CN104296856A - 增敏平台光纤光栅振动传感器 - Google Patents

Abstract

一种增敏平台光纤光栅振动传感器，在上增敏平台上设上传感光栅固定环，上增敏平台的左侧设上光纤管，上增敏平台的下端设下增敏平台，下增敏平台上设下传感光栅固定环，下增敏平台上设下光纤管，上增敏平台与下增敏平台之间设悬臂梁，悬臂梁的自由端设质量块，上增敏平台上端设上盖，下增敏平台的下端设下盖，一根光导纤维的上部设在上传感光栅固定环上表面和质量块上表面、下部设在下传感光栅固定环下表面和质量块下表面，一根光导纤维上部写有波长为1500～1600nm的上传感光栅、下部写有波长为1500～1600nm的下传感光栅，上栅区长度为2～4mm，下栅区长度为2～4mm，光导纤维上端从上光纤管穿出、下端从下光纤管穿出。

Description

增敏平台光纤光栅振动传感器

技术领域

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，具体涉及用于检测振动频率的光纤光栅传感器。

技术背景

常规的电磁类振动传感器输出的是弱电模拟信号，由于信号易受电磁干扰，因此在大型机电设备等强电磁场环境中无法正常工作，也不能进行远距离传输。目前较好的解决方法是就近将弱模拟信号通过A/D转换电路转换为数字信号，但会增加了传感器的成本，使用中也不方便。光纤光栅振动传感器属于波长调制型传感器，与常规的电磁或机械传感器相比，除了具有传统光纤传感器的一些优点，如灵敏度高、动态范围宽、不受电磁干扰、抗腐蚀、传输损耗小、可靠性高、体积小、重量轻等特点，而且还有其自身独特的优势，如传感信号不受光源功率波动、光谱平坦度、光路损耗等因素的影响；传感器探头结构简单、尺寸小；可直接利用波分复用技术而形成准分布式测量网络等特点。因此，光纤光栅在振动传感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。

刘惠兰等人在2006年北京航空航天大学学报上发表了一篇名为“差动式光纤Bragg光栅加速度计传感头设计与仿真”的文章，其设计的传感头采用主梁与微梁结合的方式，用高k值(悬臂梁的弹性刚度)的主悬臂梁支撑质量块，极低k值的微梁感受应力，微梁对称地位于主梁两侧。在不降低灵敏度的同时，固有频率是传统悬臂梁结构加速度计的2.7倍。这种传感头的光纤光栅是固定在微梁上的普通光纤光栅，传感头的质量块为U型，光纤光栅的端部固定在外壳上。这种传感头加工、安装困难。同时，所用光栅为普通Bragg光栅，又要粘贴于微梁上，传感器的灵敏度不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述光纤光栅振动传感器的缺点，提供一种设计合理、结构简单、测量范围大、实用性强、加工安装简易、灵敏度高的增敏平台光纤光栅振动传感器。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在上增敏平台上设置有上传感光栅固定环，上增敏平台的左侧设置有上光纤管，上增敏平台的下端设置有下增敏平台，下增敏平台上设置有下传感光栅固定环，下增敏平台上设置有下光纤管，上增敏平台与下增敏平台之间设置有悬臂梁，悬臂梁的自由端设置有质量块，上增敏平台上端设置有上盖，下增敏平台的下端设置有下盖，一根光导纤维的上部设置在上传感光栅固定环上表面和质量块上表面、下部设置在下传感光栅固定环下表面和质量块下表面，一根光导纤维上部写有波长为1500～1600nm的上传感光栅、下部写有波长为1500～1600nm的下传感光栅，上栅区长度为2～4mm，下栅区长度为2～4mm，光导纤维的上端从上光纤管穿出、下端从下光纤管穿出。

本发明的质量块的中心线与悬臂梁的中心线垂直，质量块的上表面与上传感光栅固定环的上表面位于同一个平面内，质量块的下表面与下传感光栅固定环的下表面位于同一个平面内，质量块的左端与上传感光栅固定环内边沿的距离为5～10mm。

本发明的上传感光栅与下传感光栅之间的光导纤维的长度是上传感光栅固定环上表面与下传感光栅固定环下表面之间距离的3倍。

本发明的上传感光栅固定环和下传感光栅固定环的几何形状为圆环形结构且内径相同。

本发明的下传感光栅固定环与上传感光栅固定环相平行。

本发明的一根光导纤维上部写有波长为1550nm的上传感光栅、下部写有波长为1550nm的下传感光栅，上栅区长度为4mm，下栅区长度为4mm。

由于本发明采用在一根光导纤维上写有上传感光栅、下传感光栅，上传感光栅和下传感光栅的栅区短，光纤光栅的端部固定在增敏平台上，质量块的左端与上传感光栅固定环和下传感光栅固定环内边沿的距离相应缩短，有效地缩短了光纤光栅的受力范围，对质量块形状并无特殊限制。与现有光纤光栅振动传感器相比，灵敏度提高了8倍，可用于振动设备的振动频率和振幅的检测，特别适用于强电磁环境下的高灵敏振动频率和振幅检测。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1中等截面矩形悬臂梁3与质量块5联接示意图。

图3是图1中等强度等腰三角形悬臂梁3与质量块5联接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明，但本发明不局限于下述的实施方式。

实施例1

在图1～图2中，本实施例的增敏平台光纤光栅振动传感器由上盖1、上传感光栅2、悬臂梁3、下传感光栅4、质量块5、上增敏平台6、下增敏平台7、下盖8、下光纤管9、上光纤管10、光导纤维11联接构成。

本实施例的上增敏平台6的几何形状为圆环形结构，上增敏平台6上连为一体有上传感光栅固定环6-1，上传感光栅固定环6-1为圆环结构，上传感光栅固定环6-1上方上增敏平台6的左侧通过螺纹联接安装有上光纤管10，上增敏平台6的下端通过螺纹联接安装有下增敏平台7，下增敏平台7的几何形状为圆环形结构，下增敏平台7上连为一体有下传感光栅固定环7-1，下传感光栅固定环7-1为圆环形结构，下传感光栅固定环7-1与上传感光栅固定环6-1相平行且内径相同，下传感光栅固定环7-1下方下增敏平台7上通过螺纹联接安装有下光纤管9，上增敏平台6与下增敏平台7之间固定安装悬臂梁3，悬臂梁3的上表面的形状为等截面矩形梁，也可采用等强度的等腰三角形梁，悬臂梁3由铍青铜加工制成。也可采用弹簧港片制成，悬臂梁3的自由端焊接联接有质量块5，质量块5的形状为圆柱体，也可以加工成四棱柱体，质量块5的中心线与悬臂梁3的中心线相垂直，质量块5的上表面与上传感光栅固定环6-1的上表面位于同一个平面内，质量块5的下表面与下传感光栅固定环7-1的下表面位于同一个平面内，质量块5的左端与上传感光栅固定环6-1内边沿的距离为8mm。悬臂梁3的材料及几何尺寸、质量块5的质量与传感器的固有频率由以下公式确定：

$f=2\mathrm{\π\β}\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{\mathrm{\ρ}}}$

$\frac{m}{\mathrm{\ρAl}}\×\mathrm{\βl}=\frac{1+\cosh \left(\mathrm{\βl}\right)\cos \left(\mathrm{\βl}\right)}{\sinh \left(\mathrm{\βl}\right)\cos \left(\mathrm{\βl}\right)-\sin \left(\mathrm{\βl}\right)\cosh \left(\mathrm{\βl}\right)}$

式中m为质量块的质量，ρ为悬臂梁3的密度，A为悬臂梁3的横截面积，l为悬臂梁3的长度，E为悬臂梁3的杨氏模量，I为悬臂梁3的截面惯性矩，β为特征方程的解，f为传感器的固有频率(取β的一阶解)。

一根光导纤维11的上部用型号为353的环氧胶粘贴在上传感光栅固定环6-1的上表面和质量块5的上表面、下部用型号为353的环氧胶粘贴在下传感光栅固定环7-1的下表面和质量块5的下表面，光导纤维11的上部写有上传感光栅2、下部写有下传感光栅4，上传感光栅2和下传感光栅4为光纤布拉格光栅，上传感光栅2的波长为1550nm、上栅区长度为3mm，下传感光栅4的波长为1550nm、下栅区长度为3mm，上传感光栅2的波长与下传感光栅4的波长相等，上传感光栅2的长度与下传感光栅4的长度相同，上传感光栅2与下传感光栅4之间的光导纤维11的长度是上传感光栅固定环6-1上表面与下传感光栅固定环7-1下表面之间距离的3倍，光导纤维11的上端从上光纤管10穿出、下端从下光纤管9穿出与接收装置相连。在上增敏平台6上端通过螺纹联接有上盖1，下增敏平台7的下端通过螺纹联接有下盖8。这种结构的增敏平台光纤光栅振动传感器，由于在一根光导纤维上写有上传感光栅、下传感光栅，上传感光栅和下传感光栅的栅区短，质量块的左端与上传感光栅固定环和下传感光栅固定环内边沿的距离相应缩短，与现有光纤光栅振动传感器相比，灵敏度提高了8倍。

实施例2

在本实施例中，质量块5的左端与上传感光栅固定环6-1内边沿的距离为5mm。一根光导纤维11的上部用型号为353的环氧胶粘贴在上传感光栅固定环6-1的上表面和质量块5的上表面、下部用型号为353的环氧胶粘贴在下传感光栅固定环7-1的下表面和质量块5的下表面，光导纤维11的上部写有上传感光栅2、下部写有下传感光栅4，上传感光栅2的波长为1500nm、上栅区长度为2mm，下传感光栅4的波长为1500nm、下栅区长度为2mm，上传感光栅2与下传感光栅4之间的光导纤维11的长度是上传感光栅固定环6-1上表面与下传感光栅固定环7-1下表面之间距离的3倍。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

在本实施例中，质量块5的左端与上传感光栅固定环6-1内边沿的距离为10mm。一根光导纤维11的上部用型号为353的环氧胶粘贴在上传感光栅固定环6-1的上表面和质量块5的上表面、下部用型号为353的环氧胶粘贴在下传感光栅固定环7-1的下表面和质量块5的下表面，光导纤维11的上部写有上传感光栅2、下部写有下传感光栅4，上传感光栅2的波长为1600nm、上栅区长度为4mm，下传感光栅4的波长为1600nm、下栅区长度为4mm，上传感光栅2与下传感光栅4之间的光导纤维11的长度是上传感光栅固定环6-1上表面与下传感光栅固定环7-1下表面之间距离的3倍。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

本发明的工作原理如下：

检测时，将本发明安装在被测物体上，当被测物体发生振动时，引发传感器中质量块5震动，质量块5在悬臂梁3的垂直方向震动，上传感光栅2和下传感光栅4分别受到拉伸和压缩力时光栅的栅区产生轴向应变，由于光纤的弹光效应和轴向伸缩，导致上传感光栅2和下传感光栅4的折射率和光栅栅距产生变化，中心反射波长变化量为：

Δλ_B＝(1-P_e)λ_B×ε    (1)

式中，P_e为光纤材料的有效弹光系数，ε为光栅受到的轴向应变，λ_B为光栅在自由状态下的布拉格反射波长。

上传感光栅2和下传感光栅4在质量块5震动时受到的应力大小相同、方向相反、受应力作用的长度近似相同。

上传感光栅2和下传感光栅4的变化量分别为：

Δλ_上＝(1-P_e)λ_上×ε    (2)

Δλ_下＝-(1-P_e)λ_下×ε    (3)

上传感光栅2和下传感光栅4的中心反射波长差为：

Δλ＝(λ_上+Δλ_上)-(λ_下+Δλ_下)＝2Δλ_上＝2Δλ_下    (4)

上传感光栅2和下传感光栅4通过光导纤维11与接收装置相连，由接收装置对光信号进行处理。

由上式(4)可知，采用相同材料制作的悬臂梁3受到应力作用时，上传感光栅2和下传感光栅4的波长差(波长变化量)是单个光栅的波长变化量的2倍，可知使用上下两个传感光栅结构时传感器的灵敏度明显提高。

普通光纤光栅栅区长度约为1cm，综合考虑悬臂梁3等弹性元件以及质量块5尺寸的限定，在两点刚性粘贴的光纤光栅长度大于2cm。

普通光栅两点间光纤光栅长度变化量产生的应变为：

式中，L_普通为静止时刚性粘贴两点间光纤的长度，ΔL为受到振动后引起两点间光导纤维11的长度变化量。

本发明的传感器中采用短栅区光栅，配合上增敏平台6和下增敏平台7的设置，将上增敏平台6和质量块5上端之间、下增敏平台7和质量块5下端之间两点刚性粘贴的光纤光栅长度控制在0.5cm内。

短栅区光栅两点间光纤光栅长度变化量产生的应变为：

由此可知，短栅区光栅与普通光栅两点间光纤光栅长度变化量产生应变的比值为：

由上式(7)可知，本发明采用的短栅区光栅、上增敏平台6、下增敏平台7构，在质量块5不改变的情况下，本发明的灵敏度较常规光纤光栅振动传感器的灵敏度提高8倍。

Claims (10)

1.一种增敏平台光纤光栅振动传感器，在上增敏平台(6)上设置有上传感光栅固定环(6-1)，上增敏平台(6)的左侧设置有上光纤管(10)，上增敏平台(6)的下端设置有下增敏平台(7)，下增敏平台(7)上设置有下传感光栅固定环(7-1)，下增敏平台(7)上设置有下光纤管(9)，上增敏平台(6)与下增敏平台(7)之间设置有悬臂梁(3)，悬臂梁(3)的自由端设置有质量块(5)，上增敏平台(6)上端设置有上盖(1)，下增敏平台(7)的下端设置有下盖(8)，其特征在于：一根光导纤维(11)的上部设置在上传感光栅固定环(6-1)上表面和质量块(5)上表面、下部设置在下传感光栅固定环(7-1)下表面和质量块(5)下表面，一根光导纤维(11)上部写有波长为1500～1600nm的上传感光栅(2)、下部写有波长为1500～1600nm的下传感光栅(4)，上栅区长度为2～4mm，下栅区长度为2～4mm，光导纤维(11)的上端从上光纤管(10)穿出、下端从下光纤管(9)穿出。

2.根据权利要求1所述的增敏平台光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述的质量块(5)的中心线与悬臂梁3的中心线垂直，质量块(5)的上表面与上传感光栅固定环(6-1)的上表面位于同一个平面内，质量块(5)的下表面与下传感光栅固定环(7-1)的下表面位于同一个平面内，质量块(5)的左端与上传感光栅固定环(6-1)内边沿的距离为5～10mm。

3.根据权利要求1或2所述的增敏平台光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述的上传感光栅(2)与下传感光栅(4)之间的光导纤维(11)的长度是上传感光栅固定环(6-1)上表面与下传感光栅固定环(7-1)下表面之间距离的3倍。

4.根据权利要求1或2所述的增敏平台光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述的上传感光栅固定环(6-1)和下传感光栅固定环(7-1)的几何形状为圆环形结构且内径相同。

5.根据权利要求3所述的增敏平台光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述的上传感光栅固定环(6-1)和下传感光栅固定环(7-1)的几何形状为圆环形结构且内径相同。

6.根据权利要求1或2所述的增敏平台光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述的下传感光栅固定环(7-1)与上传感光栅固定环(6-1)相平行。

7.根据权利要求3所述的增敏平台光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述的下传感光栅固定环(7-1)与上传感光栅固定环(6-1)相平行。

8.根据权利要求4所述的增敏平台光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述的下传感光栅固定环(7-1)与上传感光栅固定环(6-1)相平行。

9.根据权利要求5所述的增敏平台光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述的下传感光栅固定环(7-1)与上传感光栅固定环(6-1)相平行。

10.根据权利要求1所述的增敏平台光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述的一根光导纤维(11)上部写有波长为1550nm的上传感光栅(3)、下部写有波长为1550nm的下传感光栅(4)，上栅区长度为4mm，下栅区长度为4mm。