CN105841796A - 一种光纤光栅三维矢量振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤光栅三维矢量振动传感器，采用中空圆柱体结构，该中空圆柱体包括中空敏感圆柱体、惯性质量块、底座以及敏感元件光纤光栅，所述惯性质量块位于中空圆柱体的顶端，并固定于中空圆柱体的顶端或联为一个整体，中空敏感圆柱体固定于底座上或联为一个整体；所述光纤光栅三维矢量振动传感器进一步包括有惯性质量块上开有光纤出孔和底座固定螺孔，所述光纤出孔用于引出三根光纤，并通过封装材料密封；所述底座固定螺孔用于固定三维矢量振动传感器；所述中空敏感圆柱体的均匀敏感应变区域封装有传感光栅，传感光栅通过光纤出孔与外部解调单元相连。

Description

一种光纤光栅三维矢量振动传感器

【技术领域】

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种用于测定物体振动方向、幅度和频率的光纤光栅振动传感器。

【背景技术】

光纤光栅作为一种波长器件，在光通信和传感领域具有广泛的应用前景，特别是在光传感领域已经取得革命性的进展，以波长为检测对象可实现诸多物理量的测量。在大型结构和基础设施的健康检测、地球动力学和地球物理勘探等领域具有广泛的应用，科研人员对其进行了大量的研究，在温度、压力和应变等准静态FBG传感技术方面取得了初步成果。而FBG加速度检波技术是近几年的一个非常热门的研究方向，其本质是实现对振动信号的加速度、振动幅值以及振动频率等基本物理量的测量。用FBG实现对振动信号的拾取，通过FBG解调系统再现波长的变化，再利用信息处理技术给出振动信号的加速度、幅度和频率等信息实现对被测对象的评估与解释。

光纤光栅振动传感器与传统的强度调制和相位调制的光纤传感器相比,除具有耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰的优点外，还具有波长调制型的独特优点，利于波分复用，容易实现传感网络，然而，如何在一个敏感体上实现三维振动信号的测量，是一个难题，一般解决的方法是通过多个单维振动传感器的叠加实现三维振动信号的测量，不仅增加了传感器的成本，而且增加了传感器的体积。因此，单敏感体在矢量振动测量领域的应用引起了人们的广泛关注和极大兴趣，具有重要的应用价值和市场前景。

申请号为2015101341493，发明名称为《波纹管式三分量光纤光栅地震检波器》的中国发明专利申请，公开了将三个裸光栅分别封装在波纹管的轴向z方向、横向x、y方向，当被测物体发生振动时，引起传感器内质量块的振动，在质量块的惯性力作用下，与质量块联接的三个光栅产生拉伸和压缩，三个光栅分别测量x、y、z三个方向上的振动信号，实现三分量振动信号检测。首先，这种方案是基于波纹管结构来实现的，由于波纹管本身制造工艺复杂，且弹性性能不稳定，导致传感器的重复性较差；其次，这种方案是基于两点封装方法将光纤布拉格光栅封装于弹性体波纹管上，由于两点封装会导致光栅自身的振动状态比较复杂，必须施加比较大的预应力才能消除自身的振动状态的影响，增加了封装难度，降低了实用性，同时由于光栅两点封装，光栅裸露在外，降低了抗冲击性能，导致传感器失效，也大大降低了实用性。这些因素容易引起测量信号失真或传感器失效，最终导致传感器无法正常使用。

鉴于以上技术问题，实有必要提供一种容易封装且抗冲击性能强的光纤光栅矢量振动传感器以克服以上技术缺陷。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于克服上述振动传感器的缺点，提供一种光纤光栅三维矢量振动传感器。

本发明采用以下技术方案：

一种光纤光栅三维矢量振动传感器，包括本体以及分别位于本体上端面和下端面的惯性质量块和固定底座，所述本体的内表面均匀敏感应变区域封装有三个传感光栅，该传感光栅通过惯性质量块设置的光纤出孔引出并与外部解调单元相连；当外界振动信号作用于该传感器时，引起传感器内惯性质量块的振动，进而产生惯性力，导致本体表面产生均匀应变，使得封装于其上的光栅光谱的中心波长发生漂移，通过三只光栅中心波长的漂移的大小实现外界矢量振动信号的检测。

所述本体为中空敏感圆柱体结构，以此结构来响应外界矢量振动信号，转化为圆柱体的轴向应变。

所述惯性质量块的中心轴线与本体的中心轴线重合。

所述惯性质量块上设置的光纤出孔采用封装材料密封。

所述的中空敏感圆柱体的高与直径之间的比大于3:1。

所述惯性质量块为圆柱体结构，其半径与中空敏感圆柱体的半径相同。

所述本体的均匀敏感应变区域封装的三个传感光栅，其封装方向沿着敏感圆柱体的轴线方向，且三只光栅相互之间的夹角为120°。

三只光栅封装于本体的内壁，且三只光栅的几何中心与本体的半高位置重合。

所述传感光栅的中心波长为1545.515nm～1555.423nm，3dB带宽为0.3～0.4nm，传感光栅的几何长度为5～10mm。

所述空圆柱体的内半径为50mm-60mm，外半径为70mm-80mm，高度为500mm-600mm。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明将三只光纤光栅分别封装在本体内表面的均匀应变区域，当外界振动信号作用于该结构时，引起传感器内惯性质量块的振动，进而产生惯性力，导致本体表面产生均匀应变，使得封装于其上的光栅光谱的中心波长发生漂移，通过三只光栅中心波长的漂移的大小实现外界矢量振动信号的检测，与普通振动传感器相比，三只光纤光栅通过全粘封装消除了两点封装光栅自振的影响，又增强了抗冲击性能，可以实现在恶劣环境下的矢量振动信号的测量；而且通过一个弹性敏感结构实现三维振动信号检测。

【附图说明】

图1为本发明实施例1的结构示意图。

其中，1为光纤出孔，2为中空敏感圆柱体，3、6、7为光纤光栅，4为底座固定螺孔，5为固定底座，8为惯性质量块。

【具体实施方式】

下面结合附图和各实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

请参阅图1所示，本光纤布拉格光栅矢量振动传感器为中空敏感圆柱体结构，主要由光纤出孔1、中空敏感圆柱体2、传感光栅3、底座固定螺孔4、固定底座5、传感光栅6、传感光栅7、惯性质量块8联接构成。所述惯性质量块8处于中空敏感圆柱体上方，惯性质量块的中心轴线与中空敏感圆柱体中心轴线重合，并固定于中空敏感圆柱体上或联为一个整体，密封焊接或胶密封固接，中空敏感圆柱体下端和固定底座5的上端固定并联为一个整体，密封焊接或胶密封固接，惯性质量块8中心设有出光纤孔1，并端密封焊接或胶密封固接，传感光栅3、传感光栅6、传感光栅7封装于中空敏感圆柱体内表面下端应变敏感区域，三只光栅的封装方向沿着敏感圆柱体的轴线方向，且三只光栅相互之间的夹角为120°，三只传感光栅通过高强度胶封装，传感光纤通过光纤出孔1与外部解调单元相连接。

如图1所示，中空敏感圆柱体结构主要由惯性质量块8、中空敏感圆柱体2、固定底座5构成，敏感圆柱体为中空圆柱体,具有对称结构，由高弹性合金制成,惯性质量块为实心圆柱体结构,且由与敏感圆柱体相同的高弹性合金制成，惯性质量块8通过焊接方法固定在中空敏感圆柱体2上端，焊接密封联结，所述惯性质量块与敏感圆柱体的中心轴线重合，外径相等。固定底座5固定在中空敏感圆柱体2下端,与底座5焊接密封联结，传感光栅3、6、7封装于中空敏感圆柱体内表面下端应变敏感区域，对传感光栅起到保护作用，所述固定底座上设置有底座固定螺孔4，用于固定三维矢量振动传感器，所述固定底座的材料与惯性质量块和敏感圆柱体的材料相同。三只传感光栅3、6、7通过393ND胶封装于均匀敏感应变区，并与敏感圆柱体2的中心轴线平行，光纤输出端通过光纤出孔1穿出传感器的惯性质量块8，并通过胶393ND密封，光栅之间可以并联，也可以串联。本实施例的传感光栅3为均匀光纤光栅，光纤光栅的中心波长为1547.564nm,3dB带宽为0.310nm，光纤光栅的几何长度为5mm，光栅的反射率大于80％，传感光栅6为均匀光纤光栅，光纤光栅的中心波长为1549.574nm,3dB带宽为0.320nm，光纤光栅的几何长度为6mm，光栅的反射率大于80％，传感光栅7为均匀光纤光栅，光纤光栅的中心波长为1551.381nm,3dB带宽为0.331nm，光纤光栅的几何长度为5mm，光栅的反射率大于80％，中空圆柱体的内半径为50mm，外半径为70mm，高度为500mm，质量块的高度为20mm，半径为70mm。

实施例2

本实施例中，传感器的结构参数和材料均与实施例1相同，不同在于：传感光栅3、6、7的位置顺时针移动30度，且光栅仍与敏感圆柱体的轴线平行，相对夹角仍为120°。传感光栅3的中心波长为1548.615nm，3dB带宽为0.291nm，光纤光栅的几何长度为6mm，光栅的反射率大于80％，传感光栅6为均匀光纤光栅，光纤光栅的中心波长为1550.684nm,3dB带宽为0.310nm，光纤光栅的几何长度为7mm，光栅的反射率大于80％，传感光栅7为均匀光纤光栅，光纤光栅的中心波长为1552.7981nm,3dB带宽为0.321nm，光纤光栅的几何长度为5mm，光栅的反射率大于80％，中空圆柱体的内半径为60mm，外半径为70mm，高度为500mm，质量块的高度为30mm，半径为70mm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

本实施例中，传感器的材料均与实施例1相同，结构参数不同：中空圆柱体的内半径为55mm，外半径为80mm，高度为600mm，质量块的高度为30mm，半径为80mm。，其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例4

本实施例中，传感器的结构参数相同，传感器的材料与实施例1不相同，中空敏感圆柱体为硬质玻璃(杨氏模量为2300N/mm²)，其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

使用时，将本发明安装在被测对象上，将信号传输光纤与光纤光栅解调模块相连，当外界的振动信号作用于被测物体时，惯性质量块8在惯性力的作用下，敏感圆柱体受到惯性力的作用，引起敏感圆柱体的内表面轴向应变，从而引起封装在敏感圆柱体上的光栅的波长发生变化，由于振动信号为矢量信号，会导致不同光栅的中心波长变化不同，通过三只传感光栅的中心波长变化来反应矢量振动信号的特征，包括矢量振动的幅度、频率以及振动方向，从而检测出被测物体的振动幅度和频率以及振动方向。

本发明的工作原理如下：

将三只传感光栅封装在敏感圆柱体的均匀应变区，当被测对象发生振动时，惯性质量块3振动，在惯性质量块8的惯性力作用下，中空敏感圆柱体的内表面上产生轴向均匀应变，使得三个传感光栅的反射谱的中心波长发生漂移，通过检测三个传感光栅中心波长变化的大小,来实现外界振动信号的幅度、频率以及振动方向。三只传感光栅在受到外界振动信号的作用时，三只传感光栅波长的相对漂移量为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}=(1-P_e){\mathrm{\ϵ}}_1=\mathrm{\β}ma\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\θ}+\frac{ma\sin \mathrm{\α}}{E\mathrm{\π}(R_o^2-R_i^2)}---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}=(1-P_e){\mathrm{\ϵ}}_2=\mathrm{\β}macos\mathrm{\α}cos(\mathrm{\θ}+120)+\frac{ma\sin \mathrm{\α}}{E\mathrm{\π}(R_o^2-R_i^2)}---\left(2\right)$

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B3}}{{\mathrm{\λ}}_{B3}}=(1-P_e){\mathrm{\ϵ}}_3=\mathrm{\β}macos\mathrm{\α}cos(\mathrm{\θ}+240)+\frac{ma\sin \mathrm{\α}}{E\mathrm{\π}(R_o^2-R_i^2)}---\left(3\right)$

$\mathrm{\β}=\frac{R_{o}L}{E\frac{\mathrm{\π}}{4}(R_o^4-R_i^4)}---\left(4\right)$

式中P_e为光纤材料的有效弹光系数，Δλ_B1、Δλ_B2和Δλ_B3分别为三只光栅的波长变化量，a为外界加速度，R_i、R_o为敏感圆柱体的内半径和外半径，θ为光栅1与x轴夹角折射率,α为光栅1与y轴夹角。

从上式(1)、(2)、(3)可以看出，由于传感光栅处在同一温度，所以温度对振动传感器的影响，可以通过补偿法消除，仅仅考虑振动信号对三只光栅的波长影响，三只光栅的波长可以通过解调单元获得，则可以实现振动矢量信号的测量，可以检测出被测物体的振动幅度、频率以及振动方向。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、采用中空敏感圆柱体结构为振动信号的敏感元件，与波纹管结构相比，性能稳定、结构简单、不容易造成信号失真，同时提高了抗冲击能力，对振动传感器的实际应用具有重要的意义。

2、采中空敏感圆柱体结构，传感器工作时，中空敏感圆柱体的内表面下端会产生一个均匀应变区，将光栅封装于该区域，只要满足三个光栅平行于中空敏感圆柱体的中心轴线，相对位置夹角为120°即可。所以该结构的封装区域选择灵活，同时三只传感光栅通过温度补偿可以实现温度不敏感测量。

3、将传感光纤光栅完全封装于封装材料中，与两点封装相比，可以消除传感光栅自振对传感器的响应特性的影响，不会造成信号失真，且能够有效保护传感光栅，提高抗干扰能力，实现了振动信号的准确测量。

4、三只传感光栅封装于敏感结构体内部，不需要额外增加传感器壳体保护，降低传感器的复杂性，缩小传感器的体积。

本发明利用光纤光栅的波长传感原理，设计对称性的结构，使中空敏感圆柱体的内表面产生均匀应变，将三只光纤光栅封装在中空敏感圆柱体的内表面的匀应变区域，当外界振动信号作用于该结构时，引起传感器内惯性质量块的振动，进而产生惯性力，导致与质量块联接的中空敏感圆柱体的内表面产生均匀应变，使得封装于其上的光栅光谱的中心波长漂移，与普通振动传感器相比，通过一个敏感弹性体实现了三维振动信号测量；而且通过三只光栅能够解决温度和振动信号交叉敏感问题，同时，三只光栅封装在中空敏感圆柱体的内表面，不需要额外增加传感器壳体保护，降低传感器的复杂性，缩小传感器的体积，且有效消除了传感光栅的自振问题，提高了抗干扰能力，大大提高了光纤光栅传感器的可靠性和稳定性。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：首先，本发明采用单个弹性敏感体光产生应变实现加矢量振动信号的测量，不需要多个敏感弹性的叠加只，更简单易行，所以不存在多个弹性体的匹配问题，光纤光栅的封装工艺更简单，容易实现。其次，由于波纹管的几何结构要求复杂，且波纹管的三个方向的共振频率相差较大，是的三维信号测量的频率范围收到制约，同时对于波纹管结构，与质量块相连接的三只传感光栅的是通过两点封装，三只光栅的轴向也不一致，大大降低了双波纹管结构的稳定性和可靠性。

Claims (10)

1.一种光纤光栅三维矢量振动传感器，其特征在于：包括本体以及分别位于本体上端面和下端面的惯性质量块(8)和固定底座(5)，所述本体内表面的均匀敏感应变区域封装有三个传感光栅(3、6、7)，该传感光栅通过惯性质量块设置的光纤出孔引出并与外部解调单元相连；当外界振动信号作用于该传感器时，引起传感器内惯性质量块的振动，进而产生惯性力，导致本体表面产生均匀应变，使得封装于其上的光栅光谱的中心波长发生漂移，通过三只光栅中心波长的漂移的大小实现外界矢量振动信号的检测。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅三维矢量振动传感器，其特征在于：所述本体为中空敏感圆柱体结构，以此结构来响应外界矢量振动信号，转化为圆柱体的轴向应变。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅三维矢量振动传感器，其特征在于：所述惯性质量块(8)的中心轴线与本体的中心轴线重合。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅三维矢量振动传感器，其特征在于：所述惯性质量块(8)上设置的光纤出孔采用封装材料密封。

5.根据权利要求2所述的一种光纤光栅三维矢量振动传感器，其特征在于：所述的中空敏感圆柱体的高与直径之间的比大于3:1。

6.根据权利要求2所述的一种光纤光栅三维矢量振动传感器，其特征在于：所述惯性质量块为圆柱体结构，其半径与中空敏感圆柱体的半径相同。

7.根据权利要求1所述的一种光纤光栅三维矢量振动传感器，其特征在于：所述本体的均匀敏感应变区域封装的三个传感光栅(3、6、7)，其封装方向沿着敏感圆柱体的轴线方向，且三只光栅相互之间的夹角为120°。

8.根据权利要求1所述的一种光纤光栅三维矢量振动传感器，其特征在于：三只光栅封装于本体的内壁，且三只光栅的几何中心与本体的半高位置重合。

9.根据权利要求1所述的一种光纤光栅三维矢量振动传感器，其特征在于：所述传感光栅的中心波长为1545.515nm～1555.423nm，3dB带宽为0.3～0.4nm，传感光栅的几何长度为5～10mm。

10.根据权利要求1所述的一种光纤光栅三维矢量振动传感器，其特征在于：所述空圆柱体的内半径为50mm-60mm，外半径为70mm-80mm，高度为500mm-600mm。