CN106597013A - 一种灵敏度可调的光纤光栅加速度传感器 - Google Patents

一种灵敏度可调的光纤光栅加速度传感器 Download PDF

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王传克
孙丽
朱春阳
刘海成
王建超
齐学文
张蕾
蔡依青
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/03—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses by using non-electrical means
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Abstract

一种灵敏度可调的光纤光栅加速度传感器，属于机械振动测试技术领域。包括壳体及设置于壳体内的光纤光栅、L型转轴、支撑架、质量块、等强度梁、连动钢轴和钢片；所述转轴通过支撑架支撑在壳体底板上，其上贯穿一钢片，一端连接在壳体端板上，另一端连接有质量块，所述质量块沿转轴自由滑动；粘贴有光纤光栅的等强度梁固定在外壳端板上，并与转轴中心同一高度，等强度梁端部连接有运动钢轴，所述运动钢轴与转轴上的钢片边缘连接。本发明中质量块在转轴上设有多个档位，根据对被测物的测量要求，通过质量块在L型转轴上的滑动来选择合适的档位，从而调整灵敏度和量程，以提高选定量程内的测量精度。

Description

一种灵敏度可调的光纤光栅加速度传感器
技术领域
本发明属于机械振动测试技术领域，特别是涉及一种灵敏度可调的光纤光栅加速度传感器,特别适用于装配式混凝土结构健康监测中由于人行荷载作用下导致的楼板竖向振动的监测。
背景技术
随着光纤光栅传感技术的发展，光纤光栅加速度传感器已经广泛应用到土木工程结构的健康监测中。传统的电类传感器，主要包括磁电式和电感式两种传感器。其中，磁电式传感器最大的缺点是可探测的振动频率下限大于13Hz，因此需要专门设计的校正电路来降低它的可探测下限频率。校正后，可测量的最低频率为0.6Hz。人正常步行的频率在1.6Hz和2.4Hz之间，当人在楼面上正常行走时，同一房间内的人感受到的楼板振动频率在3Hz到10Hz之间。光纤光栅可以测量的频率范围为0Hz到500Hz，灵敏度更高，性能优势明显。除此之外，与传统的电类传感器相比，光纤光栅传感器还具有以下：抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀、防水、信号传输距离远等优点。
目前研究的光纤光栅加速度传感器大多都是将光栅粘贴到悬臂梁表面，当质量块由于振动从而带动悬臂梁发生应变，粘贴在悬臂梁表面的光纤光栅的折射率和周期发生变化，进而使光纤光栅的布拉格反射波长漂移。通过解调仪解调后，读出波长漂移量便可以计算出振动激励的加速度值。传感器的灵敏度系数和量程存在着如下关系：
ΔλBmax＝Kmax×Ymax
光栅的最大波长变化量为定值，大约为±2.4nm。目前大部分加速度传感器的量程为±1.0g，当传感器的灵敏度提高时，也伴随着传感器的量程的缩小，此消彼长。本传感器通过质量块的滑动可以调节灵敏度和量程，以满足不同的需求。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种灵敏度可调的光纤光栅加速度传感器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明一种灵敏度可调的光纤光栅加速度传感器，包括壳体及设置于壳体内的光纤光栅、L型转轴、支撑架、质量块、等强度梁、连动钢轴和钢片；
所述转轴通过支撑架支撑在壳体底板上，其上贯穿一钢片，一端连接在壳体端板上，另一端连接有质量块，所述质量块沿转轴自由滑动；
粘贴有光纤光栅的等强度梁固定在外壳的端板上，并与转轴中心同一高度，等强度梁端部连接有运动钢轴，所述运动钢轴与转轴上的钢片边缘连接。
进一步地，所述转轴为L型转轴。
进一步地，所述加速度传感器的
灵敏度公式为：
其中：αg为外壳随支座运动在x坐标系中的加速度，λB为光纤光栅中心波长，Pe为光纤的有效弹光系数，m为质量块的质量，L为等强度梁的长度，R为质量块到与光纤光栅平行的转轴水平中心线的距离，E为弹性模量，B为等强度梁的宽度，h为等强度梁的厚度，r为钢片的半径。
进一步地，所述支撑架由支杆和套置在转轴上的圆环构成。
进一步地，所述质量块上还设置有固定质量块的调节螺栓，调节质量块在转轴上的位置。
本发明的有益效果为：
本发明通过质量块在L型转轴上的滑动来调整灵敏度和量程，以满足实际使用中对灵敏度和量程的需求。灵敏度可调：当监测小幅振动时，可以适当调整灵敏度，从而减小量程，提高测量精度。抗干扰性强：当传感器测量的楼板同时有横向振动和竖向振动时，L型转轴结构可以有效降低横向振动的干扰，提高了楼板竖向振动的测量精度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的立体结构示意图。
图3是等强度梁的平面图。
图4是本发明的工作原理示意图。
图5是本发明质量块滑动示意图。
图中：1.光纤光栅，2.转轴，3.支撑架，4.质量块，5.等强度梁，6.运动钢轴，7.钢片，8.底板，9.端板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
实施例：如图1、图2所示，本发明一种灵敏度可调的光纤光栅加速度传感器，包括壳体及设置于壳体内的光纤光栅1、L型转轴2、支撑架3、质量块4、等强度梁5、连动钢轴6和钢片7；
所述转轴2通过支撑架3支撑在壳体底板8上，其上贯穿一钢片7，一端连接在壳体端板9上，另一端连接有质量块4，所述质量块4沿转轴2自由滑动；
粘贴有光纤光栅1的等强度梁5固定在外壳的端板9上，并与转轴2中心同一高度，等强度梁5端部连接有运动钢轴6，所述运动钢轴6与转轴2上的钢片7边缘的小孔连接。所述转轴2为L型转轴。
为提高该加速度传感器对灵敏度及量程的个性化要求，所述加速度传感器的灵敏度公式为：
其中：αg为外壳随支座运动在x坐标系中的加速度，λB为光纤光栅中心波长，Pe为光纤的有效弹光系数为0.22，m为质量块4的质量为56.3g，L为等强度梁的长度为60mm，R为质量块到与光纤光栅1平行的转轴水平中心线的距离，E为弹性模量为2×1011Pa，B为等强度梁的宽度为16mm，h为等强度梁的厚度为1mm，r为钢片7的半径为15mm，R为质量块4到与光纤光栅1平行的转轴水平中心线的距离，本例R为45mm，当质量块在最高档位时，加速度传感器量程为20Hz，灵敏度S＝229.73pm/g；当传感器在最低挡位时，加速度传感器的量程位60Hz，灵敏度为76.58pm/g。
由上可见，通过设定R/r值，可根据被测物的具体情况选择合适的灵敏度及相应量程，从而达到优化测量精度的目的，如图3所示。
该公式的理论推导过程如下：
当质量块受到来自地面ag的振动激励时，质量块产生的惯性力为mag，根据力矩平衡原理，经过L型转轴和钢片传递后，作用到等强度梁悬臂端的力为由于R＞r，放大了惯性力，提高了传感器的响应强度。如4图所示，光纤光栅加速度传感器可以简化为由振动质量块m、等强度悬臂梁的等效弹簧刚度k和阻尼C组成的二阶单自由度受迫振动系统。x为空间固定坐标，y为外壳的随体坐标，当结构随支座处于振动状态时，质量块与外壳产生y的相对位移。在y坐标系中，质量块的运动方程为
式中：m是质量块的质量；ag为外壳随支座运动在x坐标系中的加速度。所以，-mag表示y坐标系的惯性力。
上式两边同时除以m可以得到：
式中：阻尼比ζ,cc为临界阻尼；ω0为悬臂梁－质量块系统的固有频率。当梁的三角形顶部受到F力作用时，梁的上下两个表面处的轴向应变ε均匀分布，其大小为ε＝6Fl/Ebh2，且等强度梁的等效弹簧刚度为K＝Bh3E/6L3。由ΔλB/λB＝(1-Pe)ε得
灵敏度为：
加速度与波长的关系为
说明加速度与波长变化量成线性关系。
式中：Pe为光纤的有效弹光系数；λB为光纤光栅中心波长。
所述支撑架3由支杆和套置在转轴2上的圆环构成。所述质量块4上还设置有固定质量块的调节螺栓。
本发明的工作原理：如图4、图5所示，把传感器水平放置在楼板上，当该光纤光栅加速度计受到来自地面的竖向振动激励时，如图4所示的等强度梁5、连动钢轴6、钢片7、转轴2和质量块4构成了一个弹簧-质量系统，质量块4以转轴2为中心做轻微震动，钢片7带动钢轴6使等强度梁5产生弯曲，光纤光栅粘贴在等强度梁5的受拉侧，这样光纤光栅1和等强度梁5协同变形，使得光纤光栅的中心波长由于应变而产生偏移，再通过解调读出与加速度相对应的波长值。由于等强度梁5是线性弹性元件，所以理论上加速度与波长增量是呈线性关系的。

Claims (5)

1.一种灵敏度可调的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：包括壳体及设置于壳体内的光纤光栅、L型转轴、支撑架、质量块、等强度梁、连动钢轴和钢片；
所述转轴通过支撑架支撑在壳体底板上，其上贯穿一钢片，一端连接在壳体端板上，另一端连接有质量块，所述质量块沿转轴自由滑动；
粘贴有光纤光栅的等强度梁固定在外壳的端板上，并与转轴中心同一高度，等强度梁端部连接有运动钢轴，所述运动钢轴与转轴上的钢片边缘连接。
2.根据权利要求1所述灵敏度可调的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述转轴为L型转轴。
3.根据权利要求1或2所述灵敏度可调的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述加速度传感器的
灵敏度公式为：
其中：αg为外壳随支座运动在x坐标系中的加速度，λB为光纤光栅中心波长，Pe为光纤的有效弹光系数，m为质量块的质量，L为等强度梁的长度，R为质量块到与光纤光栅平行的转轴水平中心线的距离，E为弹性模量，B为等强度梁的宽度，h为等强度梁的厚度，r为钢片的半径。
4.根据权利要求1或2所述灵敏度可调的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述支撑架由支杆和套置在转轴上的圆环构成。
5.根据权利要求1或2所述灵敏度可调的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述质量块上还设置有固定质量块的调节螺栓，调节质量块在转轴上的位置。
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