CN105116168A - 基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器，包括壳体，在壳体内设置有L形基座和三个单轴柔性铰链，其中两个单轴柔性铰链固定于L形基座的长臂上，另一个单轴柔性铰链固定于L形基座的短臂上，三个单轴柔性铰链的敏感轴均互相垂直；每个所述单轴柔性铰链的一端均为固定端，其固定在L形基座上，另一端均为自由端；每个所述单轴柔性铰链垂直于敏感轴方向的上表面开设有光纤沟槽，光纤沟槽内固定有光纤；每个单轴柔性铰链的固定端和自由端之间的上表面和下表面均开设有凹槽，凹槽内设有光纤布拉格光栅；每个单轴柔性铰链的凹槽包括两个对称的矩形切口及与其连接的半椭圆形切口。本发明灵敏度高，实现三个方向加速度的测量。

Description

基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及到一种基于柔性铰链的三维光纤光栅加速度传感器。

背景技术

光纤光栅加速度传感器的基本传感原理是利用弹性元件的受力把加速度量转换为光纤布拉格光栅的应变量，从而转化为布拉格波长的变化，通过检测波长的变化实现对加速度幅值的测量。光纤光栅加速度传感器本质安全，抗电磁干扰能力强，因此在易燃易爆，强电磁等特殊环境中独具优势。

目前，光纤光栅加速度传感器大多只能检测单分量加速度值，但是实际中，需要得到被检测物体空间三个方向的加速度值，如果使用传统的单分量加速度传感器需要安装至少三个，这样就增加了安装成本和现场施工的复杂度，而且由于安装空间的限制，安装的多个传感器并不能安装在同一个监测点上，最终导致检测到的数据不能真实反映监测点的不同方向上的加速度值。

多维光纤光栅加速度传感器主要有组合式的多维加速度传感器和一体化的多维加速度传感器。专利号200710151178.6的中国专利“光纤光栅三维加速度/振动传感器”采用三个悬臂梁组合实现三维测量，这种组合式结构由于使用等强度悬臂梁粘接光纤光栅，容易使光纤光栅产生啁啾，进而导致无法测量。专利号ZL200720021749.X的发明“三分量光纤光栅振动传感器”，将三个光纤光栅分别粘贴于三个橡胶块上，通过质量块对橡胶的作用力来改变光栅波长，该结构橡胶材料受温度影响较大，不具备温度自补偿功能，且被测物体的各个方向上的振动不能很好的传递给传感器，传感器输出信号容易失真。2002年S.R.K.Morikawa等人设计了一种中心悬挂型三分量加速度传感器,将6根光纤光栅直接作为弹性元件正交放置，质量块悬挂于元件几何中心，该结构可以测量50～100Hz的三维振动。这种结构传感器工作时直接对光纤光栅进行拉压，灵敏度高但光栅易断。2012年郭永兴等提出一种基于“钢管-质量块”弹性结构体的光纤光栅二维加速度传感器。该设计通过处于钢管表面圆周方向呈90°分布的四根光纤光栅的波长变化来测量加速度,该传感器的灵敏度为8.6pm/g,加速度测量范围为1.5～7.6g，灵敏度较低，且光纤光栅直接粘贴在钢管上，受力不均时，光纤光栅容易产生啁啾。

发明内容

为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种具有三轴柔性铰链结构且结构简单的基于柔性铰链的三维光纤光栅加速度传感器。该传感器具有较高的频率响应范围、较高的灵敏度和较少的维间耦合。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器，包括：

壳体，在壳体内设置有L形基座和三个单轴柔性铰链，其中两个单轴柔性铰链固定于L形基座的长臂上，另一个单轴柔性铰链固定于L形基座的短臂上，三个单轴柔性铰链的敏感轴均互相垂直；

每个所述单轴柔性铰链的一端均为固定端，其固定在L形基座上，另一端均为自由端；每个所述单轴柔性铰链垂直于敏感轴方向的上表面开设有光纤沟槽，光纤沟槽内固定有光纤；每个所述单轴柔性铰链的固定端和自由端之间的上表面和下表面均开设有凹槽，凹槽内设有光纤布拉格光栅；每个所述单轴柔性铰链的凹槽包括两个对称的矩形切口及与其相连的半椭圆形切口。

每个所述单轴柔性铰链的特征参数一致。

所述光纤布拉格光栅栅区长度小于8mm，光纤光栅中心波长为1530-1560nm。

所述光纤外设有传感器外壳。

所述单轴柔性铰链的薄壁厚度在0.2-1mm之间。

每个所述单轴柔性铰链的自由端在振源激励作用下围绕各自单轴柔性铰链微幅振动，促使布拉格光栅两端拉伸运动。

所述壳体为中空的立方体。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器结构非常简单，仅由三个柔性铰链和三根光纤光栅构成，传感器组装方便，长期可靠性好；

(2)本发明采用柔性铰链代替弹簧、悬臂梁或其他弹性体与，柔性铰链的自由端等效于惯性质量块，组成了质量-弹簧系统，以检测被测物体的振动，传感器体积小、灵敏度高、频响范围宽；

(3)本发明采用的柔性铰链的凹槽包括两个对称的矩形切口及与两个对称的矩形切口分别相连的半椭圆形切口，其中，矩形切口起到增敏作用，比普通的单独双半圆形切口铰链、椭圆形切口铰链、弓形切口铰链、倒圆角直梁型铰链灵敏度高且频率范围不变。

附图说明

图1是本发明的基于柔性铰链的三维光纤光栅加速度传感器的整体结构示意图；

图2是本发明的柔性铰链的结构示意图；

图3是本发明的X方向光纤光栅加速度传感器的频谱图；

图4是本发明的Y方向光纤光栅加速度传感器的频谱图；

图5是本发明的Z方向光纤光栅加速度传感器的频谱图；

图6是本发明的X轴方向的传感器的线性度曲线；

图7是本发明的Y轴方向的传感器的线性度曲线；

图8是本发明的Z轴方向的传感器的线性度曲线；

图9是X轴方向在输入的正弦波加速度为200mm/s²，频率为240Hz时的输出响应图；

图10是Y轴方向在输入的正弦波加速度为200mm/s²，频率为240Hz时的输出响应图；

图11是Z轴方向在输入的正弦波加速度为200mm/s²，频率为240Hz时的输出响应图。

其中，1、壳体；2、L形基座；3、X方向柔性铰链；4、X方向光纤光栅；5、Y方向柔性铰链；6、Y方向光纤光栅；7、Z方向柔性铰链；9、光纤沟槽；10、上凹槽；11、光纤；12、下凹槽。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

实施例1

在图1中，本实施例的基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器由壳体1、L形基座2、X方向柔性铰链3、X方向光纤光栅4、Y方向柔性铰链5、Y方向光纤光栅6、Z方向柔性铰链7、Z方向光纤光栅构成。

本实施例的壳体1为中空的立方形，L形基座2与壳体1为一个整体，采用304不锈钢材料。L形基座2的长臂上通过螺丝固定X方向柔性铰链3和Z方向柔性铰链7，L形基座2的短臂上固定Y方向柔性铰链5。

X方向柔性铰链3、Y方向柔性铰链5和Z方向柔性铰链7均是单轴柔性铰链。每个单轴柔性铰链的一端均为固定端，其固定在L形基座上，另一端均为自由端；每个单轴柔性铰链垂直于敏感轴方向的上表面开设有光纤沟槽9，光纤沟槽9内固定有光纤11；每个单轴柔性铰链的固定端和自由端之间的上表面和下表面均开设有凹槽，凹槽上有光纤布拉格光栅。

其中，每个单轴柔性铰链的固定端和自由端之间的上表面开设的凹槽为上凹槽10；每个单轴柔性铰链的固定端和自由端之间的下表面开设的凹槽为下凹槽12。

本发明的单轴柔性铰链为单轴对称的矩形切口加椭圆型切口铰链，也就是柔性铰链的上凹槽10和下凹槽12是带矩形加半椭圆形切口，即上凹槽10和下凹槽12均包括两个对称的矩形切口及与两个对称的矩形切口分别相连的半椭圆形切口。

柔性铰链的总长度为32mm，上凹槽10的矩形切口高度为7mm，下凹槽12的矩形切口高度为3mm，上凹槽10和下凹槽12的椭圆形切口尺寸一致，短轴半径R为3mm，长轴半径R为6mm，铰链薄壁厚度t为0.5mm，厚壁厚度h为16.5mm，铰链宽度b为10mm。

柔性铰链材料选用304高韧性不锈弹簧钢。柔性铰链的垂直于敏感轴方向的上面开设有光纤沟槽，沟槽的深度为0.5mm。将X方向光纤光栅4栅区两端光纤的涂覆层剥掉，长度为6mm左右，不要超过涂胶的长度，便于更牢靠的粘接。

将剥好的光纤光栅穿过传感器外壳放置于光纤沟槽内，光纤光栅的栅区正好位于铰链的凹槽10处，避免粘接栅区。采用353ND胶粘接光纤光栅的一端，固化后再粘接另一端，另一端预拉伸光纤光栅后采用502胶快速固化，粘好后的光纤光栅反射波长增加0.5个nm左右。采用相同的方式依次粘接Y方向光纤光栅6和Z方向光纤光栅。

本实施例的X方向光纤光栅4、Y方向光纤光栅6和Z方向光纤光栅由深圳畅格光通信有限公司生产，353ND胶由深圳金润泽科技有限公司销售，X方向光纤光栅4、Y方向光纤光栅6和Z方向光纤光栅的中心波长为1548.5nm左右，对X方向光纤光栅4、Y方向光纤光栅6和Z方向光纤光栅施加一定的预应力后，中心波长变为1549nm左右，这样光纤光栅就能在铰链的作用下伸长或缩短了。

本发明属于悬臂梁-质量块结构，假设k₁为光纤的弹性系数，k₂为结构的弹性系数；m为质量块的质量，a为柔性铰链薄壁到光纤的高度，b为质量块中心到柔性铰链固定端的距离。则系统总的弹性系数k为：

$k=k_2+k_1{\left(\frac{a}{b}\right)}^2$

系统的谐振频率为：

$f=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2\mathrm{\π}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\sqrt{\frac{k}{m}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\sqrt{\frac{k_2+k_1{\left(\frac{a}{b}\right)}^2}{m}}$

假设外界激励为a_g＝A_ge^iωt，系统相对阻尼系数为δ，则光纤光栅受激励产生的应变为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{aa}}_g}{bl}\frac{1}{\sqrt{{({{\mathrm{\ω}}_0}^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2+4{\mathrm{\δ}}^2{\mathrm{\ω}}^2}}$

当阻尼比为时，本发明的应变灵敏度为由于每变化一个微应变，光纤光栅变化1.2pm，因此，本发明的波长灵敏度为：

$S=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{a_g}=\frac{1.2\·a}{{\mathrm{bl\ω}}_0^2}$

从上式可以看出，柔性铰链薄壁到光纤的高度越高，光纤光栅加速度传感器的灵敏度就越大，因此，矩形切口在本发明中起到增敏的作用。

实施例2

在本实施例中，柔性铰链的上凹槽10的矩形切口高度为7mm，下凹槽12的矩形切口高度为3mm，薄壁厚度t为1mm，厚壁厚度h为17mm，柔性铰链其他尺寸与实施例1相同。其他零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。实验测得该传感器的谐振频率为790Hz，波长灵敏度为24pm/g。

实施例3

在本实施例中，柔性铰链薄壁厚度t为0.3mm，厚壁厚度h为16.3mm，柔性铰链其他尺寸与实施例1相同。其他零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。实验测得该传感器的谐振频率为290Hz，波长灵敏度为162pm/g。

实施例4

在本实施例中，柔性铰链薄壁厚度t为0.3mm，厚壁厚度h为16.3mm，柔性铰链的上凹槽10和下凹槽12切口形状上面均为矩形加半圆形，上凹槽10和下凹槽12矩形切口高度均为4mm，半圆形切口半径均为6mm。其他零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。

为了验证本发明的有益效果，发明人采用实施例1制备的基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器进行实验研究，实验情况如下：

实验仪器：振动台，型号为BK-4808，分析仪，型号为BK-3160，功率放大器，型号为BK-2719，由丹麦BK公司生产；光纤光栅动态解调仪，型号为TGJ220J(A)，山东微感光电子有限公司生产；波长计，型号为Agilent86122A，由美国安捷伦科技公司生产；宽带光源，型号为ASE-C-G，由深圳市浩源光电科技有限公司生产；C波段光纤环形器，由深圳市智源光通讯技术有限公司生产。

1、频谱分析实验

首先测试本发明X轴方向的频率响应特性，将本发明按照X轴敏感轴和振动台的振动方向一致的方向安装在振动台上，将标准电荷加速度传感器(型号为4371)采用螺母固定在振动台上，光纤光栅动态解调仪输出的模拟信号接到振动系统的频谱分析仪上，输入激励为正弦波，经功率放大器放大后加载到振动台上：

首先用标准电荷加速度传感器校准本发明，即固定正弦波的频率为80Hz，改变频谱分析仪被测传感器(本发明)灵敏度的值，使被测传感器(本发明)的输出加速度与标准电荷加速度传感器的值一致，这个灵敏度即为本发明的电压灵敏度，为910mV/m/s²80Hz，然后采用逐步增加频率法，频率由5Hz上升至500Hz，获得本发明加速度值和4371加速度值，通过求取二者比值得到归一化值即可获得本发明的频率响应曲线。

在谐振频率处，频率取值间隔较小，以获得准确的谐振频率，实验结果见表1。用Excel软件进行拟合表1中数据，拟合图见图3，由图3可得0-260Hz为幅值平坦区域，260Hz-500Hz为共振区，500Hz以后为衰减区，故本发明的频率响应范围为0-260Hz。

测试本发明Y轴方向的频率响应特性，将本发明按照Y轴敏感轴和振动台的振动方向一致的方向安装在振动台上，具体测试方法与X轴方向频率响应测试方法相同，测得的Y轴方向的频率响应曲线见图4。

测试本发明Z轴方向的频率响应特性，将本发明按照Z轴敏感轴和振动台的振动方向一致的方向安装在振动台上，具体测试方法与X轴方向频率响应测试方法相同，测得的Z轴方向的频率响应曲线见图5。

由图3-图5可知，本发明三个敏感轴方向的加速度频响基本一致。

表1本发明和4371加速度传感器的加速度值随频率变化情况

2、本发明波长灵敏度实验

将本发明X轴方向与重力加速度方向一致放置，然后连接光纤环形器的蓝端，光纤环形器的红端连接宽带光源，白端接波长计。通过波长计可获得光纤光栅的中心波长为1550.240nm，将本发明X方向与重力加速度方向相反放置，可获得光纤光栅的中心波长为1550.110nm，这两个波长之差即为光纤光栅传感器受两个重力加速度时改变的波长，因此本发明X方向光纤光栅加速度传感器的波长灵敏度为65pm/g。

本发明Y方向和Z方向的光纤光栅加速度传感器的波长灵敏度测试方法与X轴方向测试方法相同，波长灵敏分别为65.2pm/g和64.6pm/g

3、本发明线性度分析实验

首先测试本发明X轴方向的传感器的线性度特性，将本发明按照X轴敏感轴和振动台的振动方向一致的方向安装在振动台上，将标准电荷加速度传感器(型号为4371)采用螺母固定在振动台上，光纤光栅动态解调仪输出的模拟信号接到振动系统的频谱分析仪上，输入激励为正弦波，经功率放大器放大后加载到振动台上：

首先用标准电荷加速度传感器校准本发明，即固定正弦波的频率为80Hz，加速度值为60mm/s²，改变频谱分析仪被测传感器(本发明)灵敏度的值，使被测传感器(本发明)的输出加速度与标准电荷加速度传感器的值一致，这个灵敏度即为本发明的电压灵敏度，为910mV/m/s²80Hz，固定正弦波的频率为240Hz，然后采用逐步增加加速度法，加速度由10mm/s²升至200mm/s²。

记录4371和本发明X方向传感器的加速度值，见表2，用Excel软件进行拟合，表2中数据的线性拟合图见图6，图6的拟合直线的斜率为1.2158，相关系数为0.9991。

表2型号为4371的加速度传感器和本发明的加速度传感器X方向传感器的加速度值

测试本发明Y轴方向的传感器的线性度特性，将本发明按照Y轴敏感轴和振动台的振动方向一致的方向安装在振动台上，具体测试方法与X轴方向传感器的线性度测试方法相同，测得的Y轴方向的传感器的线性度曲线见图7。

测试本发明Z轴方向的传感器的线性度特性，将本发明按照Z轴敏感轴和振动台的振动方向一致的方向安装在振动台上，具体测试方法与X轴方向传感器的线性度测试方法相同，测得的Z轴方向的传感器的线性度曲线见图8。由图6-图8可知，本发明三个敏感轴方向的传感器的线性度特性基本一致。

当输入的正弦波加速度为200mm/s²，频率为240Hz时，本发明的三个方向的输出响应见图9-图11，由图可知本发明的输出响应为正弦波，输出频率为240Hz，与输入频率一致。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器，其特征在于，包括：

壳体，在壳体内设置有L形基座和三个单轴柔性铰链，其中两个单轴柔性铰链固定于L形基座的长臂上，另一个单轴柔性铰链固定于L形基座的短臂上，三个单轴柔性铰链的敏感轴均互相垂直；

每个所述单轴柔性铰链的一端均为固定端，其固定在L形基座上，另一端均为自由端；每个所述单轴柔性铰链垂直于敏感轴方向的上表面开设有光纤沟槽，光纤沟槽内固定有光纤；每个所述单轴柔性铰链的固定端和自由端之间的上表面和下表面均开设有凹槽，凹槽内设有光纤布拉格光栅；每个所述单轴柔性铰链的凹槽包括两个对称的矩形切口及与其连接的半椭圆形切口。

2.如权利要求1所述的一种基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器，其特征在于，每个所述单轴柔性铰链的特征参数一致。

3.如权利要求1所述的一种基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器，其特征在于，所述光纤布拉格光栅栅区长度小于8mm，光纤光栅中心波长为1530-1560nm。

4.如权利要求1所述的一种基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器，其特征在于，所述光纤外设有传感器外壳。

5.如权利要求1或2所述的一种基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器，其特征在于，所述单轴柔性铰链的薄壁厚度在0.2-1mm之间。

6.如权利要求1所述的一种基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器，其特征在于，每个所述单轴柔性铰链的自由端在振源激励作用下围绕各自单轴柔性铰链微幅振动，促使布拉格光栅两端拉伸运动。

7.如权利要求1所述的一种基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器，其特征在于，所述壳体为中空的立方体。