CN102829854B - 悬挂式光纤光栅振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬挂式光纤光栅震动传感器，它包括壳体，信号传输光纤，保护套管，光纤光栅，振子，所述壳体由空心螺钉和圆筒状保护外壳构成，所述信号传输光纤与其外部包裹的保护套管采用胶体粘接在空心螺钉空心的顶端，所述信号传输光纤下端放置光纤光栅，所述光纤光栅外部涂覆一层弹性聚合物材料，光纤光栅的下部通过弹簧与振子相连；所述振子通过弹簧悬挂于传感器内部，并且与光纤光栅同轴；传感器壳体内部空间充满硅油。本发明采用了悬挂式结构，不受光纤光栅附着机械结构固有频率的限制，大大提高了传感器的测量频率；本发明内有阻尼液提高测量稳定性；本发明基于全光信号设计，稳定性好，抗电磁干扰，防水性能好，便于实现准分布式多点实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种悬挂式光纤光栅振动传感器，适用于桥梁等大型结构的健康监测。
背景技术
振动是自然界普遍存在的现象，在结构工程、机械设备、航空和采矿等领域都需要对振动信号进行检测。目前，通常采用电类振动传感器，但他们易受外界因素的影响，尤其是被测对象处在强电磁干扰、高温潮湿、高电压大电流、大噪声等一些恶劣环境下，传统的振动传感器难以有效测量，甚至无法工作。
光纤布拉格光纤光栅是20世纪90年代以来国际上新兴的一种基础性光纤器件，用于传感领域具有耐久性好、抗电磁干扰、体积小、准分布测量、抗潮湿、与强度信息无关等许多优点，可广泛应用于环境恶劣的场合。目前，光纤光栅振动传感器大多基于悬臂梁结构设计，光纤光栅易发生啁啾现象，且传感器灵敏度较低。为了进一步提高光纤光栅振动传感器的性能，有人研制了基于L梁的光纤光栅振动传感器，但是传感器工作时自由振动衰减慢，影响传感器的工作性能。
发明内容
本发明目的是：提供一种灵敏度高、频率范围宽、抗干扰能力强的光纤光栅振动传感器。
本发明的技术方案是：一种悬挂式光纤光栅振动传感器，它包括壳体，信号传输光纤，保护套管，光纤光栅，振子，其特征在于：所述壳体由空心螺钉和圆筒状保护外壳构成，所述壳体由空心螺钉和圆筒状保护外壳构成，所述圆筒状保护外壳上端与空心螺钉连接，下端封闭，所述空心螺钉下端伸入圆筒状保护外壳的内部，所述信号传输光纤与其外部包裹的保护套管采用胶体粘接在空心螺钉空心的顶端，所述信号传输光纤下端放置光纤光栅，所述光纤光栅外部涂覆一层弹性聚合物材料，光纤光栅的下部通过弹簧与振子相连。
优选的，所述弹性聚合物材料为柱状结构，置于空心螺钉内部，尺寸与空心螺钉空心的中下段尺寸相当，但二者并无接触。
优选的，所述振子通过弹簧悬挂于传感器内部，并且与光纤光栅同轴。
优选的，所述空心螺钉外形为伞状结构，所述圆筒状保护外壳底部是密封的，上端口处有螺纹，可通过该螺纹与空心螺钉连接。
优选的，所述传感器壳体内部空间充满硅油。
本发明的具体运作原理如下：
首先将悬挂式光纤光栅振动传感器固定在待测点处，待测点的振动将带动传感器外壳及光纤光栅产生振动，进而通过弹簧使振子产生振动，且振子的运动相对光纤光栅具有一定的滞后性，二者将产生相对运动，使连接光纤光栅与振子的弹簧产生伸缩运动，根据虎克定律可以得出光纤光栅所受的拉力也不断变化，进而引起光纤光栅中心波长的变化，且光纤光栅中心波长的变化量与振子的加速度成正比，因此通过实时监测光纤光栅中心波长的变化情况就能监测待测点的振幅、频率与加速度。连接光纤光栅与振子的弹簧不仅是传力装置，同时也有增大阻尼的作用。传感器中充满的硅油则作为阻尼液。本发明能够实时测量振动幅度、频率与加速度。
本发明的优点是：
1. 本发明采用了悬挂式结构，不受光纤光栅附着机械结构固有频率的限制，大大提高了传感器的测量频率。
2.本发明中连接光纤光栅与振子的弹簧以及阻尼液硅油都起到了增大阻尼的作用，从而提高了测量的稳定性，使传感器幅频特性平坦区进一步展宽。
3.本发明基于全光信号设计，稳定性好，抗电磁干扰，防水性能好，便于实现准分布式多点实时监测。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明悬挂式光纤光栅振动传感器的正视剖面图；
图 2 为本发明悬挂式光纤光栅振动传感器低频响应曲线图；
图 3 为本发明悬挂式光纤光栅振动传感器高频响应曲线图。
其中：1.信号传输光纤，2.保护套管，3. 空心螺钉，4. 圆筒状保护外壳，5.光纤光栅，6.弹性聚合物材料，７.振子，８.硅油，９.弹簧，10．胶体。
具体实施方式
实施例：如图1所示，本发明包括壳体，信号传输光纤1，保护套管2，光纤光栅5，振子7，所述壳体由空心螺钉3和圆筒状保护外壳4构成，所述空心螺钉3外形为伞状结构，所述圆筒状保护外壳4底部是密封的，上端口处有螺纹，可通过该螺纹与空心螺钉3连接。所述信号传输光纤1与其外部包裹的保护套管2采用胶体10粘接在空心螺钉3空心的顶端，所述信号传输光纤1下端放置光纤光栅5，所述光纤光栅5外部涂覆一层弹性聚合物材料6，光纤光栅5的下部通过弹簧9与振子7相连。
本实施例中所述弹性聚合物材料6为柱状结构，置于空心螺钉3内部，尺寸与空心螺钉3空心的中下段尺寸相当，但二者并无接触。弹性聚合物材料6主要对光纤光栅5起到保护的作用，防止光纤光栅5折断。
本实施例中所述振子7通过弹簧9悬挂于传感器内部，并且与光纤光栅5同轴，从而防止振子7倾斜。优选的，振子7为空心柱状结构，材料为青铜；弹簧9材料为琴钢丝。所述弹簧9连接光纤光栅5与振子7，能够增大振子7的振动幅度，同时能够增大振动阻尼。
本实施例中所述传感器壳体内部空间充满硅油8，能够增大传感器阻尼，拓宽传感器工作频率范围。
本实施例的具体制作过程如下：
首先，将光纤光栅5外均匀涂覆一层弹性聚合物材料6，同时将信号传输光纤1外穿上保护套管2,并且将二者进行粘接，再将光纤光栅5置入空心螺钉3空心中，用胶体10将保护套管2与空心螺钉3粘接在一起。然后，将弹簧9一端与弹性聚合物材料6连接，另一端与振子7连接。最后，将圆筒状保护外壳4内充满硅油8，并将振子7置入硅油8中，将圆筒状保护外壳4与空心螺钉3通过螺纹拧紧，并对传感器进行密封处理，防止硅油8泄露。
对本发明的性能测试结果分别如图2、图3所示，在现场检测时，首先将悬挂式光纤光栅振动传感器固定在被测物体表面，使用光纤光栅动态解调仪对光纤光栅5的中心波长漂移情况进行实时监测，中心波长变化幅度对应传感器的振动幅度，中心波长的变化频率对应传感器的振动频率，同时可计算传感器的加速度测量值。
当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种悬挂式光纤光栅振动传感器，它包括壳体，信号传输光纤（1），保护套管（2），光纤光栅（5），振子（7），其特征在于：所述壳体由空心螺钉（3）和圆筒状保护外壳（4）构成，所述圆筒状保护外壳（4）上端与空心螺钉（3）连接，底部封闭，所述空心螺钉（3）下端伸入圆筒状保护外壳（4）的内部，所述信号传输光纤（1）与其外部包裹的保护套管（2）采用胶体（10）粘接在空心螺钉（3）空心的顶端，所述信号传输光纤（1）下端放置光纤光栅（5），所述光纤光栅（5）外部涂覆一层弹性聚合物材料（6），光纤光栅（5）的下部通过弹簧（9）与振子（7）相连。
2.根据权利要求1所述的悬挂式光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述弹性聚合物材料（6） 为柱状结构，置于空心螺钉（3）内部，尺寸与空心螺钉（3）空心的中下段尺寸相当，但二者并无接触。
3.根据权利要求1所述的悬挂式光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述振子（7）通过弹簧（9）悬挂于传感器内部，并且与光纤光栅（5）同轴。
4.根据权利要求1所述的悬挂式光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述空心螺钉（3）外形为伞状结构，所述圆筒状保护外壳（4）底部是密封的，上端口处有螺纹，可通过该螺纹与空心螺钉（3）连接。
5.根据权利要求1所述的悬挂式光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述传感器壳体内部空间充满硅油（8）。
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