CN105258782B - 光纤光栅微振动传感器 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅微振动传感器，它包括一支座，支座为u字型结构，具有第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁的内侧具有第一台阶；第二侧壁顶端有向第一侧壁延伸的横梁，在第二侧壁的外侧设置有第二台阶和第三台阶，在第二台阶上设置有调节梁，在第三台阶上设置有补偿柱；第二侧壁上开有竖直槽；在支座上设置有倒T型的弹性片，弹性片的头部固定在第一侧壁内侧的第一台阶上，弹性片的尾部固定连接上质量块和下质量块；弹性片的中部设置有一向上的折起片，在折起片上设置有第一微孔；调节梁包括竖板和横板，竖板底部设置有凸缘，在第二台阶上设置有导槽，凸缘与导槽相适配使调节梁的凸缘在导槽中枢转；调节梁的竖板通过第一紧固螺钉与支座的第二侧壁连接。

Description

光纤光栅微振动传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种用于微弱振动信号检测的光纤光栅微振动传感器。

技术背景

光纤光栅微振动传感器是利用外界信号调制于光纤布拉格光栅，导致光纤布拉格光栅中应变发生变化，从而导致反射光的中心波长发生变化，通过探测中心波长的变化探测外界微弱振动信号的加速度量的传感器。光纤光栅微震动传感器相对于常规的电磁类传感器，在灵敏度、大动态范围、可靠性、复用能力等方面具有明显的优势，可应用于设备的微弱振动监测、微地震监测、振动安防等领域，成为高性能微振动传感器发展的一个重要方向。

黄云岗等一种基于光纤光栅的光纤微振动传感器，利用悬浮光纤光栅与被测物的共振对被测物的振动幅度进行放大，但光纤光栅自身质量轻、刚度大，且应变不均匀，因此该结构灵敏度放大有限，灵敏度较低，光栅光谱容易展宽，造成信号失真。

王兵等报道了一种光纤传感式油气探测地震检波器探头，采用L型梁结构，通过L型梁的放大作用，可以获得很高的灵敏度。采用该种结构的高灵敏度传感器，结合高分辨率波长解调技术，可以实现微振动信号的探测，但该种传感器在受到较大振动冲击时，极易将光纤拉断，由于光纤的允许伸长量极其微弱，且L型梁等机械结构的位移受光纤伸长量的限制，非常微小，因此需要极其精密的机械结构来限制振动幅度，一般难以实现。此外，该种结构也会放大外界温度变化对光纤光栅波长的影响，导致较高的温度漂移。

张文涛等报道了一种温度不敏感的光纤光栅加速度传感器，采用安装在转轴上的L型杠杆放大灵敏度，并通过高热膨胀系数弹簧进行温度补偿。该种传感器很难彻底消除L型杠杆与转轴之间的摩擦，因此存在响应阈值，不适合对微弱振动信号进行探测。此外，该种传感器也存在受到较大冲击时，容易拉断光纤的问题。

因此，如何改进光纤光栅微振动传感器的结构，在有效放大灵敏度的同时，使其在受到较大振动冲击时不易损坏，提高可靠性，并兼具温度不敏感和低响应阈值的特性，以满足实际工程应用的需要，是该类传感器实用化需要解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光纤光栅微振动传感器，兼具高灵敏度、抗振动冲击、温度不敏感和低响应阈值的特性，以满足实际应用的需要。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种光纤光栅微振动传感器，其特征在于，它包括：一支座，支座为u字型结构，具有第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁的内侧具有第一台阶；第二侧壁顶端有向第一侧壁延伸的横梁，在第二侧壁的外侧设置有第二台阶和第三台阶，在第二台阶上设置有调节梁，在第三台阶上固定设置有补偿柱；第二侧壁上开有竖直槽；在支座上设置有倒T型的弹性片，弹性片的头部固定在第一侧壁内侧的第一台阶上，弹性片的尾部固定连接上质量块和下质量块，上质量块和下质量块对称安装于弹性片上下两侧；弹性片的中部设置有一向上的折起片，在折起片上设置有第一微孔；调节梁包括竖板和横板，竖板底部设置有凸缘，在第二台阶上设置有导槽，凸缘与导槽相适配使调节梁的凸缘在导槽中枢转；调节梁的竖板顶部设置有第二微孔，调节梁的竖板通过第一紧固螺钉与支座的第二侧壁连接，调节梁和第二侧壁之间设置有第一弹性垫片，第一紧固螺钉使第一弹性垫片产生形变；调节梁的横板通过第二紧固螺钉与补偿柱连接，且第二紧固螺钉与调节梁的横板之间装有第二弹性垫片，第二紧固螺钉穿过第二弹性垫片和横板旋入到补偿柱上的螺纹孔中；光纤光栅依次穿过第一微孔，竖直槽和第二微孔，并在第一微孔处与折起片固定在一起，在第二微孔处与调节梁固定在一起。

本方案的具体特点还有，所述弹性片为中间带有折起的长方型薄片，所述折起片通过在弹性片上切割并向上弯折形成。

在弹性片上设置有调节框，用于调节弹性片的抗弯强度。

所述上质量块上开有供光纤光栅穿过的第一长槽，在下质量块上开有与第一长槽对应的第二长槽。

所述补偿柱由高膨胀系数材料制成，即补偿柱所用材料的膨胀系数大于支座所用材料的膨胀系数2倍以上。

对所述光纤光栅中施加一定的预拉力，且预拉力大于传感器最大量程对应的光纤光栅的拉伸量。

在横梁上安装有至少一个限位螺钉，限位螺钉下端位于上质量块的上方。

所述横梁与限位螺钉之间装有第三弹性垫片。

本发明具有以下有益效果：1、本发明提供的这种光纤光栅微振动传感器，由上下质量块和弹性片构成灵敏度放大结构，可以获得很高的灵敏度，没有摩擦，理论响应阈值为零，同时采用倒T型结构的弹性片，使上下质量块与光纤之间，存在弹性缓冲，从而使质量块的振动幅度不受光纤伸长量的限制，上下质量块可以具有较大的位移，这就大大降低了限振的难度和实现成本，进而通过横梁限振结构实现了上下质量块振动幅度的限制，保证在传感器受到较大振动冲击时，不会拉断光纤，提高了传感器的可靠性。

2、本发明提供的这种光纤光栅微振动传感器，可以方便的通过改变弹性片上方框的宽度、折起的宽度以及上下质量块的质量，改变传感器的灵敏度和谐振频率，特别是可以通过调节以上参数，使传感器工作在谐振频率，利用谐振进一步提高灵敏度，而由于存在有效的限振结构，不会损坏传感器。

3、本发明提供的这种光纤光栅微振动传感器，补偿柱随温度变化产生的形变可以通过调节梁的L型结构放大，改变光纤光栅的拉伸状态，从而补偿传感器整体结构随温度变化产生形变造成的光纤光栅波长变化以及光纤光栅本身波长的温度漂移。

附图说明

图1是本发明提供的光纤光栅微振动传感器的结构示意图。图2是本发明提供的光纤光栅微振动传感器的正视图。图3是本发明提供的光纤光栅微振动传感器的支架10的剖视图。图4是本发明提供的光纤光栅微振动传感器的弹性片20机械加工件的正视图。图5是本发明提供的光纤光栅微振动传感器的弹性片20的示意图。图6是本发明提供的光纤光栅微振动传感器的调节梁40的示意图。图7是本发明提供的光纤光栅微振动传感器的补偿柱50的剖视图。图8是本发明提供的光纤光栅微振动传感器的上质量块30的示意图。

图中：10-支座；11-第一侧壁；12-第二侧壁；13-第一台阶；14-横梁；15-第二台阶；16-第三台阶；17-导槽；18-竖直槽；20-弹性片；21-折起片；22-第一微孔；23-调节框；24-方框；30-上质量块；31-下质量块；32-第一长槽；40-调节梁；41-第一紧固螺钉；42-第一弹性垫片；43-第二弹性垫片；44-第二紧固螺钉；45-第二微孔；46-凸缘；50-补偿柱；60-光纤光栅；70-限位螺钉；71-第三弹性垫片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1-2所示，本发明提供的一种光纤光栅微振动传感器，它包括：一支座10，如图3所示，支座10为u字型结构，具有第一侧壁11和第二侧壁12，第一侧壁11的内侧具有第一台阶13；第二侧壁12顶端有向第一侧壁11延伸的横梁14，在第二侧壁12的外侧设置有第二台阶15和第三台阶16，在第二台阶15上设置有调节梁40，在第三台阶16上固定设置有补偿柱50；第二侧壁12上开有竖直槽18，以便于光纤光栅60穿过；在支座10上设置有倒T型的弹性片20，弹性片20的头部固定在第一侧壁11内侧的第一台阶13上，弹性片20的尾部固定连接上质量块30和下质量块31，上质量块30和下质量块31对称安装于弹性片20上下两侧，用于拾取振动信号；增大上质量块30和下质量块31的质量，可以提高传感器的灵敏度，若所需上质量块30高度大于折起片21高度，则如图8所示，上质量块30上进一步开有第一长槽32，以便光纤光栅60穿过，下质量块31上进一步开有与第一长槽32类似的第二长槽33，以保证质量分布关于弹性片20对称。如图4-5所示，弹性片20的中部设置有一向上的折起片21，在折起片21上设置有第一微孔22，用于固定光纤光栅60；

如图6所示，调节梁40包括竖板和横板，竖板底部设置有凸缘46，在第二台阶上设置有导槽17，凸缘46与导槽17相适配使调节梁的凸缘46在导槽17中枢转；调节梁40的顶部设置有第二微孔45。

如图1所示，调节梁40通过第一紧固螺钉41与支座10的第二侧壁12连接，调节梁40和第二侧壁12之间设置有第一弹性垫片42，第一紧固螺钉41使第一弹性垫片42产生形变；横板通过第二紧固螺钉44与补偿柱50连接，且第二紧固螺钉44与横板之间装有第二弹性垫片43，第二紧固螺钉44穿过第二弹性垫片43和横板旋入到补偿柱上的螺纹孔中，第二紧固螺钉44使第二弹性垫片43产生形变；光纤光栅60依次穿过第一微孔22，竖直槽18和第二微孔45，并在第一微孔22处与折起片21固定在一起，在第二微孔45处与调节梁40固定在一起，用于检测振动信号，固定方式为环氧胶粘接。第二侧壁12顶端有向第一侧壁11延伸的横梁14，用于限制传感器的振动幅度，在横梁14上安装有至少一个限位螺钉70，限位螺钉70下端位于上质量块30的上方，限位螺钉70限制上质量块30的振动幅度，可以准确限制传感器的振动幅度。

如图4-5所示，所述弹性片20为长方型薄片，所述折起片21通过在弹性片20上切割并向上弯折形成。在弹性片20上设置有调节框23，通过改变调节框23的宽度，可以改变弹性片20的抗弯强度，以改变传感器的灵敏度。具体的，增大调节框23的宽度，可以线性的降低弹性片20的抗弯强度，使弹性片20更易弯折，从而提高传感器的灵敏度，减小调节框23的宽度，可以线性的提高弹性片20的抗弯强度，从而降低传感器的灵敏度。该光纤光栅微振动传感器的弹性片20如下制成：采用合适尺寸的金属弹性片，切割成图4所示结构，让后将折起21上弯折，形成图5所示弹性片20。本实施例中，弹性片20采用铍青铜薄片，通过激光切割并弯折制成。

如图7所示，所述补偿柱50由高膨胀系数材料制成，即补偿柱50所用材料的膨胀系数大于支座10所用材料的膨胀系数2倍以上。本实施例中，补偿柱50由不锈钢材料制成，支座10用铟钢材料制成。

对所述光纤光栅60中施加一定的预拉力，预拉力大小典型值为0.1 N-0.5 N。

所述横梁14与限位螺钉70之间装有第三弹性垫片71，以进一步提高限位螺钉70的移动精度。传感器正放时，限位螺钉70顶端与上质量块30之间留有一微小间隙，典型值为0.1-0.5 mm。

本发明提供的光纤光栅微振动传感器工作原理如下：

在测量振动时，支座10刚性的安装在被测目标上，受被测目标振动激励，上质量块30和下质量块31由于惯性，相对于支座10振动，从而带动弹性片20发生弯折，并通过折起片21改变光纤光栅60中的预拉力，光纤光栅60的轴向应变随之改变。由于光纤光栅60的波长变化量与轴向应变成正比，所以通过波长检测设备，检测光纤光栅60的波长变化量，可以得到外界振动加速度的大小。

本发明提供的光纤光栅微振动传感器，可通过如下方式调节传感器的谐振频率，实现低频极高的灵敏度：增大弹性片20上设调节框23的宽度，从而降低弹性片20的抗弯强度，从而提高传感器的灵敏度并降低谐振频率；增大上质量块30和下质量块31的质量，从而提高传感器的灵敏度并降低谐振频率；特别的，增大弹性片20中的折起片21的宽度，从而增大弹性片20中的折起片21向上弯折后，在弹性片20上剩余一方框24的宽度，进而降低折起片21与上质量块30和下质量块31之间的弹性片区域的抗弯强度，从而降低传感器的谐振频率至低频段，使传感器在该频段具有极高灵敏度，并且不显著提高谐振频率以下频段传感器的灵敏度，避免传感器过于灵敏而损坏。

本发明提供的光纤光栅微振动传感器，相比传统的L型梁振动传感器，具有更高的可靠性：传统L型梁振动传感器，光纤光栅的应变与质量块的位移存在固定的比例关系，若光纤光栅的最大允许应变量为1000微应变，长度为20 mm，则最大伸长量为0.02 mm，若L型梁连接质量块的臂长与连接光纤光栅的臂长比为2：1，则质量块的最大位移为0.04 mm，对该量级的位移进行限振需要极高的安装精度，一般难以实现，而本发明提供的技术方案，弹性片20的折起片21与上质量块30之间存在一个弹性区域，且该区域的弹性可以通过调节方框24的宽度而改变，通过该弹性区域的弯折可以大幅提高上质量块30的位移量，从而解除了光纤光栅60的应变与质量块的位移存在固定的比例关系。本实施例中，上质量块30和下质量块31采用18 mm×12 mm×6 mm的紫铜块，弹性片20采用0.4 mm厚，10 mm宽的铍青铜片，折起片高6 mm，宽3 mm，调节框尺寸为9 mm×1.5 mm，通过有限元模拟，灵敏度为480pm/g，谐振频率为50 Hz，当所测振动信号幅度为2.1 g时，光纤光栅应变约为1000微应变，上质量块的最大位移幅度约为0.3 mm，较传统结构提高约一个数量级，易于通过较经济的技术手段实现限位，本实施例通过限位螺钉70，即可较为精确的限制上质量块30的振动幅度，防止光纤光栅60拉力过大而断裂，提高了可靠性。

本发明提供的光纤光栅微振动传感器，可以较方便的改变光纤光栅60中预拉力的大小，方法如下：拧紧第一紧固螺钉41，可以减小光纤光栅60中的预拉力，拧松第一紧固螺钉41，可以增加光纤光栅60中的预拉力。

本发明提供的光纤光栅微震动传感器，可以实现一定程度的温度补偿，若需补偿传感器结构的热膨胀造成的光纤光栅60的波长变化，则支座10材料的热膨胀系数α ₁ ，光纤光栅60两固定点的距离l，补偿柱50材料的热膨胀系数α ₂，补偿柱50的长度d，调节梁40的横板和竖板的长度a、b，满足如下公式：

（1）

若需完全补偿光纤光栅60的波长变化，则传感器以上结构参数与光纤光栅60的温度灵敏度K和应变灵敏度C需满足如下公式：

（2）

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发名，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光纤光栅微振动传感器，其特征在于，它包括：一支座，支座为u字型结构，具有第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁的内侧具有第一台阶；第二侧壁顶端有向第一侧壁延伸的横梁，在第二侧壁的外侧设置有第二台阶和第三台阶，在第二台阶上设置有调节梁，在第三台阶上固定设置有补偿柱；第二侧壁上开有竖直槽；在支座上设置有倒T型的弹性片，弹性片的头部固定在第一侧壁内侧的第一台阶上，弹性片的尾部固定连接上质量块和下质量块，上质量块和下质量块对称安装于弹性片上下两侧；弹性片的中部设置有一向上的折起片，在折起片上设置有第一微孔；调节梁包括竖板和横板，竖板底部设置有凸缘，在第二台阶上设置有导槽，凸缘与导槽相适配使调节梁的凸缘在导槽中枢转；调节梁的竖板顶部设置有第二微孔，调节梁的竖板通过第一紧固螺钉与支座的第二侧壁连接，调节梁和第二侧壁之间设置有第一弹性垫片，第一紧固螺钉使第一弹性垫片产生形变；调节梁的横板通过第二紧固螺钉与补偿柱连接，且第二紧固螺钉与调节梁的横板之间装有第二弹性垫片，第二紧固螺钉穿过第二弹性垫片和横板旋入到补偿柱上的螺纹孔中；光纤光栅依次穿过第一微孔，竖直槽和第二微孔，并在第一微孔处与折起片固定在一起，在第二微孔处与调节梁固定在一起。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅微振动传感器，其特征在于，所述弹性片为中间带有折起片的长方型薄片，所述折起片通过在弹性片上切割并向上弯折形成。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅微振动传感器，其特征在于，在弹性片上设置有调节框。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅微振动传感器，其特征在于，所述上质量块上开有供光纤光栅穿过的第一长槽，在下质量块上开有与第一长槽对应的第二长槽。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅微振动传感器，其特征在于，所述补偿柱由高膨胀系数材料制成，即补偿柱所用材料的膨胀系数大于支座所用材料的膨胀系数2倍以上。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅微振动传感器，其特征在于，对所述光纤光栅中施加一定的预拉力，且预拉力大于传感器最大量程对应的光纤光栅的拉伸量。

7.根据权利要求1所述的光纤光栅微振动传感器，其特征在于，在横梁上安装有至少一个限位螺钉，限位螺钉下端位于上质量块的上方。

8.根据权利要求7所述的光纤光栅微振动传感器，其特征在于，所述横梁与限位螺钉之间装有第三弹性垫片。