CN105628172A - 一种新型光纤光栅振动加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型光纤光栅振动加速度传感器，主要由弹性传感体、光纤光栅组成，弹性传感体上半部分设有圆孔，在圆孔内安装传感光纤光栅并定位固定，在弹性传感体下半部分设有螺孔，螺孔内旋入螺柱，螺柱另一端旋入被测物体并组成刚体连接；传感光纤光栅与传感器的相关部件连接组成检测设备；本发明利用光纤布拉格光栅作为传感器件，当振动产生的应变波通过弹性传感体作用到嵌入其中的光纤布拉格光栅上时，通过本传感器可实现高精度振动加速度的传感。

Description

一种新型光纤光栅振动加速度传感器

技术领域

本发明涉及光纤光栅振动加速度传感领域，尤其涉及一种新型光纤光栅振动加速度传感器。

背景技术

随着光纤传感技术的发展，光纤光栅传感器以其抗电磁干扰、耐腐蚀、高绝缘性、测量范围广、便于复用成网等优点，在土木工程、航空航天、石油化工、电力、医疗、船舶工业等领域获得了广泛应用。当机械振动产生的应变波作用到光纤光栅上时，将引起光纤光栅的光学参数的变化，从而引起光纤光栅中心波长的变化；通过光纤光栅解调设备，可将中心波长的变化转换为光功率的变化，通过检测光功率的变化，就可实现机械振动的检测；测量振动加速度是振动监测常用的一种方法，目前，由于悬臂梁具有结构简单、性能稳定的特点，所用光纤光栅加速度传感器多采用悬臂梁结构；但由于固有频率的影响，采用悬臂梁结构的光纤光栅振动传感器的频带都比较窄，同时，悬臂梁结构一般体积较大，限制了其在许多领域的应用。除悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器外，研究人员还提出了光纤光栅传感器其他结构的封装形式，但存在频带窄、体积大、温度影响大等问题，不利于使用。

新型光纤光栅振动加速度传感器具有体积小、封装稳固、传感器频带宽，便于安装使用的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测量机械振动加速度的光纤光栅加速度传感器，通过测量光纤光栅反射的光功率的变化实现机械振动加速度的测量，解决现有振动传感器频带窄，体积大，受温度影响等问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，新型光纤光栅振动加速度传感器，包括弹性传感体、光纤光栅，所述弹性传感体上半部分设有一个圆孔，圆孔内安装传感光纤光栅并定位固定，在弹性传感体下半部分设有螺孔，螺孔内旋入螺柱，螺柱另一端旋入被测物体并组成刚体连接。

圆孔和螺孔之间不通透，圆孔和螺孔的孔中心与圆柱形弹性传感体的本体中心线重合。

圆孔直径2mm、深20mm，传感光纤光栅沿圆孔中心线安放并置于圆孔内的底部，其顶端中心位于圆孔中心处，利用环氧树脂胶将传感光纤光栅定位并固定。

螺孔的直径为5mm，深8mm。

传感光纤光栅为光纤布拉格光栅。

本发明的光纤光栅振动加速度传感器，由于利用光纤布拉格光栅作为传感器件，当振动产生的应变波通过弹性传感体作用到嵌入其中的光纤布拉格光栅上时，应变波会与光纤布拉格光栅中的光波发生耦合，从而引起光纤布拉格光栅光学参数的变化，导致光纤布拉格光栅中心波长发生变化，通过波长解调系统解调中心波长的变化，将中心波长的变化转换为光功率的变化，即可实现高精度振动加速度的传感。

附图说明

图1是本发明的光纤光栅振动加速度传感器的结构示意图。

在图中：

1—弹性传感体、2—圆孔、3—传感光纤光栅、4—螺孔、5—宽谱光源6—第一环形器、7—第二环形器、8—匹配光纤光栅、9—光电检测器、10—数据采集设备；

图2是本发明的光纤光栅振动加速度传感器固定在被测物体上的示意图。

在图中：

11—螺柱、12—被测物体。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的光纤光栅振动加速度传感器做出详细说明。

本发明提供的光纤光栅振动加速度传感器是由弹性传感体1和嵌在弹性传感体中的传感光纤光栅3构成的，传感光纤光栅3采用环氧树脂胶固定，弹性传感体1底面中央开有螺孔4，用于将弹性传感体固定在被测物体12上。

图1给出了本发明提供的光纤光栅振动加速度传感器具体结构，光纤光栅振动加速度传感器包括有弹性传感体1，弹性传感体1的最佳实施例为圆柱形，其直径为20mm、高30mm；在弹性传感体1上半部分设有一个圆孔2，圆孔2内安装传感光纤光栅3并定位固定，将传感光纤光栅3垂直于弹性传感体上表面放入圆孔2中，且传感光纤光栅3处于圆孔2的最底部，垂直方向上与圆孔2的中心线重合，其顶端位于圆孔2中心处，与传感光纤光栅3相连的光纤暴露在圆孔2的外部。

在弹性传感体1下半部分设有螺孔4，螺孔4内旋入螺柱11，螺柱11的另一端旋入被测物体12并组成刚体连接。

圆孔2和螺孔4之间不通透，圆孔2和螺孔4的孔中心与圆柱形弹性传感体1的本体中心线重合。

圆孔2直径2mm、深20mm，光纤光栅3沿圆孔2中心线安放并置于圆孔2内的底部，其顶端中心位于圆孔2中心处，利用环氧树脂胶将传感光纤光栅3定位并固定。

实施本光纤光栅振动加速度传感器，螺孔4的直径为5mm，深8mm。

实施本光纤光栅振动加速度传感器，传感光纤光栅3为光纤布拉格光栅。

为了保证传感器的精度，上述标定尺寸的误差在应在0.2mm以内。

传感光纤光栅3与第一环形器6相连，第一环形器6的另两端分别连接宽谱光源5和第二环形器7，第二环形器7的另两端分别连接匹配光纤光栅8和光电检测器9，光电检测器9的输出连接数据采集设备10。

上面所述的传感光纤光栅3是能够由应变引起其反射谱发生变化的光学器件，为光纤布拉格光栅；所述的弹性传感体1采用的材料可以是质地均匀的金属、非金属或其它材质的线弹性材料；所述的宽谱光源5的谱宽必须与传感光纤光栅3和匹配光纤光栅8的中心波长匹配；所述的光电检测器9是可将光功率变化转换为电压变化的光电器件；所述的数据采集设备10是可将模拟电压量转换为数字量的设备。

图2给出了光纤光栅振动加速度传感器安装示意图，在被测物体12上开与螺孔4相同的孔，采用螺柱11将传感器固定在被测物体12上，当被测物体12发生机械振动时，机械振动将作用在弹性传感体1的底面，并在弹性传感体1底部产生动态应变场。应变场将在弹性传感体1和环氧树脂胶中沿轴向传播形成应变波，并作用在嵌入环氧树脂胶中的传感光纤光栅3上。如果机械振动的加速度呈正弦变化，则产生的应变波随时间也为正弦变化，其随时间变化的表达式如(1)式所示：

$\mathrm{\ϵ}\left(t\right)={\mathrm{\ϵ}}_{m}cos(\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_s}z-{\mathrm{\ω}}_{s}t)---\left(1\right)$

式中ε_m表示应变波的幅度，λ_s表示应变波的波长，ω_s表示应变波的角频率，z为应变波的传输方向。根据布拉格条件，传感光纤光栅3的中心波长可由(2)式表示：

λ_B0＝2n_eff0Λ₀(2)

式中n_eff0表示传感光纤光栅3的有效折射率，Λ₀表示传感光纤光栅3的周期。当应变波沿传感光纤光栅3轴向传播时，会导致传感光纤光栅3沿轴向拉伸或压缩，引起传感光纤光栅3周期Λ₀的变化；同时，由于弹光效应的影响，传感光纤光栅3的有效折射率n_eff0会发生变化。最终会引起传感光纤光栅3的中心波长λ_B0发生变化。当应变波的波长λ_s与传感光纤光栅3的长度L的比值λ_s/L>>1时，传感光纤光栅3的中心波长受应变的影响可表示为：

λ_B(t)＝λ_B0+Δλ₀cos(ω_st)(3)

式中Δλ₀为传感光纤光栅3中心波长受应变波影响的变化幅度，为一常数。由此可知，当机械振动成正弦变化时，传感光纤光栅3的中心波长也将呈正弦变化，将传感光纤光栅3中心波长的变化转换为光功率的变化，便可获得机械振动的加速度。

宽谱光源5谱宽必须包含传感光纤光栅3和匹配光纤光栅8的中心波长。传感光纤光栅3和匹配光纤光栅8的温度灵敏度系数和3dB带宽要求相同，两光纤光栅的3dB带宽和中心波长的差值应在0.2nm左右。当传感光纤光栅3的中心波长在机械振动的作用下发生变化时，其光谱就会左右移动，此时匹配光纤光栅8反射的光功率，即进入光电检测器9的光功率就会发生变化，导致光电检测器9的输出电压发生变化。数据采集设备10通过采集光电检测器9的输出电压，便可获得机械振动的变化情况，实现振动传感检测。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,如：将弹性传感体改变为圆柱之外其它形状，圆孔2和螺孔4的尺寸变更，将凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种新型光纤光栅振动加速度传感器，包括弹性传感体、光纤光栅，其特征在于：所述弹性传感体(1)上半部分设有一个圆孔(2)，圆孔(2)内安装传感光纤光栅(3)并定位固定，在弹性传感体(1)下半部分设有螺孔(4)，螺孔(4)内旋入螺柱(11)，螺柱(11)的另一端旋入被测物体(12)并组成刚体连接。

2.根据权利要求1所述的新型光纤光栅振动加速度传感器，其特征在于：所述圆孔(2)和螺孔(4)之间不通透，圆孔(2)和螺孔(4)的孔中心与圆柱形弹性传感体(1)的本体中心线重合。

3.根据权利要求1所述的新型光纤光栅振动加速度传感器，其特征在于：所述圆孔(2)直径2mm、深20mm，传感光纤光栅(3)沿圆孔(2)中心线安放并置于圆孔(2)内的底部，其顶端中心位于圆孔(2)中心处，利用环氧树脂胶将传感光纤光栅(3)定位并固定。

4.根据权利要求1所述的新型光纤光栅振动加速度传感器，其特征在于：所述螺孔(4)的直径为5mm，深8mm。

5.根据权利要求1所述的新型光纤光栅振动加速度传感器，其特征在于：所述传感光纤光栅(3)为光纤布拉格光栅。