CN102981020A - 一种光纤光栅温度自补偿型加速度传感器 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅温度自补偿型加速度传感器，包括等强度梁、两条光纤光栅、金属支座、金属保护外壳和质量块，等强度梁的一端与支座固定连接，第一号光纤光栅和第二号光纤光栅分别粘贴在等强度梁上下表面的轴线上，并将第一号和第二号光纤光栅串联熔接，等强度梁的另外一端固定连接有质量块，金属保护外壳将等强度梁和质量块封装在内，在测量中，由于环境温度变化使光纤光栅产生的波长变化量通过一系列方法进行消除，进而求得实际应变导致的波长变化量，从而实现温度的自补偿功能；本发明具有灵敏度高、精确度高、耐久性好的优点，可以根据实际的测量要求改变设计尺寸来调节量程。

Description

一种光纤光栅温度自补偿型加速度传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤光栅温度自补偿型加速度传感器。

背景技术

加速度传感器是大型机械设备，运输工具，振动测量、地震监测、导航与制导等领域中常用的重要传感器。由于光纤光栅(Fiber BraggGrating-FBG)采用波长编码，并可以采用各种复用技术实现多点及网络化传感系统且具有抗电磁干扰、体积小、质量轻、动态范围大、能在恶劣环境下工作等优良特性，因而倍受发达国家军事与工程领域的青睐。近年来，利用光纤光栅实现对加速度测量的加速度传感器已经出现了多种结构形式。

Berkoff等人于1996年提出了一种光纤光栅振动加速度计的设计，此结构利用OFBG的压力效应，但由于被测物体在振动过程中容易导致光栅的双折射，致使反射谱的谱峰分裂，降低了此设计的光纤光栅加速度传感器的测量精度。

Todd等人于1998年开发出了基于双挠性梁的光纤光栅加速度传感器。由于选用双挠性梁作为传感器的弹性元件，此设计有利于降低传感器的横向串扰问题，但由于传感光纤光栅产生了非均匀应变，致使加速度传感器的测量精度降低。

Mita于2000年提出了一种由L型悬臂梁、质量块和弹簧片构成的新型光纤光栅加速度传感器。为了避免光纤光栅产生不均匀应变，该结构中采用了对光纤光栅预拉伸后直接固定在L型悬臂梁上的方式，选用弹簧片的目的是为了消除传感器的横向串扰问题。该结构传感器的谐振频率约为45Hz。

TengLi等人于2006年设计了主梁与微梁相结合的差动式光纤光栅加速度传感器。此结构的最大特点是传感器的灵敏度和谐振频率互补影响，即增加传感器的谐振频率的同时不会以牺牲其灵敏度为代价。

Chen Zhengbin等人于2008年提出了基于D型光纤光栅加速度传感器。然后将进过特殊处理的光纤光栅封装在等强度悬臂梁上，由于D型光纤光栅比普通光纤光栅的弯曲灵敏度要高很多，因此这种基于D型光纤光栅的加速度传感器要比刘波等人提出的基于等强度悬臂梁的光纤光栅加速度传感器的灵敏度高出许多。

张东生等人于2009年提出了基于毛细钢管结构的光纤光栅加速度传感器。他将两根光纤光栅串联熔接后封装在毛细钢管的内壁，质量块穿过钢管固定在两个光纤光栅中间，由于钢管的刚度系数非常大，因此此种封装方式的谐振频率非常高，

同年，Wang Yongjie等人提出了基于活塞结构的光纤光栅加速度传感器。在此结构中，他采用金属弹簧作为加速度传感器的弹性敏感元件，以光纤光栅作为传感元件。此种活塞式结构很好的避免了交叉串扰的问题。

但是，以等强度梁悬臂式结构为基础，通过光栅布置方法的改进而制成的温度自补偿型加速度传感器几乎为零。本发明中，通过在等强度梁上下表面分别粘贴光纤光栅并使之串联在一起，实现了测量加速度时的温度自补偿，即环境温度的变化不会对测量结果产生影响。这种光纤光栅温度自补偿加速度传感器具有很高的测量精度，并且与普通加速度传感器相比，稳定性更高，抗干扰能力更强，从而，可将其应用于温度变化大，环境条件恶劣的测量环境中。现有的光纤光栅加速度传感器因存在各种不足，限制了其使用，如采用复杂的结构形式，未考虑环境因素的影响，或者考虑了环境因素的影响，但补偿效果不理想等等。因此，研究和开发新型的光纤光栅加速度传感器有十分重要的社会经济意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在等强度梁悬臂式结构中通过在梁的上下表面轴心处粘贴光纤光栅，在测量过程中可直接消去环境温度变化对光纤光栅变形的影响，即温度自补偿型光纤光栅加速度传感器。

本发明的目的是这样实现的：

一种光纤光栅温度自补偿型加速度传感器，包括等强度梁、两根光纤光栅、金属支座、金属保护外壳和质量块，其特征在于：所述的等强度梁形状为三角形，其横截面为矩形；等强度梁的一端与支座固定连接，第一号光纤光栅和第二号光纤光栅分别粘贴在等强度梁上下表面的轴线上，并将第一号和第二号光纤光栅串联熔接，等强度梁的另外一端固定连接有质量块，金属保护外壳将等强度梁和质量块封装在内，在测量中，由于环境温度变化使光纤光栅产生的中心波长变化量通过下面的方法进行消除，进而求得实际应变导致的波长变化量，从而实现温度的自补偿功能；

方法如下：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}=(1-P_e){\mathrm{\ϵ}}_1+(\mathrm{\α}+\mathrm{\ζ}){\mathrm{\ΔT}}_1---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}=(1-P_e){\mathrm{\ϵ}}_2+(\mathrm{\α}+\mathrm{\ζ}){\mathrm{\ΔT}}_2---\left(2\right)$

式中，α为光纤的热膨胀系数；ζ为光纤的热光系数；P_e为光纤光栅光弹系数；考虑等强度梁的性质及ΔT₁＝ΔT₂，ε₁＝-ε₂＝ε，将(1)-(2)式得：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}=2(1-P_e)\mathrm{\ϵ}---\left(3\right)$

当λ₁＝λ₂＝λ时，Δλ₁-Δλ₂＝2λ(1-P_e)ε，由

得

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{2}{K}_{\mathrm{\ϵ}}({\mathrm{\Δ\λ}}_1-{\mathrm{\Δ\λ}}_2)---\left(4\right)$

即等强度梁的轴向应变可用两支光纤光栅的中心波长变化量来表示，无需考虑温度变化的影响；

等强度梁特点是在一端施加力时，梁的轴线方向应变值处处相等，光纤光栅沿轴向布置，受力均匀。

本发明可针对实际使用环境要求，采用不同尺寸，不同形状，不同材料的外壳将上述结构进行封装，或采用串联或并联形式加工成双轴或三轴加速度传感器。本发明具有灵敏度高、精确度高、耐久性好的优点，可以根据实际的测量要求改变设计尺寸来调节量程，量程范围可设计为10G或100G。

附图说明

图1为本发明实施方案的结构示意图；

图2为本发明的等强度梁悬臂式结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明：

实施例1：

结合图1、图2，本发明一种光纤光栅温度自补偿型加速度传感器。它包括等强度梁6：梁宽B，梁厚t，梁长L，第一号光纤光栅3、第二号光纤光栅4，金属支座5和质量块2、等强度梁6轴心线上的应变处处相等，第一号光纤光栅3与第二号光纤光栅4分别粘贴在等强度梁6的轴心线上，在测量过程中，由于二者距离近，环境温度的变化将使二者产生相同的应变值，通过公式计算，将其约去，最终仅通过波长变化量即可得到仅应变产生的波长变化量大小，实现温度自补偿功能。

本发明采用等强度梁悬臂式结构。为了使各个截面的弯曲应力相同，应随着弯矩的大小相应改变截面的尺寸，以保持相同强度的梁，即等强度梁轴心线上的应变处处相等，而等截面悬臂梁在荷载作用下梁的表面应变沿轴向是非均匀分布的，容易导致粘在表面上的光栅的输出光谱展宽、畸变，严重时甚至导致波峰的劈裂，从而使加速度的测量误差增加，在结构上使用等强度悬臂梁的形式能有效避免这种情况发生。

实施例2：结合图1-2，基于等强度梁悬臂式结构光纤光栅加速度传感器原理如下：

如图1所示，温度自补偿原理：

通过在等强度悬臂梁上下表面对应位置粘贴一号和二号光纤光栅来实现温度的自补偿。具体原理如下：

根据光纤光栅的工作原理，光纤光栅是温度和应变双参量敏感元件，因此光纤光栅加速度传感器内部的两支光栅的波长变化量可以表示如下：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}=(1-P_e){\mathrm{\ϵ}}_1+(\mathrm{\α}+\mathrm{\ζ}){\mathrm{\ΔT}}_1---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}=(1-P_e){\mathrm{\ϵ}}_2+(\mathrm{\α}+\mathrm{\ζ}){\mathrm{\ΔT}}_2---\left(2\right)$

式中，α为光纤的热膨胀系数；ζ为掺锗光纤的热光系数；P_e为光纤光栅光弹系数。考虑等强度梁的属性及ΔT₁＝ΔT₂，ε₁＝-ε₂＝ε，将(1)-(2)式得：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}=2(1-P_e)\mathrm{\ϵ}---\left(3\right)$

设λ₁＝λ₂＝λ时，Δλ₁-Δλ₂＝2λ(1-P_e)ε，由

得

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{2}{K}_{\mathrm{\ϵ}}({\mathrm{\Δ\λ}}_1-{\mathrm{\Δ\λ}}_2)---\left(4\right)$

即等强度梁的变形只与两支光栅的中心波长变化有关，而与温度参数等无关。

此种温度补偿方法要结合等强度梁来实现，由于悬臂式等强度梁在其自由端受到集中力作用时，其轴心线上的应变沿轴线方向处处相等，这使得光纤光栅均匀受力，使测量结果更精确。而基于等强度梁的受力特性，最终计算出光纤光栅中心波长变化与所测量加速度的关系，实现对加速度的测量。

本发明根据参数，如梁宽，梁厚以及梁长的改变，可设计出具有不同量程，如10g，100g的加速度传感器。

如图2所示，加速度测量原理：

如图2所示的等强度悬臂梁，当梁的三角形顶端质量块M发生运动时，会使等强度梁发生弯曲变形，并且其上下两个表面的轴向应变ε是均匀分布的，其大小为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6\mathrm{FL}}{{\mathrm{EBt}}^2}---\left(5\right)$

式中：E为悬臂梁材料的杨氏模量，L为悬臂梁的总长度，B为悬臂梁的底部宽度，t为梁的厚度。忽略悬臂梁自重的影响，根据等强度悬臂梁端部的挠度公式可以得到梁的等效弹簧刚度为：

$K=\frac{{\mathrm{EBt}}^3}{{6L}^3}---\left(6\right)$

附图中x为空间固定坐标，y为外壳的随体坐标，当结构随支座处在振动情况下时，质量块与外壳产生y的相对位移，于是在y坐标系下忽略阻尼时，质量块的运动方程为：

$M\stackrel{\·\·}{y}+\mathrm{Ky}=-{\mathrm{Ma}}_g---\left(7\right)$

式中：M为质量块的质量，a_g为外壳随支座运动在x坐标系中的加速度，所以Ma_g表示y坐标系中的惯性力。等式两边同除以M可得：

$\stackrel{\·\·}{y}+{{\mathrm{\ω}}_0}^{2}y=-a_g---\left(8\right)$

式中

为等强度梁悬臂式结构的固有频率。

设支座简谐振动的频率为ω，于是其运动的复表示为：

x_g＝X_ge^iωt          (9)

则

a_g＝-X_gω²e^iωt      (10)

式中X_gω²为加速度振幅，记为A_a，设端部质量块的位移振幅为Y，则运动可以表示为：

y＝Ye^iωt            (11)

将式(9)，(10)，(11)代入(7)式，可得

$Y=\frac{1}{1-{(\mathrm{\ω}/{\mathrm{\ω}}_0)}^2}\frac{A_g}{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}---\left(12\right)$

它表示质量块的位移振幅Y与支座加速度振幅之间的关系，当支座频率远较固有频率低时，1-(ω/ω₀)²≈1，于是得

$Y=\frac{A_g}{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}---\left(13\right)$

即质量块的位移振幅与所测的支座加速度振幅成正比，与支座振动频率无关。将F＝KY，

和式(6)，(13)代入(5)式，并根据温度自补偿原理公式(4)可得加速度振幅A_g与光纤光栅波长变化的关系：

$A_g=\frac{K_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{EBt}}^2}{8\mathrm{ML}}({\mathrm{\Δ\λ}}_1-{\mathrm{\Δ\λ}}_2)=K_a({\mathrm{\Δ\λ}}_1-{\mathrm{\Δ\λ}}_2)---\left(14\right)$

这里

$K_a=\frac{K_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{EBt}}^2}{8\mathrm{ML}}---\left(15\right)$

K_a为加速度灵敏度系数。

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{K/M}=\sqrt{\frac{{\mathrm{EBt}}^3}{{6L}^{3}M}}---\left(16\right)$

ω₀为结构的固有频率。

实施例3：可根据不同尺寸设计出适用于不同量程范围的加速度传感器，也可根据所测得光纤光栅波长变化值来计算支座处加速度的大小。设计举例如下：

(1)当量程为100g时，设K_ε＝0.83με/pm，取E＝208Gp_a，B＝40mm，L＝30mm，t＝1mm，M＝0.01K_g时：

由 $A_g=\frac{K_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{EBt}}^2}{8\mathrm{ML}}({\mathrm{\Δ\λ}}_1-{\mathrm{\Δ\λ}}_2);$ $K_a=\frac{K_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{EBt}}^2}{8\mathrm{ML}}$ 得，

$K_a=\frac{0.83\×0.000001/\mathrm{pm}\×208\×{10}^{3}N/{\mathrm{mm}}^2\×40\mathrm{mm}\×1^2{\mathrm{mm}}^2}{8\×0.01\×30\mathrm{mm}}=2.877(m/s^2)/\mathrm{pm}=$

$\frac{2.877m/s^2}{9.8m/s^2}g/\mathrm{pm}=0.29g/\mathrm{pm}$

此时，

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{208\×{10}^3\×{10}^3{K}_g(\mathrm{mm}/s^2)/{\mathrm{mm}}^2\×40\mathrm{mm}\×1^3{\mathrm{mm}}^3}{6\×{30}^3{\mathrm{mm}}^3\×0.01\mathrm{Kg}}}=2266\mathrm{rad}/\sec$

即f＝360.8Hz

当A_g＝100g时，

A_g＝K_a(Δλ₁-Δλ₂)，Δλ₁-Δλ₂＝345pm，ε＝K_ε(Δλ₁-Δλ₂)＝0.83×345＝286με

(2)当量程为10g时，设K_ε＝0.83με/pm，取E＝208Gp_a，B＝30mm，L＝30mm，t＝0.5mm，M＝0.05K_g时，计算方法同上。

$K_a=\frac{0.83\×0.000001/\mathrm{pm}\×208\×{10}^{3}N/{\mathrm{mm}}^2\×30\mathrm{mm}\×{0.5}^2{\mathrm{mm}}^2}{8\×0.05K_g\×30\mathrm{mm}}=0.108(m/s^2)/\mathrm{pm}=$

$\frac{0.108m/s^2}{9.8m/s^2}g/\mathrm{pm}=0.011g/\mathrm{pm}$

此时，

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{208\×{10}^3\×{10}^3{K}_g(\mathrm{mm}/s^2)/{\mathrm{mm}}^2\×30\mathrm{mm}\×{0.5}^3{\mathrm{mm}}^3}{6\×{30}^3{\mathrm{mm}}^3\×0.05\mathrm{Kg}}}=310.3\mathrm{rad}/\sec$

即f＝50Hz

当A_g＝10g时，A_g＝K_a(Δλ₁-Δλ₂)，

Δλ₁-Δλ₂＝910pm，ε＝K_ε(Δλ₁-Δλ₂)＝0.83×910＝755με

(3)当测得Δλ₁＝320pm，Δλ₂＝-330pm时，若此时加速度传感器

K_a＝0.005g/pm，则此时支座处产生的加速度幅值大小为

A_g＝K_a(Δλ₁-Δλ₂)＝0.005×(320+330)＝3.25g。

Claims (1)

1.一种光纤光栅温度自补偿型加速度传感器，包括等强度梁、两根光纤光栅、金属支座、金属保护外壳和质量块，其特征在于：所述的等强度梁形状为三角形，其横截面为矩形；等强度梁的一端与支座固定连接，第一号光纤光栅和第二号光纤光栅分别粘贴在等强度梁上下表面的轴线上，并将第一号和第二号光纤光栅串联熔接，等强度梁的另外一端固定连接有质量块，金属保护外壳将等强度梁和质量块封装在内，在测量中，由于环境温度变化使光纤光栅产生的中心波长变化量通过下面的方法进行消除，进而求得实际应变导致的波长变化量，从而实现温度的自补偿功能；

方法如下：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}=(1-P_e){\mathrm{\ϵ}}_1+(\mathrm{\α}+\mathrm{\ζ}){\mathrm{\ΔT}}_1---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}=(1-P_e){\mathrm{\ϵ}}_2+(\mathrm{\α}+\mathrm{\ζ}){\mathrm{\ΔT}}_2---\left(2\right)$

式中，α为光纤的热膨胀系数；ζ为光纤的热光系数；P_e为光纤光栅光弹系数；考虑等强度梁的性质及ΔT₁＝ΔT₂，ε₁＝-ε₂＝ε，将(1)-(2)式得：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}=2(1-P_e)\mathrm{\ϵ}---\left(3\right)$

设λ₁＝λ₂＝λ时，Δλ₁-Δλ₂＝2λ(1-P_e)ε，由

得

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{2}{K}_{\mathrm{\ϵ}}({\mathrm{\Δ\λ}}_1-{\mathrm{\Δ\λ}}_2)---\left(4\right)$

即等强度梁的轴向应变可用两支光纤光栅的中心波长变化量来表示，无需考虑温度变化的影响。

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