CN103983806B - 一种基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器，由复合基体、光纤和传感器外壳构成，复合基体固定安装在传感器外壳内部、由底座、两各柔性铰链和两个惯性质量块组成，两个惯性质量块分别通过柔性铰链与底座连接、连接处两侧分别开设有水平切口，两惯性质量块之间的垂向开设有一竖直切口；光纤穿过传感器外壳两侧并置于两个惯性质量块上方设置的对称光纤沟槽内，两个光纤沟槽之间的光纤处设置有布拉格光栅，布拉格光栅设于两惯性质量块之间居中位置的凹槽处，位于光纤沟槽内的光纤通过胶黏剂粘连固定于惯性质量块上。本发明传感器芯体结构一体化、安装方便；两个惯性质量块左右对称、使受到惯性力的光纤光栅拉伸应变倍增，大幅提高传感器灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于加速度传感器技术领域，具体涉及一种基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器，尤其适用于各类机械设备的中高频振动测试与结构健康监测。
背景技术
加速度传感器是一种基于惯性效应而感应加速度信号的传感器，在结构振动参量的远程监测中光纤加速度传感器得到广泛关注。光纤加速度传感器在诸多方面具有优越性能，如电绝缘、抗电磁干扰能力，良好的分布式测量能力。这些性能使得光纤加速度传感器在很多环境恶劣，需要远程操作的特殊领域得到应用，如石油、天然气采掘，石化机电设备，航空航天等领域独具优势。
专利号为ZL200510019733.0的中国专利“可谐调匹配滤波解调的光纤光栅振动加速度”，采用的是悬臂梁结构，在其直接粘贴光纤光栅，只能测量低频范围内的振动，不能满足高频测试的要求。专利号为US7137299B2的美国专利“FIBER OPTIC ACCELEROMETER”采用四根弹簧作为弹性元件，从而拓展其频率测量范围，但该结构中四弹簧不易调整均衡，容易造成光纤光栅的折断。专利号为US6891621B2的美国专利“HIGHLY SENSITIVE CROSSAXIS ACCELEROMETER”公布了一种适用于恶劣环境的高灵敏度的加速度传感器，该加速度传感器利用一个铰链将一个振动质量体与底座相连接，当给该传感器施加水平方向驱动时，传感器震动质量体会绕铰链摆动，光纤在底座和加速度传感器的外壳之间以交替地拉紧和压缩的方式连接，该结构虽然可以获得较高的灵敏度，但其谐振频率较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对上述现有光纤光栅加速度传感器在工程应用中存在的不足，提供一种基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器，将柔性铰链结构创新性地应用于传感器中，所制备的光纤光栅加速度传感器具有较高的频率响应范围和较高的灵敏度，适用于大型机电设备、航天航空安全监测等领域。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器，由复合基体、光纤和传感器外壳构成，所述复合基体固定安装在传感器外壳的内部，复合基体由一个共同的底座、两个柔性铰链和两个惯性质量块组成，两个惯性质量块分别通过对应的柔性铰链与底座连接、且该连接处的两侧分别开设有水平切口，两个惯性质量块之间的垂向开设有一竖直切口；所述两个惯性质量块的上方设置有对称的光纤沟槽，所述光纤穿过传感器外壳的两侧(两侧设有穿孔)并置于惯性质量块的光纤沟槽内，两个光纤沟槽之间的光纤处设置有布拉格光栅，布拉格光栅设于两惯性质量块之间居中位置的凹槽处，位于光纤沟槽内的光纤通过胶黏剂粘连固定于惯性质量块上。
按上述方案，所述底座、柔性铰链、惯性质量块由同一块弹簧钢块体加工而成。
按上述方案，所述复合基体中的两个柔性铰链、两个惯性质量块均对称设置，两个惯性质量块在振源激励作用下围绕各自的柔性铰链微幅振动，拉动布拉格光栅两端反向运动。
按上述方案，所述竖直切口与水平切口垂直、用于预拉光纤两端，光纤两端部的尾纤部分采用光纤保护套管紧固。
按上述方案，所述传感器外壳的底部设有沉头孔，相应复合基体的底座的底部加工有螺纹孔，复合基体与传感器外壳之间通过穿设于沉头孔、螺纹孔的沉头螺钉固接，同时沉头螺钉上还涂设有硅胶。
按上述方案，所述两个惯性质量块各开设有一开通孔，所述开通孔用于调节各自惯性质量块的质心位置。
本发明基于柔性铰链的光纤光栅加速度传感器的工作原理是：把传感器固定在待测物体上，在外界激振源的作用下，传感器随物体一起振动，从而导致左右两个惯性质量块围绕柔性铰链产生微幅振动，惯性质量块将产生惯性力，从而使得受到预拉伸应力的布拉格光栅发生轴向的微小伸长或收缩的形变即轴向应变，这种轴向应变将导致布拉格光栅的反射波长产生相应的漂移。建立布拉格光栅的实际应变量与柔性铰链结构应变的线性几何关系，将外界信号的加速度量最终转化为光纤光栅中心波长的漂移量(布拉格光栅作为敏感元件将机械振动信号转变为光波长信号)，通过对光纤两端部的尾纤(出线端)的反射波长漂移量的测量便可获得外界机械振动加速度的大小。利用动态波长解调仪及其处理器，在计算机上显示光纤光栅加速度传感器的输出波形，由相应的正弦输出波形，计算出待测物体的振动频率以及光纤光栅的峰峰值波长漂移量，最终通过波长漂移量与加速度的线性关系来确定待测物体的振动加速度大小，同时可分析其振动频谱特性。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1、本发明加速度传感器的芯体结构极其简单，仅由一个一体化的复合基体和一根带布拉格光栅的光纤构成，传感器安装方便，共振频率高，线形范围宽；
2、采用左右对称的柔性铰链作为弹性元件，以柔性铰链代替弹簧或其它弹性体，与基体中的惯性质量块组成质量-弹簧系统，以响应被测物体的机械振动，对称的柔性铰链给光纤光栅的中心波长带来的变化大小相等而方向相反，因此可以将测量灵敏度提高一倍；同时底座、柔性铰链、惯性质量块形成一个整体，有利于降低组装成本，提高长期可靠性；
3、惯性质量块的开通孔的大小和位置可根据传感器的灵敏度和测振频率需要进行设计，保证所需测量频率的前提下，获得高灵敏度的光纤光栅加速度传感器。
附图说明
图1为本发明基于柔性铰链的光纤光栅加速度传感器的结构示意图；
图中：1—底座，2—柔性铰链，3—水平切口，4—开通孔，5—惯性质量块，6—光纤沟槽，7—光纤，8—胶黏剂，9—竖直切口，10—布拉格光栅，11—传感器外壳，12—沉头螺钉。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步描述。
参照图1所示，本发明所述的基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器，由复合基体、光纤7和传感器外壳11构成，所述复合基体固定安装在传感器外壳11的内部，复合基体由一个共同的底座1、两个柔性铰链2(反向布置)和两个惯性质量块5组成，两个惯性质量块5分别通过对应的柔性铰链2与底座1连接、且该连接处的两侧分别开设有水平切口3，两个惯性质量块5之间的垂向开设有一竖直切口9(水平切口3、竖直切口9用于保证左右两个惯性质量块5在振源激励作用下围绕各自的柔性铰链2微幅振动)；所述两个惯性质量块5的上方设置有对称的光纤沟槽6，所述光纤7穿过传感器外壳11的两侧(两侧设有穿孔)并置于惯性质量块5的光纤沟槽6内，两个光纤沟槽6之间的光纤7处设置有布拉格光栅10，布拉格光栅10设于两惯性质量块5之间居中位置的凹槽处，光纤7经过适当的预拉伸后、位于光纤沟槽6内的光纤7通过胶黏剂8粘连固定于惯性质量块5上。
所述底座1、柔性铰链2、惯性质量块5由同一块弹簧钢块体加工而成，形成一个不可分割的整体，这有利于降低装配成本，提高器件的长期可靠性。
所述复合基体中的两个柔性铰链2、两个惯性质量块5均对称设置，两个惯性质量块5在振源激励作用下围绕各自的柔性铰链2微幅振动，拉动布拉格光栅10两端反向运动，对称结构能够保证布拉格光栅10对加速度的响应(即布拉格光栅10发生轴向的微小伸长或收缩的形变，简称轴向应变)倍增，使灵敏度提高一倍，大幅提高响应灵敏度。
所述复合基体通过机械加工获得，水平切口3、竖直切口9利用线切割得到，竖直切口9与水平切口3垂直、用于预拉光纤7两端，光纤7两端部的尾纤部分采用光纤保护套管紧固保护。
所述传感器外壳11的底部设有沉头孔，相应复合基体的底座1的底部加工有螺纹孔，复合基体与传感器外壳11之间通过穿设于沉头孔、螺纹孔的沉头螺钉12固接，同时沉头螺钉12上还涂设有硅胶，用于保证复合基体与传感器外壳11之间密封良好。
所述两个惯性质量块5各开设有一开通孔4，所述开通孔4用于调节各自惯性质量块5的质心位置，通过改变惯性质量块5质心的空间位置，实现振动幅频响应最大化。
本发明传感器工作时，把传感器固定在待测物体上，在外界激振源的作用下，传感器随物体一起振动，从而导致左右两个惯性质量块5围绕柔性铰链2产生微幅振动，惯性质量块5将产生惯性力，从而使得受到预拉伸应力的布拉格光栅10发生轴向的微小伸长或收缩的形变即轴向应变，这种轴向应变将导致布拉格光栅10的反射波长产生相应的漂移。建立布拉格光栅10的实际应变量与柔性铰链2结构应变的线性几何关系，将外界信号的加速度量最终转化为光纤光栅中心波长的漂移量(布拉格光栅10作为敏感元件将机械振动信号转变为光波长信号)，通过对光纤7两端部的尾纤(出线端)的反射波长漂移量的测量便可获得外界机械振动加速度的大小。利用动态波长解调仪及其处理器，在计算机上显示光纤光栅加速度传感器的输出波形，由相应的正弦输出波形，计算出待测物体的振动频率以及光纤光栅的峰峰值波长漂移量，最终通过波长漂移量与加速度的线性关系来确定待测物体的振动加速度大小，同时可分析其振动频谱特性。
以上所述的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器，其特征在于：由复合基体、光纤和传感器外壳构成，所述复合基体固定安装在传感器外壳的内部，复合基体由一个共同的底座、两个柔性铰链和两个惯性质量块组成，两个惯性质量块分别通过对应的柔性铰链与底座连接、且该连接处的两侧分别开设有水平切口，两个惯性质量块之间的垂向开设有一竖直切口；所述两个惯性质量块的上方设置有对称的光纤沟槽，所述光纤穿过传感器外壳的两侧并置于惯性质量块的光纤沟槽内，两个光纤沟槽之间的光纤处设置有布拉格光栅，布拉格光栅设于两惯性质量块之间居中位置的竖直切口上方，位于光纤沟槽内的光纤通过胶黏剂粘连固定于惯性质量块上。
2.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器，其特征在于：所述底座、柔性铰链、惯性质量块由同一块弹簧钢块体加工而成。
3.根据权利要求1或2所述的基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器，其特征在于：所述复合基体中的两个柔性铰链、两个惯性质量块均对称设置，两个惯性质量块在振源激励作用下围绕各自的柔性铰链微幅振动，拉动布拉格光栅两端反向运动。
4.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器，其特征在于：所述竖直切口与水平切口垂直、用于预拉光纤两端，光纤两端部的尾纤部分采用光纤保护套管紧固。
5.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器，其特征在于：所述传感器外壳的底部设有沉头孔，相应复合基体的底座的底部加工有螺纹孔，复合基体与传感器外壳之间通过穿设于沉头孔、螺纹孔的沉头螺钉固接，同时沉头螺钉上还涂设有硅胶。
6.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器，其特征在于：所述两个惯性质量块各开设有一开通孔，所述开通孔用于调节各自惯性质量块的质心位置。
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