CN102840908B - 一种三分量光纤光栅振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三分量光纤光栅振动传感器，主要包括基座、外壳、光纤光栅、振子、振子卡座、弹簧等部分，传感器由三个相同的振动传感器，互相垂直的固定在传感器基座上；传感器外壳由两部分组成，主体为一盒体结构，该盒体结构五面封闭，有一面开口，另一部分为盖在盒体结构开口上的滑盖；外壳的顶端有一圆孔，传输光纤与套管由此穿出，外壳内有一不锈钢筒，不锈钢筒内放置涂覆弹性材料的光纤光栅；光纤光栅下端与振子相连，振子置于振子卡座内，振子下端通过第二弹簧与传感器外壳的底端相连。本发明的光栅不再黏贴在机械结构上，有效避免了机械结构本身固有频率的限制，大大拓宽了传感器的测量频率范围；本发明能够实时测量相互垂直的三个方向的振动幅度、频率与加速度，并且能有效防止传感器超量程损坏。

Description

一种三分量光纤光栅振动传感器

技术领域

本发明涉及一种三分量光纤光栅振动传感器，具体涉及一种能够同时测量X、Y、Z三个方向振动信号的高精度光纤光栅振动传感器。

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为单方向传感器，且大多将光纤光栅黏贴在一机械结构上，靠机械结构的振动来带动光纤光栅发生形变，但传感器的固有频率取决与机械结构的固有频率，因此目前的光纤光栅传感器测量频率较低，且光谱信号易失真。

发明内容

本发明目的是：提供一种灵敏度高、频率范围宽、且能有效抑制横向效应的三分量光纤光栅振动传感器。

本发明的技术方案是：一种三分量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：传感器由三个相同的振动传感器，互相垂直的固定在传感器基座上，所述传感器外壳由两部分组成，主体为一盒体结构，该盒体有一面开口，另一部分为盖在盒体开口上的滑盖，外壳的顶端有一圆孔，传输光纤与套管由此穿出，外壳内有一不锈钢筒，不锈钢筒内放置涂覆弹性材料的光纤光栅，光纤光栅下端通过第一弹簧与振子相连，振子置于振子卡座内，振子下端通过第二弹簧与传感器外壳的底端相连。

优选的，所述X方向传感器、Y方向传感器与Z方向传感器通过螺纹固定在基座上。

优选的，所述振子为一空心球状结构，且表面有四个卡槽，振子卡座两端有限制振子大幅度运动的卡片，卡槽内涂有润滑油，振子与振子卡座并无直接接触。

优选的，所述胶体将传输光纤与不锈钢筒粘接在一起，所述不锈钢筒内壁与光纤光栅外侧涂覆弹性材料并无接触。

优选的，所述振子卡座焊接在传感器外壳的内壁，振子卡座的四个卡点分别置于振子的四个卡槽内。

优选的，所述传感器内部的空隙为真空。

优选的，所述滑盖内部高于边缘，所述盒体开口边缘有呈阶梯状的卡槽，将滑盖盖在卡槽上后，滑盖边缘正好盖在槽内边上，滑盖的背面与槽外边形成一个平整的平面。

本发明的具体运作原理如下：

首先将三分量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基座与传感器外壳振动，进而带动光纤光栅振动，光纤光栅与传感器外壳均通过弹簧使振子产生振动，但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，分别使连接光纤光栅的第一弹簧与连接传感器外壳的第二弹簧产生方向相反的伸缩运动，因此与第一弹簧相连的光纤光栅所受的力也将不断变化，引起光纤光栅中心波长的漂移，且光栅中心波长的漂移量与振子的加速度成正比，因此通过实时监测三个光纤光栅中心波长的变化情况就能监测待测点的三个方向的振幅、频率与加速度。传感器中的两弹簧不仅是传力装置，同时也有增大阻尼的作用。振子卡座能使振子沿一个方向运动，振子的卡槽与振子卡座卡在一起，能有效防止振子翻转，振子卡座两端有卡片，能有效防止传感器超量程损坏。

本发明的优点是：

1．本发明能够实时测量相互垂直的三个方向的振动幅度、频率与加速度。

 2.本发明的光栅不再黏贴在机械结构上，有效避免了机械结构本身固有频率的限制，大大拓宽了传感器的测量频率范围。

 3.本发明采用了两支弹簧，提高了传感器的稳定性，增大了传感器的阻尼，使传感器幅频特性平坦区进一步展宽。

 4.本发明采用振子卡座限制振子的运动方向，防止振子翻转，且能起到超量程保护作用。

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为本发明一种三分量光纤光栅振动传感器的结构图；

图2为本发明Z方向上的振动传感器内部结构示意图；

图3为本发明振子与振子卡座的俯视图；

图4为本发明滑盖结构正视图；

图5为本发明滑盖结构侧视图；

图6为本发明盒体开口面结构示意图；

图7为本发明一种三分量光纤光栅振动传感器的幅频响应曲线图；

其中1.基座，2.X方向传感器，3.Y方向传感器，4.Z方向传感器，5.传感器外壳，6.传输光纤，7.套管，8.胶体，9.光纤光栅，10.不锈钢筒，11.弹性材料，12.振子卡座，13.振子，14.第一弹簧，15.第二弹簧，16.真空，17.滑盖内部，18.滑盖边缘，19卡槽，20卡槽内边，21卡槽外边，22引线口。

具体实施方式

实施例：如图1所示，X方向传感器2、Y方向传感器3与Z方向传感器4均为长方体结构，顶端均有螺丝，通过螺纹相互垂直的固定在基座1上。传感器外壳5由两部分组成，主体为一槽状结构，传感器主体结构置于内部，另一部分为滑盖，待传感器制作完成，将滑盖与槽状结构粘接在一起。如图2所示，传感器外壳5内有一不锈钢筒10，不锈钢筒10内壁与光纤光栅9外侧涂覆弹性材料11并无接触。外壳5的顶端有一圆孔，传输光纤6与套管7由此穿出，胶体8将传输光纤6与不锈钢筒10粘接在一起。光纤光栅9下端通过第一弹簧14与振子13相连，振子13下端通过第二弹簧15与传感器外壳5的底部相连，振子卡座12焊接在传感器外壳5的内壁，且振子卡座12的四个卡点分别置于振子的四个卡槽内。

振子13为一空心球状结构，能够有效减小摩擦力，第一弹簧14置于振子13空心处，起到连接光纤光栅9与振子13的作用，同时能增大振子13的运动范围。

振子13的表面有四个卡槽，与振子卡座12的四个尖点对应，能够有效抑制振子12的横向运动，且振子13 与振子卡座12并无直接接触，振子13的卡槽内有润滑油，能够减小二者的相对摩擦。

振子卡座12两端有限制振子运动范围的卡片，可有效防止传感器超量程时引起传感器损坏。

振子13通过第二弹簧15与传感器外壳5底部相连，能够增大传感器的稳定性与阻尼。

传感器内部空隙16抽真空，防止润滑油氧化而降低传感器性能。

滑盖内部17高于边缘18，所述盒体开口边缘有呈阶梯状的卡槽19，将滑盖盖在卡槽19上后，滑盖边缘18正好盖在卡槽内边20上，滑盖的背面与卡槽外边21形成一个平整的平面。

本实施例的具体制作过程如下：

首先，将振子基座12的四部分分别焊接在传感器外壳5的四个侧壁上（即盒体结构的3个侧壁以及滑盖上）。然后，将光纤光栅9外均匀涂覆一层弹性材料11，同时将传输光纤6外穿上套管7,并且将二者进行粘接，再将光纤光栅9置于不锈钢筒10中，将套管7与传感器外壳5的上端口粘接在一起，用胶体8将传输光纤6与不锈钢筒10粘接在一起。将第一弹簧14一端与光纤光栅9连接，另一端与振子13连接，振子13的底端与第二弹簧15连接。并将振子13安装在振子基座12内，将传感器外壳滑盖盖在传感器盒体结构开口面的卡槽（19）上，并保证焊接在传感器外壳滑盖处的振子卡座12的尖点处于振子13的卡槽内。最后，将传感器抽真空，并分别将X方向传感器2、Y方向传感器3与Z方向传感器4固定在基座1上，形成三分量光纤光栅振动传感器。

对本发明的性能测试结果分别如图7所示，在现场检测时，首先三分量光纤光栅振动传感器固定于被测物体表面，使用多通道光纤光栅动态解调仪分别对光纤光栅9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 (8)

1.一种三分量光纤光栅振动传感器，它包括传感器外壳(5)，传输光纤(6)，套管(7)，光纤光栅(9)，振子(13)，其特征在于：所述三分量光纤光栅振动传感器由三个相同的振动传感器互相垂直的固定在传感器基座(1)上组成，传感器外壳(5)的顶端有一圆孔，传输光纤(6)与套管(7)由此穿出，传感器外壳(5)内有一不锈钢筒(10)，不锈钢筒(10)内放置涂覆弹性材料(11)的光纤光栅(9)，光纤光栅(9)下端通过第一弹簧(14)与振子(13)相连，振子(13)置于振子卡座(12)内，振子(13)下端通过第二弹簧(15)与传感器外壳(5)的底端相连。

2.根据权利要求1所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述三个互相垂直的振动传感器，包括X方向传感器(2)、Y方向传感器(3)与Z方向传感器(4)，都通过螺纹固定在传感器基座(1)上。

3.根据权利要求1所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述传感器外壳(5)由两部分组成，主体为一盒体结构，该盒体结构五面封闭，有一面开口，另一部分为盖在盒体结构开口上的滑盖。

4.根据权利要求3所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述滑盖内部(17)高于滑盖边缘(18)，所述盒体结构的开口边缘有呈阶梯状的卡槽(19)，将滑盖盖在卡槽(19)上后，滑盖边缘(18)正好盖在卡槽内边(20)上，滑盖的背面与卡槽外边(21)形成一个平整的平面。

5.根据权利要求1所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述振子(13)为一空心球状结构，且表面有四个卡槽，振子卡座(12)两端有限制振子大幅度运动的卡片，卡槽内涂有润滑油，振子(13)与振子卡座(12)并无直接接触。

6.根据权利要求5所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述振子卡座(12)焊接在传感器外壳(5)的内壁，振子卡座(12)的四个尖点分别置于振子(13)的四个卡槽内。

7.根据权利要求1所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于：胶体(8)将传输光纤(6)与不锈钢筒(10)粘接在一起，所述不锈钢筒(10)内壁与光纤光栅(9)外侧涂覆的弹性材料(11)并无接触。

8.根据权利要求1所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述传感器内部的空隙(16)为真空。