应变，从而转换得到Z方向的加速度。具体公式如下：

$a_Z=\frac{4{\mathrm{GI}}_p{L}_B}{{\mathrm{MR}}_M\mathrm{LR}}\mathrm{\ϵ}---\left(1\right)$

式中：a_Z，Z方向的加速度；

GI_p，扭转轴的抗扭刚度；

L_B，两根带预应力光纤光栅的初始长度；

M，质量块的质量；

R_M，质量块质心到扭转轴轴心的距离；

L，扭转轴的长度；

R，旋转盘的半径；

ε，两根光纤光栅在测量中发生的应变大小；

其中

$\mathrm{\ϵ}=k\frac{{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1}{2}---\left(2\right)$

式中：λ₁，λ₂，测量过程中光纤光栅1与2的反射光中心波长；

k，光纤光栅的波长应变灵敏系数；

应变与温度的变化都可以使光纤光栅的反射光中心波长发生变化，由于温度的变化给两个光纤光栅的中心波长带来的变化完全相同，而应变给两个光纤光栅的中心波长带来的变化大小相等而方向相反，因此，通过(2)式中作差的办法可以消除温度带来的影响而直接获得机械应变，同时可以将测量灵敏度提高一倍。

Claims (4)

1.一种扭转式光纤加速度传感器，包括弹性扭转轴、质量块、光纤光栅，其特征是，传感器的弹性扭转轴的两个端部固定在传感器的外壳上，弹性扭转轴的中部设置一个旋转盘，旋转盘的两个端面上对称设置两个偏心质量块，带有预应力的光纤光栅缠绕在旋转盘的圆周上，光纤光栅的引出端固定在安装环上，安装环固定在传感器的外壳上；通过引出端将光信号接入解调仪表。

2.根据权利要求1所述的一种扭转式光纤加速度传感器，其特征是，所述的光纤光栅的两段悬空处等长度并且两段光栅完全相同。

3.根据权利要求1所述的一种扭转式光纤加速度传感器，其特征是，所述的安装环、旋转盘与弹性扭转轴三者同轴。

4.根据权利要求1所述的一种扭转式光纤加速度传感器，其特征是，光纤光栅缠绕旋转盘的半径不受扭转轴尺寸与偏向质量位置的限制，而根据灵敏度需要进行设计。

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