CN103197099A - 一种双悬臂梁光纤光栅加速度传感器 - Google Patents

一种双悬臂梁光纤光栅加速度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种稳定性好且梁结构应力均匀的双悬臂梁光纤光栅加速度传感器，上悬梁臂与下悬梁臂形状为矩形与等腰三角形的组合；等腰三角形顶角的顶点为自由端；等腰三角形底边与矩形的一个宽边相连，且等腰三角形的底边的长度与矩形的宽的长度相同；矩形的另一个宽边为固定端；等腰三角形底边上的高大于等于矩形的长。当等腰三角形底边上的高大于等于矩形的长时，长方形和等腰三角形的组合形状不但可以有效地避免光纤光栅啁啾效应，同时可大大的提高了传感器的稳定性。

Description

一种双悬臂梁光纤光栅加速度传感器
技术领域
本发明属于光纤光栅传感技术，具体涉及光纤光栅加速度传感技术。 
背景技术
振动的测量时现在工业生产和科学研究中非常重要的领域。 
光纤光栅加速度传感器包括两个悬臂梁和一个质量块，质量块通过点接触焊接在两平行悬臂梁间，光纤光栅贴在悬臂梁表面。在传感器受到振动时，在惯性力的作用下，质量块带动两个矩形梁振动使其产生应变，传递给光纤光栅引起波长移动，从而对振动进行测量。 
由于光纤光栅对外界变化反应灵敏，因而在测量过程中，光纤光栅容易受到温度影响而发生波长漂移。在温度变化100℃时，其波长漂移量约为1nm，这将会严重影响光纤光栅对振动测量的精确度。为了解决光纤光栅加速度传感器温度漂移的问题，提出了在传感器中设置两个光纤光栅，由于两个光纤光栅收到温度影响相同，则可以通过测量只与振动引起的应变波长漂移量有关的两个光纤光栅中心波长差的变化量来实现加速度测量。 
光纤光栅振动传感器中，应用广泛的最基本的悬臂梁形状一般分为两种，第一种是单矩形梁形式，由于这种梁结构应力不均匀，使光纤光栅产生啁啾效应。第二种是单等腰三角形梁，这种梁各点应力均匀，但这种梁结构抗扭性较差，稳定性弱，对加速度测量造成很大影响。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种稳定性好且梁结构应力均匀的光纤光栅振动传感器。 
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种双悬臂梁光纤光栅加速度传感器，包括传感器壳体、上悬梁臂、下悬梁臂、质量块、传感光纤光栅；上悬梁臂与下悬梁臂上下平行设置，且形状相同；上悬梁臂与下悬梁臂的固定端分别固定在传感器壳体内侧，上悬梁臂与下悬梁臂的自由端分别固定在质量块一侧；传感光纤光栅设置在上悬梁臂或下悬梁臂表面； 
其特征在于，上悬梁臂与下悬梁臂形状为矩形与等腰三角形的组合；等腰三角形顶角的顶点为自由端；等腰三角形底边与矩形的一个宽边相连，且等腰三角形的底边的长度与矩形的宽的长度相同；矩形的另一个宽边为固定端；等腰三角形底边上的高大于等于矩形的长。 
本发明传感器悬梁臂中，当等腰三角形底边上的高大于等于矩形的长时，长方形和等腰三角形的组合形状不但可以有效地避免光纤光栅啁啾效应，同时可大大的提高了传感器的稳 定性。 
进一步的，为了避免外界振动频率较大时，振幅过大，造成传感器的损坏，或者振动时间历程较长，引起后续的信号测量失真，在本发明双悬臂梁光纤光栅加速度传感器中增加阻尼装置，阻尼装置一端固定在质量块下端另一端固定在质量块平动方向对应的传感器壳体上。 
本发明的有益效果是，提高了光纤光栅传感器测量的准确性和稳定性。 
附图说明
图1为实施例光纤光栅传感器结构示意图。 
图2为悬臂梁、质量块和传感器壳体的连接俯视图。 
图3为波长解调原理图。 
具体实施方式
如图1所示，光纤光栅传感器包括传感器壳体1、上悬臂梁2、下悬臂梁3、传感光纤光栅4、参考光纤光栅5、质量块6、光纤保护孔7、密封盖8、螺丝9、光纤保护管10、弹簧装置11； 
壳体1的一侧固定两个形状相同的片状悬臂梁，悬臂梁固定端与壳体1连为一体。两个悬臂梁相互平行，形状完全相同，均为长方形和等腰三角形的组合形状，并由完全相同的弹性材料制成。将两个悬臂梁的自由端都插入质量块6内，与质量块6连接为一体。 
如图2所示，悬臂梁的组合形状中等腰三角形顶角的顶点为悬臂梁自由端；等腰三角形底边与矩形的一个宽边相连，且等腰三角形的底边的长度与矩形的宽的长度相同；矩形的另一个宽边为悬臂梁固定端；等腰三角形底边上的高大于等于矩形的长，即悬臂梁矩形之长≤悬臂梁总长的1/2。长方形等截面梁抗扭特性良好，等腰三角形等强度梁应力均匀，有效的防止光纤光栅发生应变时产生啁啾效应，因而梁形状设计为长方形和等腰三角形的组合形状不但可以有效地避免光纤光栅啁啾效应，同时大大的提高了传感器的稳定性。 
质量块6质量远远大于两个悬臂梁质量。质量块6受到外界激励会上下运动，运动方向垂直于两个悬臂梁的上下表面。在上悬臂梁2的上表面的等腰三角形部分的对称中心线上用502胶或AB胶或紫外胶粘贴固定传感光纤光栅4，在质量块6与悬臂梁上下表面垂直的侧表面用502胶或AB胶或紫外胶粘贴固定参考光纤光栅5。两个光纤光栅串接在一起，一端通过壳体1上的光纤保护孔7和壳体外侧与光纤保护孔7同轴心的光纤保护管10穿出。在质量块6底端通过弹簧装置11与壳体1连为一体，且弹簧11初始处于拉伸状态，使得弹簧11在质量块6上下运动时起阻尼作用。在质量块下端安装了弹簧装置作为阻尼部分，不但极大缩短了传感器自由振动时间，也有效的避免了使用不当或者频率过高时造成的光纤光栅传感器的损坏，从而大大提高了光纤光栅传感器测量的准确性和稳定性。在壳体1的上端设置密封盖8，通过螺丝9将密封盖8固定于壳体1上。 
当被测物体振动引起质量块6振动时，悬臂梁发生拉伸或者压缩应变，使粘于上悬臂梁2上的传感光纤光栅4波长发生变化。由于质量块近似产生平动，使粘于质量块侧表面的参考光纤光栅5波长只受温度影响发生漂移。传感光纤光栅4中心反射波长的变化量为： 
△λ传=λ传(1-Pe)×ε+λ传(1+ξ)△T 
式中，Pe为光纤的弹光系数，ε为光纤光栅轴向应变，ξ为光纤的热光系数，△T为温度变化量，λ传为传感光纤光栅自由状态下的中心波长。 
参考光纤光栅的中心反射波长变化量为： 
△λ参=λ参(1+ξ)△T 
在相同环境下，两个光纤光栅受到温度影响相同，因而温度引起的波长变化相同。两光纤光栅中心波长差为： 
△λ=(λ传+△λ传)-(λ参+△λ参)=λ传(1-Pe)×ε+(λ传-λ参) 
传感器一旦封装完成，则λ传和λ参确定，因而λ传-λ参为常量，如图3所示。两光纤光栅中心波长变化量不受温度影响，只与振动引起的应变波长漂移量有关，从而能实现温度自补偿的光纤光栅加速度传感器。 

Claims (4)

1.一种双悬臂梁光纤光栅加速度传感器，包括传感器壳体、上悬梁臂、下悬梁臂、质量块、传感光纤光栅；上悬梁臂与下悬梁臂上下平行设置，且形状相同；上悬梁臂与下悬梁臂的固定端分别固定在传感器壳体内侧，上悬梁臂与下悬梁臂的自由端分别固定在质量块一侧；传感光纤光栅设置在上悬梁臂或下悬梁臂表面；
其特征在于，上悬梁臂与下悬梁臂形状为矩形与等腰三角形的组合；等腰三角形顶角的顶点为自由端；等腰三角形底边与矩形的一个宽边相连，且等腰三角形的底边的长度与矩形的宽的长度相同；矩形的另一个宽边为固定端；等腰三角形底边上的高大于等于矩形的长。
2.如权利要求1所述一种双悬臂梁光纤光栅加速度传感器，其特征在于，还包括阻尼装置，阻尼装置一端固定在质量块下端，另一端固定于传感器壳体在质量块平动方向对应处。
3.如权利要求1所述一种双悬臂梁光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述阻尼装置为处于拉伸状态的弹簧。
4.如权利要求1所述一种双悬臂梁光纤光栅加速度传感器，其特征在于，还包括参考光纤光栅，所述参考光纤光栅设置在参考光纤光栅设置在质量块侧表面。
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