CN104880243A - 光纤光栅振动传感器 - Google Patents

Abstract

公开了一种光纤光栅振动传感器，所述光纤光栅振动传感器包括支撑壳体、连杆机构、弹簧、以及过载保护装置，所述连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一固定转轴、第一活动转轴、第二活动转轴、以及第二固定转轴。借助于第二连杆的传动，第三连杆在与光纤光栅垂直的方向上的摆动可以有效地转换成第一连杆在与光纤光栅平行的方向上的摆动，有效地避免了光纤光栅横向方向上的剪切力，提高了传感器的可靠性和稳定性。

Description

光纤光栅振动传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅振动传感器，特别涉及一种可用于铁路沿线危岩落石报警监测的光纤光栅低频振动传感器。

背景技术

光纤光栅传感技术因其具有不受电磁干扰、现场无需供电、长期可靠性和稳定性好，传输距离远等优点，在高陡边坡的防护及预警中得到了普遍的应用。危岩落石报警监测属于高陡边坡防护监测的一个分支，如果能预先监测到危岩落石，将极大程度上减轻危岩落石对铁路、公路等造成的经济损失。

国内已经有些高校或企业开展了光纤光栅振动传感器或光纤光栅加速度计的研究，其中以悬臂梁结构居多。首先，悬臂梁型光纤光栅振动传感器的灵敏度受结构本身限制一般不会过高；其次，该种类型的传感器收敛性缓慢，会降低传感器使用寿命；再者，光纤光栅的栅区直接被胶封装在悬臂梁的表面，容易使光纤光栅产生啁啾，振动环境下的光纤光栅封装也是光纤光栅振动传感器技术的一个关键因素。

适用于铁路沿线危岩落石监测的传感器需要具备以下特点：

1. 长期安装在恶劣的户外环境，且无人值守，传感器需结构稳定，疲劳寿命高；

2. 振动信号除落石引起的信号外，还有大量复杂的干扰信号，辨识度强；

3. 铁路沿线监测范围广，为节约成本，增加传感器的监测范围，需传感器灵敏度高，

4. 较高灵敏度的同时，有足够的强度抵抗火车引起的大振动的破坏。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种光纤光栅振动传感器的结构，具有灵敏度高、结构强度高、耐冲击、寿命高等优点。

根据本发明的实施例，提供了一种光纤光栅振动传感器，该光纤光栅振动传感器包括：

支撑壳体；

连杆机构，位于所述支撑壳体中，所述连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一固定转轴、第一活动转轴、第二活动转轴、以及第二固定转轴；其中，所述第一固定转轴、第一活动转轴、第二活动转轴、以及第二固定转轴的转轴方向相互平行并且均垂直于应变光纤光栅的长度方向；所述第一固定转轴和第二固定转轴固定至支撑壳体。所述第一连杆的第一端能够绕所述第一固定转轴转动，所述第一连杆的第二端通过第一活动转轴与所述第二连杆的第一端连接，所述第二连杆的第二端通过第二活动转轴与所述第三连杆的第一端连接，所述第三连杆能够绕位于自身的两端之间的第二固定转轴转动，所述第三连杆的第二端呈自由状态；所述应变光纤光栅的第一端封装在所述支撑壳体上，应变光纤光栅的第二端封装在所述第一连杆上，并且所述应变光纤光栅的长度方向垂直于所述第一连杆的长度方向；所述第一连杆的长度方向垂直于所述第二连杆的长度方向，所述第二连杆的长度方向平行于所述第三连杆的长度方向；

弹簧，所述弹簧支撑所述第三连杆，使得所述第三连杆保持在与所述应变光纤光栅基本平行的状态；

过载保护装置，所述过载保护装置固定在所述支撑壳体内侧，用于限定所述第三连杆的第二端的运动范围。

所述应变光纤光栅的两端之间为栅区，在所述应变光纤光栅产生应变时，栅区将改变其透射和/或反射波长，从而给出与所述外界振动相对应的反馈信号。

在外界振动的激励下，所述第三连杆会产生与所述支撑壳体相对的位移，带动所述连杆机构沿预定轨迹转动，第一连杆因此产生相应角位移，从而带动所述应变光纤光栅，引起所述应变光纤光栅的应变。借助于第二连杆的传动，第三连杆在与光纤光栅垂直的方向上的摆动可以有效地转换成第一连杆在与光纤光栅平行的方向上的摆动，有效地避免了光纤光栅横向方向上的剪切力。

此外，由于具有限定所述第三连杆的第二端运动范围的过载保护装置，所述过载保护装置限定所述第三连杆的第二端的运动范围，从而限制所述连杆机构的转动范围。所述过载保护装置能有效保证在火车等外界大激励下，应变光纤光栅不会因应变过大而导致断裂。

可选地，所述第三连杆的第二端固定有质量块。所述质量块使得能够根据所述弹簧的k值调节所述光纤光栅振动传感器的共振频率相应范围。当然，本领域技术人员能够理解，所述第三连杆本身也能够具有一定质量，因此也可以直接使用具有期望质量的第三连杆，而无需所述质量块。所述弹簧构成所述振动传感器的弹簧（k）-阻尼（c）-质量（m）单自由度运动系统。调节所述弹簧的k值及所述第三连杆上的质量块m值可调节所述光纤光栅振动传感器的固有频率及灵敏度。

可选地，所述光纤光栅振动传感器还包括弹簧调节机构，用于使得所述弹簧的整体向支撑壳体内部伸长或缩短。调节所述弹簧调节机构可使所述弹簧容易地将第三连杆保持在与所述应变光纤光栅基本平行的状态。

可选地，所述过载保护装置是凹槽或腔。使用凹槽或腔作为过载保护装置，能够分别限定所述第三连杆第二端的运动上限和运动下限。然而，本领域技术人员能够理解，还可以使用例如突出于所述支撑壳体内壁的一或两个突起，以限制所述第三连杆第二端的转动范围。

优选地，所述应变光纤光栅在封装时施加有预拉应力，该预拉应力用于抵消外界环境温度下降引起的中心波长漂移。

可选地，所述光纤光栅振动传感器还包括光纤堵头，所述光纤堵头设置在所述支撑壳体上，用于固定、保护光纤以及密封所述支撑壳体。由于所述应变光纤光栅通过光纤向外部传递信号，因此所述光纤堵头能够防止不恰当的外部拉拽而导致应变光纤光栅产生不期望的应变；所述光纤堵头还能防止光纤弯折，并密封所述支撑壳体，使得所述光纤光栅振动传感器能够在严酷的室外环境下正常工作；同时，为了便于多个光纤光栅振动传感器相互串联，所述光纤堵头还能接续多个光纤光栅振动传感器之间的光纤。

可选地，所述应变光纤光栅的第一端通过固定于所述支撑壳体的第一固定块而封装在所述支撑壳体上。鉴于应变光纤光栅的长度可能较短，因此可以设置固定于所述支撑壳体的第一固定块，以在所述支撑壳体的内部稳固地封装所述应变光纤光栅。然而本领域技术人员能够理解，在不影响应变光纤光栅的使用的情况下，也可以将所述应变光纤光栅的第一端直接封装在所述支撑壳体的通孔中，并通过光纤堵头与外部光纤连接。

优选地，所述光纤光栅振动传感器还包括位于所述支撑壳体内部的光纤段，所述光纤段的第一端连接至所述应变光纤光栅的第二端，所述光纤段的第二端连接至所述支撑壳体，并且所述光纤段的长度使得所述光纤段在所述第一连杆的转动范围内是松弛的。在初始状态下或工作中，如果在所述支撑壳体和所述应变光纤光栅的一端之间的光纤段是张紧的，就限制了所述第一连杆的转动。在受到外界激励时，所述第一连杆的转动将可能导致该张紧的光纤段的断裂；若该光纤段不发生断裂，就限制了所述第一连杆的转动，从而发生漏报的情况。因此，将所述光纤段设置为在所述第一连杆的转动范围内是松弛的，能够保证所述支撑壳体不会在受到外界激励时拉拽所述应变光纤光栅的第二端，从而保证测量信号的真实性和光纤光栅振动传感器的可靠性。

本发明提供的光纤光栅振动传感器将振动信号转化成光纤光栅的拉伸，避免剪切力的产生。由于光纤光栅材料非常脆，受到剪切力时会严重缩短疲劳寿命，因此，提高了传感器的疲劳寿命；且封装采用固定光纤光栅的两端，避开栅区，能够避免光纤光栅啁啾，提高了传感器的可靠性和稳定性。

根据本发明的光纤光栅振动传感器尤其适合低频振动的检测。

附图说明

图1 为根据本发明的一个实施例的光纤光栅振动传感器的结构原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、结构和优点更加清楚，下面结合附图对本发明进一步地进行详细描述。

参照图1，根据本发明的一个实施例，光纤光栅振动传感器包括：

支撑壳体1-2；

连杆机构，位于所述支撑壳体1-2中，所述连杆机构包括第一连杆1-6、第二连杆1-7、第三连杆1-13、第一固定转轴1-5-1、第一活动转轴1-5-2、第二活动转轴1-5-3、以及第二固定转轴1-5-4；其中，所述第一固定转轴1-5-1、第一活动转轴1-5-2、第二活动转轴1-5-3、以及第二固定转轴1-5-4的转轴方向相互平行并且均垂直于应变光纤光栅1-4的长度方向；所述第一固定转轴1-5-1和第二固定转轴1-5-4固定至支撑壳体1-2；所述第一连杆1-6的第一端能够绕所述第一固定转轴1-5-1转动，所述第一连杆1-6的第二端通过第一活动转轴1-5-2与所述第二连杆1-7的第一端连接，所述第二连杆1-7的第二端通过第二活动转轴1-5-3与所述第三连杆1-13的第一端连接，所述第三连杆1-13能够绕位于自身的两端之间的第二固定转轴1-5-4转动，所述第三连杆1-13的第二端呈自由状态；所述应变光纤光栅1-4的第一端封装在所述支撑壳体1-2上，应变光纤光栅1-4的第二端封装在所述第一连杆1-6上，并且所述应变光纤光栅1-4的长度方向垂直于所述第一连杆1-6的长度方向；所述第一连杆1-6的长度方向垂直于所述第二连杆1-7的长度方向，所述第二连杆1-7的长度方向平行于所述第三连杆1-13的长度方向；

弹簧1-10，所述弹簧1-10支撑所述第三连杆1-13，使得所述第三连杆1-13保持在与所述应变光纤光栅1-4基本平行的状态；

过载保护装置1-12，所述过载保护装置1-12固定在所述支撑壳体1-2内侧，用于限定所述第三连杆1-13的第二端的运动范围。

所述应变光纤光栅1-4的两端之间为栅区，在所述应变光纤光栅1-4产生应变时，栅区将改变其透射和/或反射波长，从而给出与所述外界振动相对应的反馈信号。

由于具有限定所述第三连杆1-13自由端的运动范围的过载保护装置1-12，所述过载保护装置1-12限定所述第三连杆1-13自由端的运动范围，从而限制所述连杆机构的转动范围。所述过载保护装置1-12能有效保证在火车等外界大激励下，应变光纤光栅1-4不会因应变过大而导致断裂。

其中，为简化起见，在附图和说明书中仅示出了多种可能的设置之一。本领域技术人员能够理解，在不脱离本发明精神的情况下，能够对光纤光栅振动传感器中各组件的空间位置作出适当的调整（例如，可以使所述第三连杆1-13在竖直方向上摆动从而测量竖直方向内的振动，也可以将所述光纤光栅振动传感器整体旋转90°以测量水平方向内的振动）。

由弹簧1-10支撑所述第三连杆1-13，意味着弹簧1-10在初始状态下就处于压缩状态。所述弹簧1-10通过弹簧调节机构1-9调节弹簧1-10的压缩量还启动限制弹簧1-10位置串动的作用。弹簧调节机构1-9的限位结构可以是从支撑壳体1-2的内侧表面凸出的杆（未示出），从而将套在该限位结构外侧的弹簧定位；并且/或者，还可以是所述第三连杆1-13下侧设置的限位孔，以防止弹簧移位。

在工作状态下，所述第三连杆1-13由于受到过载保护装置1-12的限制，即使向上摆动到极限位置，也不会与所述弹簧1-10脱离。因此所述弹簧1-10无需通过粘合或其他固定手段固定至所述第三连杆1-13。

所述连杆机构设定了第一连杆1-6的转动范围，最关键的在于：在该范围内，不仅保证了光纤光栅振动传感器对于外界振动的灵敏度，还保证了应变光纤光栅1-4承受的剪切力可以忽略不计。在这种配置中，仅需考虑应变光纤光栅1-4的拉伸，这增加了光纤光栅振动传感器的疲劳寿命。

可选地，所述第三连杆1-13的第二端固定有质量块1-11，使得能够根据所述弹簧1-10的k值（弹性系数）调节所述光纤光栅振动传感器的共振频率相应范围。当然，本领域技术人员能够理解，所述第三连杆1-13本身也能够具有一定质量，因此也可以直接使用具有期望质量的第三连杆1-13，而无需所述质量块1-11。所述弹簧1-10构成所述振动传感器的弹簧（k）-阻尼（c）-质量（m）单自由度运动系统。调节所述弹簧1-10的k值及所述第三连杆上的质量块1-11的m值可调节所述光纤光栅振动传感器的固有频率及灵敏度。

优选地，所述光纤光栅振动传感器还包括弹簧调节机构1-9，所述弹簧调节机构可以例如是使得所述弹簧1-10的整体向支撑壳体1-2内部伸长或缩短的机构，其用于调节所述弹簧1-10，使得所述第三连杆1-13初始位置保持与所述应变光纤光栅1-4基本平行。使用垂直于所述第三连杆1-13设置的弹簧1-10将所述第三连杆1-13初始地设置在与所述应变光纤光栅1-4基本平行的状态。例如，当使所述第三连杆1-13能够在竖直方向上摆动时，上述布置能够最大限度地提高所述第三连杆1-13对于外界振动中竖直分量的灵敏度，以提高所述光纤光栅振动传感器的检测精度。

可选地，所述过载保护装置1-12可以为凹槽或腔。使用凹槽或腔作为过载保护装置，能够分别限定所述第三连杆1-13的运动上限和运动下限。然而，本领域技术人员能够理解，还可以使用例如突出于所述支撑壳体的一或两个突起，以限制所述第三连杆1-13的转动范围。

优选地，所述应变光纤光栅1-4在封装时施加有预拉应力，该预拉应力用于抵消外界环境温度下降引起的中心波长漂移。

可选地，所述光纤光栅振动传感器还包括光纤堵头1-1，所述光纤堵头1-1设置在所述支撑壳体1-2上，用于固定、保护光纤以及密封所述支撑壳体1-2。由于所述应变光纤光栅1-4通过光纤向外部传递信号，因此所述光纤堵头1-1能够防止不恰当的外部拉拽而导致应变光纤光栅1-4产生不期望的应变；所述光纤堵头1-1还能防止光纤弯折，并密封所述支撑壳体1-2，使得所述光纤光栅振动传感器能够在严酷的室外环境下正常工作；同时，为了便于多个光纤光栅振动传感器相互串联，所述光纤堵头1-1还能接续多个光纤光栅振动传感器之间的光纤。

可选地，所述应变光纤光栅1-4的第一端通过固定于所述支撑壳体1-2的第一固定块1-3而封装在所述支撑壳体1-2上。鉴于应变光纤光栅1-4的长度可能较短，因此可以设置固定于所述支撑壳体1-2的第一固定块1-3，以在所述支撑壳体1-2的内部稳固地封装所述应变光纤光栅1-4。然而本领域技术人员能够理解，在不影响应变光纤光栅1-4的使用的情况下，也可以将所述应变光纤光栅1-4的第一端直接封装在所述支撑壳体1-2的通孔中，并通过光纤堵头1-1与外部光纤连接。

在本发明的上下文中，“第一固定转轴”和“第二固定转轴”指的是固连至所述支撑壳体的转轴；在所述光纤光栅振动传感器的操作中，“固定转轴”的位置将始终相对于所述支撑壳体固定；“第一活动转轴”和“第二活动转轴”指的是并不固连至所述支撑壳体的转轴；在所述光纤光栅振动传感器的操作中，“活动转轴”的位置将并不相对于所述支撑壳体固定。

事实上，所述第三连杆1-13所附连的第二固定转轴可以借助于固定块1-8固定至所述支撑壳体1-2；同样，所述第一连杆1-6所附连的第一固定转轴1-5-1也可借助于固定块（未示出）固定至所述支撑壳体1-2。

优选地，所述光纤光栅振动传感器还包括位于所述支撑壳体1-2内部的光纤段1-14，所述光纤段1-14的第一端连接至所述应变光纤光栅1-4的第二端，所述光纤段1-14的第二端连接至所述支撑壳体1-2，并且所述光纤段1-14的长度使得所述光纤段1-14在所述第一连杆1-6的转动范围内是松弛的。在初始状态下或工作中，如果在所述支撑壳体1-2和所述应变光纤光栅1-4的一端之间的光纤段是张紧的，就限制了所述第一连杆1-6的转动。在受到外界激励时，所述第一连杆1-6的转动将可能导致该张紧的光纤段的断裂；若该光纤段不发生断裂，就限制了所述第一连杆1-6的转动，从而发生漏报的情况。因此，将所述光纤段设置为在所述第一连杆1-6的转动范围内是松弛的，能够保证所述支撑壳体1-2不会在受到外界激励时拉拽所述应变光纤光栅1-4的第二端，从而保证测量信号的真实性和光纤光栅振动传感器的可靠性。

本发明提供的光纤光栅振动传感器增加了过载保护装置，有效的消除了光纤光栅在振动环境下的剪切力，提高了传感器的疲劳寿命，且封装采用固定光纤光栅的两端，避开栅区，避免光纤光栅啁啾，提高传感器的可靠性和稳定性。为铁路沿线危岩落石报警监测提供了一种有效的、稳定可靠的解决手段。

本发明不仅局限于铁路沿线危岩落石报警监测，可广泛的适用于相类似的工程应用，诸如公路工程、安全工程和安保设施等。

Claims (8)

1. 一种光纤光栅振动传感器，包括：

支撑壳体；

连杆机构，位于所述支撑壳体中，所述连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一固定转轴、第一活动转轴、第二活动转轴、以及第二固定转轴；其中，所述第一固定转轴、第一活动转轴、第二活动转轴、以及第二固定转轴的转轴方向相互平行并且均垂直于应变光纤光栅的长度方向；所述第一固定转轴和第二固定转轴固定至支撑壳体；所述第一连杆的第一端能够绕所述第一固定转轴转动，所述第一连杆的第二端通过第一活动转轴与所述第二连杆的第一端连接，所述第二连杆的第二端通过第二活动转轴与所述第三连杆的第一端连接，所述第三连杆能够绕位于自身的两端之间的第二固定转轴转动，所述第三连杆的第二端呈自由状态；所述应变光纤光栅的第一端封装在所述支撑壳体上，应变光纤光栅的第二端封装在所述第一连杆上，并且所述应变光纤光栅的长度方向垂直于所述第一连杆的长度方向；所述第一连杆的长度方向垂直于所述第二连杆的长度方向，所述第二连杆的长度方向平行于所述第三连杆的长度方向；

弹簧，所述弹簧支撑所述第三连杆，使得所述第三连杆保持在与所述应变光纤光栅基本平行的状态；以及

过载保护装置，所述过载保护装置固定在所述支撑壳体内侧，用于限定所述第三连杆的第二端的运动范围。

2. 根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其中所述第三连杆的第二端固定有质量块。

3. 根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，所述光纤光栅振动传感器还包括弹簧调节机构，用于使得所述弹簧的整体向支撑壳体内部伸长或缩短。

4. 根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其中所述过载保护装置是凹槽或腔。

5. 根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其中所述应变光纤光栅在封装时施加有预拉应力，该预拉应力用于抵消外界环境温度下降引起的中心波长漂移。

6. 根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，所述光纤光栅振动传感器还包括光纤堵头，所述光纤堵头设置在所述支撑壳体上，用于固定、保护光纤以及密封所述支撑壳体。

7. 根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其中所述应变光纤光栅的第一端通过固定于所述支撑壳体的第一固定块而封装在所述支撑壳体上。

8. 根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，所述光纤光栅振动传感器还包括位于所述支撑壳体内部的光纤段，所述光纤段的第一端连接至所述应变光纤光栅的第二端，所述光纤段的第二端连接至所述支撑壳体，并且所述光纤段的长度使得所述光纤段在所述第一连杆的转动范围内是松弛的。