CN106645795A - 一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，所述的感器包括基座、弹簧片、质量块、侧盖和光纤光栅。基座、弹簧片、质量块通过机械配合和激光焊接进行组装，构成悬臂梁结构。光纤光栅在G.657光纤上刻写，采用高分子超薄涂覆来光纤的抗拉性能，光纤光栅与基座和质量块之间直接采用环氧树脂点胶固定，装配成光纤光栅加速度传感器。在质量块上预先加工配重孔，对装配后的传感器进行标定，通过在配重孔上点胶或机械加工，来灵活调节传感器的灵敏度和谐振频率点，优化加速度传感器的性能指标。本发明方法简化了加速度传感器的设计和加工要求，操作方法简单，实用性强，制作的传感器灵敏度高，插入损耗小，性能优异。

Description

一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅应用技术领域，具体而言是一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法。

背景技术

光纤光栅传感技术具有灵敏度高、复用简单、抗电磁干扰、无源等特性，在加速度传感器领域倍受青睐。目前，大多数光纤光栅加速度传感器利用机械结构进行增敏，将加速度的变化转化为光纤光栅上的波长变化，再通过光栅解调仪还原传感信息。如专利“一种悬臂梁式光纤光栅加速度计”(申请号：200710065321.X)、“基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计”(申请号：200710065322.X)、“双等强度悬臂梁光纤光栅振动传感器”(申请号：201010285791.9)、“一种双悬臂梁光纤光栅加速度传感器”(申请号：201310092296.X)等都采用了悬臂梁式的机械结构，将加速度或振动转化为光栅的波长变化后再进行检测。但相关专利多侧重于加速度传感器结构的创新，较少考虑传感器的制作方法，而在实际工程中，更多关注的是传感器的技术指标能否符合工程需求，以及能否根据监测对象的具体要求，灵活调节传感器的技术参数，提供最佳的性能指标，如灵敏度、工作频率等。例如，在泥石流地声监测系统中，泥石流地声的显著频率低于200Hz，最小振动的加速度幅度在0.2m/s²左右，属于低频微弱振动信号的范畴，接近传统单光栅悬臂梁式加速度传感器的灵敏度极限。传统的方法是选择确定结构方案后，先对该结构进行理论计算和软件仿真，获取悬臂梁结构的臂长、质量块的大小等参数，再通过精密机械加工出各个零件，进行结构组装。但实际制作过程中，由于光纤光栅应变误差、机械零件的加工误差、结构装配误差等的影响，装配后传感器的参数会偏离设计值，严重时甚至无法使用，需要进行返工维修。但由于光纤光栅极易损伤，且多采用环氧树脂与机械结构粘接，维修拆卸时极容易造成光栅损坏，且传感器多设计成半封闭结构，内部空间狭窄，维修加工和处理非常困难。因此，研究悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作新方法，对提高传感器的性能和合格率非常关键。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，该方法简化了悬臂梁光纤光栅加速度传感器的设计，降低了传感器的制作难度，大幅提高传感器的性能和合格率。

本发明所采用的技术方案是：

一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，该加速度传感器包括基座、弹簧片、质量块、侧盖、光纤光栅；

制作步骤如下：

步骤1：在质量块左右两个侧面的中心位置对称加工有配重孔，在基座和质量块上加工有卡槽，弹簧片的一端与基座的卡槽过盈配合连接，弹簧片的另一端与质量块卡槽过盈配合连接，并通过激光焊接加固；；

步骤2：将带尾纤的光纤光栅从基座的引入孔导入，所述光纤光栅的一端点胶固定在引入孔上，所述光纤光栅的另一端水平牵引到质量块的上沿，然后点胶固定；光纤光栅的尾纤再悬空回绕到质量块的下沿，经基座的引出孔导出并点胶固定，保持回绕尾纤的自由松弛状态；

步骤3：将传感装置放置在振动台上，光纤光栅的尾纤的一端接入解调设备，光纤光栅的尾纤的另一端浸入匹配液，实时监测振动台的输入和光栅反射信号的波长变化，确定传感装置的谐振频率点和灵敏度；

步骤4：当传感装置的谐振频率点低于设计值，通过对质量块侧面的配重孔扩孔，减轻质量块重量，提高谐振点的频率；当传感装置的谐振频率点高于设计值，通过在配重孔点胶来增加质量块的重量，降低谐振频率，提高灵敏度；

步骤5：将传感装置老化后，装配侧盖，点胶密封；

通过上述步骤，完成悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作。

所述步骤3中，固定设置振动台的加速度值，在0Hz到1.5倍的最大允许工作频率范围内，以一定的增量调节振动台激振信号的频率，记录加速度传感器对应的波长偏移量；标定最大波长偏移对应的频率为谐振频率点，波长偏移/加速度的曲线拟合斜率为灵敏度。经典的悬臂梁传感器谐振频率一半高于工作频率1.5～3倍，以降低传感器自身特性对被测量影响。在光纤加速度传感器中，考虑光纤应变幅度较小，可以适当降低加速度传感器的谐振频率！当振动台加速度大小不变，而频率逐步调节时，处于谐振点的激励信号，由于与传感器发生共振，在悬臂梁上产生最大作用力，从而形成最大波长变化，而其它点波长变化相对较小，因此，可以根据该规律来标定传感器的谐振频率点。而其他远离谐振谐振频率点位置上，传感器自身影响较小，光栅波长变化与加速度直接相关，故可作为灵敏度计算的依据。

所述光纤光栅2基于G.657的抗弯光纤刻写，裸光栅区域采用小弹性模量的高分子树脂材料超薄涂覆，涂覆后的直径为135um～140um，栅区长度30mm。考虑光纤粘接和回弯过程中极易导致光功率损耗，采用G.657抗弯光纤刻写光栅，累积插入损耗小于0.3dB，提高了传感器的可复用数量；栅区采用小弹性模量的高分子树脂材料超薄涂覆，既有效避免了水汽的渗透，延长了传感器的使用寿命，又确保了外力有效作用于光栅部分，提升了传感器的灵敏度。

本发明一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，优点在于：

⑴、简化了加速度传感器的设计和加工要求：

悬臂梁结构采用分体组合方式设计，弹簧片和质量块单独加工，避免了一体化设计导致的加工困难；悬臂采用专用的弹性金属材料制作(如65Mn)，用料少，热处理方便，残余应力小；质量块形状规则，有利于通过精密机械加工来控制质量块的重量。

⑵、传感器的灵敏度高，插入损耗小：

通过精确的参数配置，优化传感器的工作频率，大幅提升悬臂梁光栅传感器的灵敏度；考虑光纤粘接和回弯过程中极易导致光功率损耗，采用G.657抗弯光纤刻写光栅，累积插入损耗小于0.3dB；栅区采用小弹性模量的高分子树脂材料超薄涂覆，既有效避免了水汽的渗透，延长了传感器的使用寿命，又确保了外力有效作用于光栅部分，提升了传感器的灵敏度。

⑶、操作方法简单灵活，实用性强：

在实际制作过程中，由于光纤光栅应变误差、机械零件的加工误差、结构装配误差等的影响，传感器的关键技术指标会偏离设计值。

传统的光纤光栅悬臂梁加速度传感器在优化技术指标时，往往需要加工多个不同规格的质量块，采用逐一替换的方法装配成加速度传感器后，再逐一进行测试，制作周期长，合格率低。而对于不合格的传感器，由于环氧树脂固化后剥离困难，且传感器空间狭小，返工维修废品率高。

而本发明通过在质量块上设计专用的配重孔，通过简单机械加工或注胶进行配重，可改变加速度传感器的灵敏度和频率范围，为灵活调节传感器的技术指标提供了方便。

附图说明

图1为本发明中悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的结构示意图。

图2为本发明中悬臂梁式光纤光栅加速度传感器等效原理图。

图3为本发明实施例中泥石流地声监测的加速度传感器的频率特性图。

图中：1-基座，2-传感光栅，3-弹簧片，4-质量块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：

本实施例所述的悬臂梁式光纤光栅加速度传感器，用于泥石流地声监测。泥石流地声是指泥石流爆发时，其携带大量泥、砂、砾石和水在运动过程中发生的碰撞与摩擦会造成地表振动。研究表明，泥石流地声的显著频率在10～200Hz，典型强度在0.2m/s²左右，与火山爆发、地震等现象产生的地表振动信号有着明显的区别。通过对泥石流地声进行监测，在泥石流发生初期及时告警，可以有效避免或减轻泥石流灾害所造成人员和财产损失。光纤光栅传感器具有无源、抗干扰、复用能力强等特点，在地声监测中具有明显优势，成为近年来研究的热点。本实施例设计的光栅加速度传感器应用于泥石流地声监测，包括基座1、弹簧片3、质量块4、侧盖和光纤光栅2。其中，基座1、弹簧片3、质量块4通过机械配合连接和激光焊接后，构成悬臂梁结构；光纤光栅2与基座和质量块4之间直接采用环氧树脂点胶固定。传感器的结构示意图如图1所示，理论模型如图2所示。

弹簧片3的采用弹簧钢制作，厚度0.2mm；基座和质量块4上卡槽的开口大小为0.2mm，其中，弹簧片3与基座和质量块4采用过盈配合连接，再通过激光焊接加固。

侧盖采用不锈钢制作，与基座1侧面采用间隙配合设计，侧盖和基座1装配后，沿缝隙点环氧树脂胶密封。

本发明所述的一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器，制作方法包括如下步骤：

⑴、在质量块4的左右两个侧面的中心位置，对称加工有配重孔，配重孔的直径φ1.5mm，深度1mm，在基座和质量块4上加工有卡槽。弹簧片3的一端与基座的卡槽过盈配合连接，弹簧片3的另一端与质量块4的卡槽过盈配合连接，采用激光对连接部位加固焊接后，构成悬臂梁结构。

⑵、将带尾纤的光纤光栅2从基座的引入孔导入，光纤光栅2的一端点胶固定在引入孔上，光纤光栅2的另一端水平牵引到质量块4的上沿并保持50N预张力，然后点胶固定，尾纤再悬空回绕到质量块4的下沿，经基座的引出孔导出，在点胶固定，保持回绕尾纤的自由松弛状态。

⑶、将传感装置放置在振动台上，尾纤的一端接入解调设备，解调设备为CCD快速波长解调仪，另一端侵入匹配液：无水酒精，实时监测振动台的输入和光栅反射信号的波长变化，确定传感装置的谐振频率点和灵敏度。

固定设置振动台的加速度值，在10Hz到400Hz的范围内，以10Hz的增量调节振动台激振信号的频率，记录加速度传感器对应的波长偏移量。标定最大波长偏移对应的频率为谐振频率点，如图3中的310Hz，波长偏移/加速度的曲线拟合斜率为灵敏度。

⑷、当传感器的谐振频率点低于设计值，通过对质量块4侧面的配重孔扩孔，减轻质量块4重量，提高谐振点的频率。

⑸、当传感器的谐振频率点高于设计值，通过在配重孔点胶来增加质量块4的重量，降低悬臂梁加速度传感器的谐振频率，提高传感器的灵敏度。

⑹将传感器老化后，装配侧盖，点胶密封。

本发明所涉及的光纤光栅基于G.657的抗弯光纤刻写，裸光栅区域采用小弹性模量的高分子树脂材料超薄涂覆，涂覆后的直径为135um～140um，栅区长度30mm。由于光栅涂覆层减薄，且对应变的抵抗力小，单位应变力作用下，光纤的应变提升近2倍，光纤光栅加速度传感器的灵敏度提升2倍左右。

光栅加速度传感器的优化原理如下：

分析图2中光纤光栅加速度传感器的理论模型可知，当基座受外界振动信号作用向上运动时，质量块4受激振力F_a的作用，使弹片产生变形，同时受光纤的拉力F_f作用。则质量块4的受力可以简化为垂直向上的力F_a和顺时针旋转力矩M＝F_f*d的共同作用，其中d为光纤粘接点与弹片焊接点之间的距离。

根据材料力学中等截面悬臂梁弯曲变形的分析，弹片近似变形扰度ω为：

其中，l为弹片的有效长度；E为弹性模量；I为惯性矩。

当质量块4到达偏离水平的最远位置，且光纤长度远大于悬臂梁长度及质量块4厚度时，光纤的拉伸量ΔL可以表示为：

其中，L为光纤的原始长度。由材料力学可知，在弹性变形范围内，光纤上的轴向受力可用如下公式表示：

其中，A为光纤的有效截面积，σ为轴向应变，E_f为轴向弹性模量。

联立(1)～(3)，带入光栅波长偏移与应变的关系Δλ_B＝(1-P_ε)λ_Bε，可得到传感器的灵敏度S为：

其中，P_ε为轴向泊松参数，λ_B为光栅的布拉格波长，m为质量块的质量，d为质量块高度的一半。

式(4)可以看出，在传感器的结构参数确定后，加速度的大小与FBG的波长变化量有严格的线性关系。

根据悬臂梁加速度传感器的理论分析可知，传感器的一阶谐振频率为：

综合分析(4)、(5)式可知，对于这种特定结构的光纤加速度传感器，质量块大小与传感器的灵敏度成正比，与固有频率的平方成反比；弹性体的长度与灵敏度成近似的正比，和固有频率平方根成反比。通过调节弹性体的长度和质量块的大小，可以优化设计加速度传感器的灵敏度和固有频率。

泥石流地声的显著频率低于200Hz，强度约0.2m/s²，这对光纤光栅传感器提出了很高的要求。为了获得较高的灵敏度，传统的方法是提高波长解调仪的解调精度，即提高光纤光栅解调设备的波长分辨率，这会导致解调设备成本的大幅度攀升，降低解调的实时性。目前，采用CCD解调的方案，波长分辨率1pm，折算成加速度传感器的灵敏度为最低20pm/g。为了确保对地声信号的有效监测，工程设计中传感器的灵敏度要高于200pm/g，谐振频率点不低于300Hz即可。通过机械设计和仿真分析后，设计出加速度传感器的零件理论尺寸，再加工试样。但实际加工制作时，由于光纤光栅应变误差、机械零件的加工误差、结构装配误差等的影响，装配后传感器的谐振频率点会偏离设计值，即频率或者灵敏度不能满足传感器的设计指标要求，造成产品不达标或者报废。

基于本发明的制作方法，将传感器进行组装后，在振动台上进行校准，如果传感器的谐振频率是1200Hz，而灵敏度是150pm/g，即传感器的灵敏度低于设计指标的下限时，应该提高传感器的灵敏度，优化传感器的工作频率范围。具体而言，通过在质量块4的配重孔中适量点胶，增加质量块4的重量。按照公式(5)的描述，随着质量块4重量的增加，传感器的谐振频率会快速下降。因此，在点胶配重时，需要实时监控传感器的谐振频率。当传感器的谐振频率降低到310Hz附近，停止点胶增重，对配重孔的胶进行固化，稳定质量块的重量。再对传感器的灵敏度进行标定，实测传感器的灵敏度在300pm/g，与理论预期基本一致。在批量生产加速度传感器时，为了简化操作，可将质量块的尺寸按照下公差加工，确保质量块的重量小于或等于设计值，使装配后的传感器谐振略高于设计频率，再采取点胶的方式增加配重来调校频率，提高灵敏度，从而避免通过机械加工减重的方法来优化传感器。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，其特征在于：

该加速度传感器包括基座(1)、弹簧片(3)、质量块(4)、侧盖、光纤光栅(2)；

制作步骤如下：

步骤1：在质量块(4)左右两个侧面的中心位置对称加工有配重孔，在基座和质量块(4)上加工有卡槽，弹簧片(3)的一端与基座的卡槽过盈配合连接，弹簧片(3)的另一端与质量块(4)卡槽过盈配合连接，并通过激光焊接加固；

步骤2：将带尾纤的光纤光栅(2)从基座的引入孔导入，所述光纤光栅(2)的一端点胶固定在引入孔上，所述光纤光栅(2)的另一端水平牵引到质量块(4)的上沿，保持一定的拉力，然后点胶固定；

光纤光栅(2)的尾纤再悬空回绕到质量块(4)的下沿，经基座的引出孔导出并点胶固定，保持回绕尾纤的自由松弛状态；

步骤3：将传感装置放置在振动台上，光纤光栅(2)的尾纤一端接入解调设备，光纤光栅(2)的尾纤的另一端浸入匹配液，实时监测振动台的输入和光栅反射信号的波长变化，确定传感装置的谐振频率点和灵敏度；

步骤4：当传感装置的谐振频率点低于设计值，通过对质量块(4)侧面的配重孔扩孔，减轻质量块(4)重量，提高谐振点的频率；当传感装置的谐振频率点高于设计值，通过在配重孔点胶来增加质量块(4)的重量，降低谐振频率，提高灵敏度；

步骤5：将传感装置老化后，装配侧盖，点胶密封；

通过上述步骤，完成悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作。

2.根据权利要求1所述一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤1中，基座、弹簧片(3)、质量块(4)通过机械配合连接和激光焊接后，构成悬臂梁结构。

3.根据权利要求1所述一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤2中，所述光纤光栅(2)的另一端水平牵引到质量块(4)的上沿并保持50N预张力。

4.根据权利要求1所述一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤3中，固定设置振动台的加速度值，在0Hz到1.5倍的最大允许工作频率范围内，以一定的增量调节振动台激振信号的频率，记录传感装置对应的波长偏移量；标定最大波长偏移对应的频率为谐振频率点，波长偏移/加速度的曲线拟合斜率为灵敏度。

5.根据权利要求1所述一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，其特征在于：所述光纤光栅(2)基于G.657的抗弯光纤刻写，裸光栅区域采用小弹性模量的高分子树脂材料超薄涂覆，涂覆后的直径为135um～140um，栅区长度30mm。

6.根据权利要求1所述一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，其特征在于：所述弹簧片(3)的采用弹簧钢制作，厚度0.2mm。

7.根据权利要求1所述一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，其特征在于：所述基座、质量块(4)上卡槽的开口大小为0.2mm。

8.根据权利要求1所述一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，其特征在于：在批量生产加速度传感器时，将质量块(4)的尺寸按照下公差加工，确保质量块(4)的重量小于或等于设计值，使装配后的传感装置谐振频率略高于设计频率，再采取点胶的方式增加配重来调校频率。

9.如权利要求1～8所述任意一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，其特征在于：该方法制得的光栅加速度传感器应用于泥石流地声监测。