CN103823080B - 一种温度不敏感光纤光栅加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种温度不敏感光纤光栅加速度传感器，采用双矩形悬臂梁结构，该双矩形悬臂梁结构包括第一至第四悬臂梁、惯性质量块以及第一和第二悬臂梁固定端，所述惯性质量块位于四个悬臂梁的几何中心，并固定于四个悬臂梁上或联为一个整体，第一和第二悬臂梁固定端固定在四个悬臂梁的两端；所述温度不敏感光纤光栅加速度传感器进一步包括有传感器顶盖和底座，所述传感器顶盖与惯性质量块之间留有一定距离并与第一和第二悬臂梁固定端的上端固定连接，所述底座与惯性质量块之间留有一定距离并与第一和第二悬臂梁固定端的下端固定连接；所述悬臂梁的非线性均匀应变区域封装有传感光栅，传感光栅通过光纤出孔与外部解调单元相连。
Description
【技术领域】
本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种用于测定物体振动幅度和频率的温度不敏感光纤光栅加速度传感器。
【背景技术】
光纤光栅作为一种无源器件，是通过一定的技术方法使光纤纤芯的折射率发生轴向调制而形成的衍射光栅。光纤光栅的反射或透射波的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，而外界温度或应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射波长的变化，通过检测光栅反射中心波长的变化来获得外界物理量的变化。
光纤光栅加速度传感器与传统的强度调制和相位调制的光纤传感器相比,除具有耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰的优点外，还具有波长调制型的独特优点，利于波分复用，容易实现传感网络，然而，由于光纤光栅同时对温度应变敏感，在加速度测量的同时如何实现光栅温度不敏感加速度测量是一个难题，一般解决的方法是通过增加温度补偿光栅来消除温度的影响，不仅增加了传感器的成本，而且增加了光栅传感器的封装难度。因此，单光纤光栅在加速度测量领域的应用引起了人们的广泛关注和极大兴趣，具有重要的学术研究价值和市场应用前景。
申请号为201310092296.X，发明名称为《一种双悬臂梁光纤光栅加速度传感器》的中国发明专利申请，公开了将两个裸光栅串接后封装在两片等强度的悬臂梁外表面上，当被测物体发生振动时，引起传感器内质量块的振动，在质量块的惯性力作用下，与质量块联接的两个悬臂梁的表面产生拉伸和压缩，使得粘贴于其上的两个传感光栅产生应变，由于两个光栅的参数相同，两个悬臂梁的材料相同，所以温度系数相同，同时两个光栅的中心波长漂移方向相反，在实现补偿温度的同时，实现加速度增敏，但这种光纤光栅加速度传感器对两个光栅的中心波长的要求比较严格，封装过程容易导致两个光栅的中心波长失配，导致传感器失效；而且其结构为等强度梁，应力集中区域在惯性质量块附近，此部分容易损坏，这些因素容易引起光栅啁啾而导致传感器无法正常使用。
鉴于以上技术问题，实有必要提供一种温度不敏感光纤光栅加速度传感器以克服以上技术缺陷。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于克服上述加速度传感器的缺点，提供一种单光栅温度不敏感的双巨型臂梁光纤光栅加速度传感器。
为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种温度不敏感光纤光栅加速度传感器，采用双矩形悬臂梁结构，该双矩形悬臂梁结构包括第一至第四悬臂梁、惯性质量块以及第一和第二悬臂梁固定端，所述惯性质量块位于四个悬臂梁的几何中心，并固定于四个悬臂梁上或联为一个整体，第一和第二悬臂梁固定端固定在四个悬臂梁的两端；所述温度不敏感光纤光栅加速度传感器进一步包括有传感器顶盖和底座，所述传感器顶盖与惯性质量块之间留有一定距离并与第一和第二悬臂梁固定端的上端固定连接，所述底座与惯性质量块之间留有一定距离并与第一和第二悬臂梁固定端的下端固定连接；所述悬臂梁的非线性均匀应变区域封装有传感光栅，传感光栅通过光纤出孔与外部解调单元相连。
作为本发明的优选实施例，所述传感器顶盖和底座上设置有对惯性质量块进行限位的限位结构，以限制传感器震动的最大位移。
作为本发明的优选实施例，所述限位机构为朝向惯性质量块方向凸起的凸起部分。
作为本发明的优选实施例，所述四个悬臂梁的结构参数相同，具有对称结构。
作为本发明的优选实施例，所述四个悬臂梁由相同的弹性合金制成。
作为本发明的优选实施例，所述传感光栅位于悬臂梁的中心轴线上，光纤输出端通过光纤出孔穿出传感器的第二悬臂梁固定端，并密封处理。
作为本发明的优选实施例，所述传感光栅的中心波长为1543.5nm～1560.423nm，3dB带宽为0.26～0.35nm，传感光栅的几何长度为14～16mm。
作为本发明的优选实施例，所述悬臂梁的厚度为0.5～0.8mm，长度为25mm，宽度为10mm。
作为本发明的优选实施例，所述质量块的长度为10mm，宽度为10mm，高度为8.4～9mm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明利用光纤光栅的非均匀应变传感原理，使梁的外表面产生线性非均匀应变，将单只光纤光栅封装在矩形梁外表面的线性非均匀应变区域，当外界振动信号作用于该结构时，引起传感器内惯性质量块的振动，进而产生惯性力，导致与质量块联接的两个悬臂梁的表面产生线性非均匀应变，使得封装于其上的光栅光谱的带宽产生展宽，反射功率线性增大，而温度不影响光栅的反射谱的功率，与普通振动传感器相比，实现了温度不敏感加速度测量；而且通过一只光栅解决了温度和加速度交叉敏感问题。
【附图说明】
图1为本发明实施例1的结构示意图。
其中，1为传感光栅，2、5、7、9分别为第一、第二、第三和第四悬臂梁，3为惯性质量块，4为传感器顶盖，6、10分别为第一和第二悬臂梁固定端，8为底座，11为光纤出口。
【具体实施方式】
下面结合附图和各实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
请参阅图1所示，本发明温度不敏感光纤光栅加速度传感器为双矩形悬臂梁结构，主要由传感光栅1、第一悬臂梁2、惯性质量块3、传感器顶盖4、第二悬臂梁5、第一悬臂梁固定端6、第三悬臂梁7、底座8、第四悬臂梁9、第二悬臂梁固定端10、光纤出孔11联接构成。所述惯性质量块3处于四个悬臂梁的几何中心，并固定于四个悬臂梁上或联为一个整体，第二悬臂梁固定端10和第一悬臂梁2、第四悬臂梁9的左端固定并联为一个整体，第一悬臂梁固定端6和第二悬臂梁5、第三悬臂梁7的右端固定并联为一个整体，传感器顶盖4与第二悬臂梁固定端10和第一悬臂梁固定端6的上端密封焊接或胶密封固接，传感器底座8与第二悬臂梁固定端10和第一悬臂梁固定端6的下端密封焊接或胶密封固接，同时，传感器顶盖4和底座8设计有对惯性质量块3的限位结构。所述第一悬臂梁2的非线性均匀应变区域封装所述传感光栅1，传感光纤通过光纤出孔11与外部解调单元相连接。
如图1所示，双矩形悬臂梁结构主要由第一悬臂梁2、第二悬臂梁5、第三悬臂梁7、第四悬臂梁9、惯性质量块3、第一悬臂梁固定端6和第二悬臂梁固定端10构成，四个悬臂梁的结构参数相同，具有对称结构，且由相同的高弹性合金制成，惯性质量块3通过焊接方法固定在中心位置，第一悬臂梁固定端6和第二悬臂梁固定端10的上端与传感器顶盖4焊接密封联结，传感器顶盖4与惯性质量块相对的一面设置有第一凸起部分以限制传感器向上振动的最大位移，第一悬臂梁固定端6和第二悬臂梁固定端10的下端与底座8焊接密封联结，底座8与惯性质量块3相对的一面设置有第二凸起部分以限制传感器向下振动的最大位移，第一凸起部分和第二凸起部分构成对惯性质量块3的限位结构，对传感器起到过载保护作用。传感光栅1通过393ND胶封装于第一悬臂梁2的线性非均匀敏感应变区，并处在第一悬臂梁2的中心轴线上，光纤输出端通过光纤出孔11穿出传感器的第二悬臂梁固定端10，并通过胶393ND密封。本实施例的传感光栅1为均匀光纤光栅，光纤光栅的中心波长为1551.256nm,3dB带宽为0.35nm，光纤光栅的几何长度为15mm，光栅的反射率大于90%，悬臂梁2、悬臂梁5、悬臂梁7和悬臂梁9的厚度为0.5mm，长度为25mm，宽度为10mm；质量块的长度为10mm，宽度为10mm，高度为9mm。
实施例2
本实施例中，传感器的结构参数和材料均与实施例1相同，不同在于：传感光栅1的位置处在第二悬臂梁5的线性非均匀应变区域，传感光栅1的中心波长为1560.423nm，3dB带宽为0.28nm，光纤光栅的几何长度为14mm，光栅的反射率大于90%，其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例3
本实施例中，传感器的结构参数和材料均与实施例1相同，不同在于：传感光栅1的位置处在第三悬臂梁7的线性非均匀应变区域，传感光栅1的中心波长为1543.5nm，3dB带宽为0.26nm，光纤光栅的几何长度为16mm，光栅的反射率大于90%，其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例4
本实施例中，传感器的结构参数和材料均与实施例1相同，不同在于：传感光栅1的位置处在第四悬臂梁9的线性非均匀应变区域，传感光栅1的中心波长为1545.49nm，3dB带宽为0.30nm，光纤光栅的几何长度为10mm，光栅的反射率大于90%，其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例5
在以上的实施例1～4不同点在于：第一悬臂梁2、第二悬臂梁5、第三悬臂梁7、第四悬臂梁9的厚度为0.8mm，质量块的长度为10mm，宽度为10mm，高度为8.4mm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
使用时，将本发明安装在被测对象上，将信号传输光纤与光纤光栅解调模块相连，当外界的振动信号作用于被测物体时，惯性质量块3在惯性力的作用下，双矩形梁的第一悬臂梁2至第四悬臂梁9上产生线性非均匀应变，使得粘贴在悬臂梁上的传感光栅的光谱带宽展宽，引起反射光强也发生周期性的变化，通过光电探测及数据处理对反射光强的变化幅度和频率进行检测，从而检测出被测物体的振动幅度和频率。
本发明的工作原理如下：
将一只传感光栅封装在悬臂梁的线性非均匀应变区，当被测对象发生振动时，惯性质量块3振动，在惯性质量块3的惯性力作用下，双矩形梁的悬臂梁上产生线性非均匀应变，使得光栅的各个子反射谱在同一波长位置相互叠加,整个光纤光栅反射谱呈现带宽展宽的布拉格啁啾谱，最终使得整个光纤光栅反射谱呈现出一个峰值功率下降但总反射光强增加的布拉格啁啾展宽谱，通过检测反射光强的变化实现外界加速度的检测。啁啾谱的带宽展宽量ΔλBW可表示为最大谐振波长λmax与最小谐振波长λmin之差：
ΔλBw＝λmax-λmin＝2neffΛ[(1-Pe)(εmax-εmin)+(α+ξ)(Tmax-Tmin)] （1）
式中Pe为光纤材料的有效弹光系数，εmax和εmin分别为子光栅受到的最大应变和最小轴向应变，α、ξ分别为光栅的热膨胀系数和热光系数，Tmax、Tmin为子光栅受到的最大温度和最小温度，neff、Λ为光栅的有效折射率和光栅周期。反射光谱的光强的变化ΔP与光栅的带宽ΔλBW之间的关系为：
ΔP＝kα2 lossRPBBs(λ)ΔλBW （2）
式中k和αloss分别为器件连接的光强耦合系数和光纤传输损耗，R为光栅的反射率，PBBS(λ)为光源的输出谱密度。
从上式（1）、（2）可以看出，由于传感光栅处在同一温度，所以温度对光栅带宽展宽没有影响，仅仅影响光栅的中心波长的漂移，实现对温度不敏感测量。当受到外界振动信号的影响，则惯性质量块上下运动，引起悬臂梁产生线性非均匀应变，即光栅中的每一个子栅集受到不同的应变，则导致光栅光谱的整体展宽，从而引起光强的变化，通过检测光强的变化幅度和频率就可以检测出被测物体的振动幅度和频率。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、采用双矩形悬臂梁作为振动信号的敏感元件，与单等强度梁、双等强度梁单矩形梁相比，提高了横向抗干扰能力，在同样谐振频率的情况下，对于扩展加速度传感器的线性平坦区频率范围具有重要的意义。
2、采用双矩形悬臂梁结构，传感器工作时，悬臂梁2、悬臂梁5、悬臂梁7、悬臂梁9的表面会产生一个线性非均匀应变区，每一个梁的上下两个表面应变相反，同时悬臂梁2与悬臂梁5的上下表面的应变方向相反，且应变大小相同；悬臂梁7与悬臂梁9的上下表面的应变方向相反，且应变大小相同，所以该结构的应变敏感区域选择灵活，同时可采用多个应变敏感区组成桥路，提高灵敏度。
3、将一只普通的光纤光栅1封装在四个悬臂梁的任何一个梁上的线性非均匀应变区，由于整个传感光栅1处于同一温度环境下，温度仅仅影响光栅光谱的中心波长，不影响光栅的反射谱能量，有效地消除了外界环境温度波动对对振动信号的影响，实现了温度不敏感加速度测量。
4、在顶盖4和底座8上的凸起部分限制质量块3的位移，同时可并根据加速度的测量范围设计凸起部分的高度，起到有效过载保护的作用。
本发明利用光纤光栅的非均匀应变传感原理，设计特殊的结构，使梁的外表面产生线性非均匀应变，将单只光纤光栅封装在矩形梁外表面的线性非均匀应变区域，当外界振动信号作用于该结构时，引起传感器内惯性质量块的振动，进而产生惯性力，导致与质量块联接的两个悬臂梁的表面产生线性非均匀应变，使得封装于其上的光栅光谱的带宽产生展宽，反射功率线性增大，而温度不影响光栅的反射谱的功率，与普通振动传感器相比，实现了温度不敏感加速度测量；而且通过一只光栅解决了温度和加速度交叉敏感问题，同时，在与振动方向相垂直的两表面上安装了限位装置，有效地防止质量块位移过大导致传感器超量程，有效的实现过载保护，避免由于使用不当或信号过载而造成的光纤光栅传感器的损坏，大大提高了光纤光栅传感器的可靠性和稳定性。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1、首先，本发明采用单光栅通过光纤光栅的带宽展宽来实现加速度的测量，不需要两只光栅，更简单易行，所以不存在光纤光栅的匹配问题，光纤光栅的封装工艺更简单，容易实现。
2、由于等强度梁的几何结构要求，使得与质量块相连接的部分比固定端要窄的多，恰恰由于该原因，使得该处的应力比较集中，同时光纤光栅的封装位置又不在此处，没有起到增敏的作用，反而比较容易被破坏，大大降低了双等强度梁结构的稳定性和可靠性。
Claims (9)
1.一种温度不敏感光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述温度不敏感光纤光栅加速度传感器采用双矩形悬臂梁结构，该双矩形悬臂梁结构包括第一至第四悬臂梁（2、5、7、9）、惯性质量块（3）以及第一和第二悬臂梁固定端（6、10），所述惯性质量块（3）位于四个悬臂梁的几何中心，并固定于四个悬臂梁上或联为一个整体，第一和第二悬臂梁固定端（6、10）固定在四个悬臂梁的两端；所述温度不敏感光纤光栅加速度传感器进一步包括有传感器顶盖（4）和底座（8），所述传感器顶盖（4）与惯性质量块之间留有一定距离并与第一和第二悬臂梁固定端的上端固定连接，所述底座（8）与惯性质量块之间留有一定距离并与第一和第二悬臂梁固定端的下端固定连接；所述悬臂梁的非线性均匀应变区域封装有传感光栅（1），传感光栅通过光纤出孔与外部解调单元相连。
2.根据权利要求1所述的一种温度不敏感光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述传感器顶盖（4）和底座（8）上设置有对惯性质量块进行限位的限位结构，以限制传感器震动的最大位移。
3.根据权利要求2所述的一种温度不敏感光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述限位机构为朝向惯性质量块方向凸起的凸起部分。
4.根据权利要求1所述的一种温度不敏感光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述四个悬臂梁的结构参数相同，具有对称结构。
5.根据权利要求1所述的一种温度不敏感光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述四个悬臂梁由相同的弹性合金制成。
6.根据权利要求1所述的一种温度不敏感光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述传感光栅位于悬臂梁的中心轴线上，光纤输出端通过光纤出孔穿出传感器的第二悬臂梁固定端，并密封处理。
7.根据权利要求1所述的一种温度不敏感光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述传感光栅的中心波长为1543.5nm～1560.423nm，3dB带宽为0.26～0.35nm，传感光栅的几何长度为14～16mm。
8.根据权利要求1所述的一种温度不敏感光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述悬臂梁的厚度为0.5～0.8mm，长度为25mm，宽度为10mm。
9.根据权利要求1所述的一种温度不敏感光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述质量块的长度为10mm，宽度为10mm，高度为8.4～9mm。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150902 Termination date: 20180305 |
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