CN107144705B - 一种光纤光栅加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤光栅加速度计，属于光纤传感器技术领域。该光纤光栅加速度计包括：壳体和置于所述壳体内的悬臂梁、质量块、第一基座、第一支撑柱、第二支撑柱和光纤光栅；所述第一基座与所述悬臂梁连接，用于固定悬臂梁和质量块；所述第一支撑柱与所述悬臂梁连接；所述第二支撑柱与所述第一基座连接；所述悬臂梁还与所述质量块连接，所述悬臂梁的端面开设有中空孔，所述中空孔从所述悬臂梁的一端延伸至所述悬臂梁的另一端；所述光纤光栅用于测量振动激励的加速度，其两端平行于所述悬臂梁表面延伸至所述光纤光栅加速度计的壳体外部。该光纤光栅加速度计结构简单，一致性好，可靠性高，可满足低频微弱振动信号的探测需求。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种光纤光栅加速度计。
背景技术
当今各行各业对振动检测都有着巨大需求，如机械系统的运行监测，复合材料的结构性能检测，桥梁、大坝的安全监测，油、气田、煤炭和各种矿藏的开采勘探，岩石、岩土结构的振动监测等。与传统的电子类振动传感器相比，光纤Bragg光栅(FBG)振动传感器在工作过程中无需电源驱动，适宜在易燃易爆的场合中使用(比如油、气井)，安全可靠；FBG具有良好的化学稳定性，可在各种腐蚀环境中正常工作；FBG振动传感过程中的光波频率比电磁波高很多，具有良好的抗电磁干扰特性；使用光纤传输信号，损耗小，可实现远距离控制测试；利用波分复用(DWDM)、时分复用(OTDM)等技术实现多点分布式测量。这些优势使得FBG振动传感器具有巨大的应用潜能和推广价值。
低频高灵敏度振动传感器在工程应用中有广泛需求，但随着传感器可测振动信号频率的降低，以及灵敏度的提高。如何抑制传感器的正交误差，提高传感器的可靠性，成为不容忽视的问题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种光纤光栅加速度计，以有效地改善上述问题。
本发明的实施例是这样实现的：
本发明实施例提供了一种光纤光栅加速度计，包括：壳体和置于所述壳体内的悬臂梁、质量块、第一基座、第一支撑柱、第二支撑柱和光纤光栅。所述第一基座与所述悬臂梁连接，用于固定悬臂梁和质量块。所述第一支撑柱与所述悬臂梁连接，用于固定所述光纤光栅。所述第二支撑柱与所述第一基座连接，用于固定所述光纤光栅。所述悬臂梁还与所述质量块连接，所述悬臂梁的端面开设有中空孔，所述中空孔从所述悬臂梁的一端延伸至所述悬臂梁的另一端。所述光纤光栅用于测量加速度，其两端平行于所述悬臂梁表面延伸至所述光纤光栅加速度计的壳体外部。
在本发明较佳的实施例中，所述质量块包括：第一凸起端，所述质量块通过所述第一凸起端与所述悬臂梁连接。
在本发明较佳的实施例中，所述光纤光栅加速度计还包括：第二基座，所述第二基座与所述第一基座相对设置于所述质量块的两侧，所述质量块包括：第二凸起端，所述第二基座用于限制所述第二凸起端的位移，以限制所述质量块的偏移量。
在本发明较佳的实施例中，所述第二基座包括：限位孔，所述限位孔的尺寸大于所述第二凸起端的尺寸，所述第二凸起端置于所述限位孔内。
在本发明较佳的实施例中，所述第二基座包括：第一限位部和第二限位部，所述第一限位部和所述第二限位部间隔相对设置，所述第二凸起端置于所述第一限位部和所述第二限位部之间。
在本发明较佳的实施例中，所述第二基座还包括：第一限位钉和第二限位钉，所述第一限位钉设置于所述第一限位部上，所述第二限位钉设置于所述第二限位部上。
在本发明较佳的实施例中，所述第一限位部和所述第二限位部相匹配。
在本发明较佳的实施例中，所述第一支撑柱和所述第二支撑柱相匹配。
在本发明较佳的实施例中，所述光纤光栅的光栅位于所述第一支撑柱与所述第二支撑柱之间。
在本发明较佳的实施例中，光纤光栅加速度计还包括：第一出纤穿越保护部和第二出纤穿越保护部，所述第一出纤穿越保护部和所述第二出纤穿越保护部相对设置于所述壳体的两侧，所述光纤光栅的一端经所述第一出纤穿越保护部引出至所述壳体的外部，所述光纤光栅的另一端经所述第二出纤穿越保护部引出至所述壳体的外部。
本发明实施例提供的光纤光栅加速度计，与现有技术相比，该光纤光栅加速度计由于采用了中空结构的悬臂梁13(即，悬臂梁的端面开设有中空孔，该中空孔从悬臂梁的一端延伸至悬臂梁的另一端)，使得该悬臂梁13可以等效于由两个单悬臂梁并联而成的双悬臂梁，大大降低该光纤光栅加速度计的正交耦合误差；同时该中空结构的悬臂梁13又解决了采用双悬臂梁而引发的结构复杂、可靠性差的问题，进一步简化了该光纤光栅加速度计的结构，以及提高了其可靠性。此外，该光纤光栅加速度计结构简单，一致性好，可靠性高，可满足低频微弱振动信号的探测需求。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1示出了本发明第一实施例提供的一种光纤光栅加速度计的结构示意图。
图2示出了本发明第一实施例提供的图1中的悬臂梁的结构示意图。
图3示出了本发明第一实施例提供的图1中的质量块的结构示意图。
图4示出了本发明第二实施例提供的一种光纤光栅加速度计的结构示意图。
图5示出了本发明第二实施例提供的图4中的第二基座的结构示意图。
图标：10A－光纤光栅加速度计；10B－光纤光栅加速度计；11－壳体；12－第一基座；13－悬臂梁；131－中空孔；14－质量块；141－第一凸起端；142－第二凸起端；15－第一支撑柱；16－光纤光栅；17－第二基座；171－第一限位部；172－第二限位部；173－第一限位钉；174－第二限位钉；18－第二支撑柱；19－第一出纤穿越保护部；20－第二出纤穿越保护部。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供了一种光纤光栅加速度计10A，如图1所示。该光纤光栅加速度计10A包括：壳体11和置于所述壳体11内的悬臂梁13、质量块14、第一基座12、第一支撑柱15、第二支撑柱18和光纤光栅16。
所述壳体11用作该光纤光栅加速度计10A的支撑结构，用于固定第一基座12和悬臂梁13。所述壳体11的形状可以有多种，例如，可以是呈“U”字型，也可以是长方形，还可以是梯形等形状，于本实施例中，优选地，所述壳体11的形状可以是长方形。本实施例中，优选地，该壳体11可以由热膨胀系数较小的材料制成。
所述第一基座12安装于所述壳体11上，其与悬臂梁13和第二支撑柱18连接，用于固定悬臂梁13和质量块14。优选地，该第一基座12的一端安装于所述壳体11上，另一端与悬臂梁13连接。其中，所述第一基座12的形状可以有多种，例如，可以是圆柱体形，可以是长方体形，还可以是多棱柱形等，于本实施例中，优选地，该第一基座12的形状可以是长方体形。
其中，第一基座12与壳体11的连接方式可以有多种，例如，可以是通过螺钉、螺杆和螺母等中间件连接，也可以是通过粘合、焊接等方式连接，还可以是通过凹槽与凸块等组合方式连接，亦或者一体成型等。
其中，第一基座12与悬臂梁13的连接方式可以有多种，例如，可以是通过螺钉、螺杆和螺母等中间件连接，也可以是通过粘合、焊接等方式连接，还可以是通过凹槽与凸块等组合方式连接等。于本实施例中，优选地，该悬臂梁13安装于第一基座12另一端的侧面处。
所述悬臂梁13还与所述质量块14连接，用作弹性元件。优选地，该悬臂梁13的一端固定于第一基座12上，另一端与第一支撑柱15和质量块14连接，用于抑制该光纤光栅加速度计10A的正交误差。所述悬臂梁13的形状可以有多种，例如，长方体、圆柱体、多棱柱体等形状，本实施例中，所述悬臂梁13的形状可以为长方体形。优选地，该悬臂梁13由弹性材质制成，以提高该光纤光栅加速度计10A的灵敏度。进一步优选地，如图2所示，该悬臂梁13的端面开设有中空孔131，所述中空孔131从所述悬臂梁13的一端延伸至所述悬臂梁13的另一端，以使该悬臂梁13呈中空结构。
其中，所述中心孔的形状可以有多种，例如，可以是圆形，也可以是长方形，还可以三角形等，于本实施例中，优选地，该中心孔的形状为长方形。该中心孔使得该悬臂梁13可以等效于由四个侧臂构成。假设这四个侧臂分别为前侧臂、后侧臂、上侧臂和下侧臂。安装时，优选地，该第一支撑柱15安装于该后侧臂上，质量块14安装于该前侧臂上。则上侧臂和下侧臂可以等效于由两个单悬臂梁并联而成的双悬臂梁。假设单悬臂梁的正交耦合刚度为kXZ，根据梁刚度耦合串并联理论，双悬臂梁的正交耦合刚度为2kXZ，为单悬臂梁正交耦合刚度的2倍，故双悬臂梁可大大降低该光纤光栅加速度计10A的正交耦合误差。即该中空结构的悬臂梁13可大大降低该光纤光栅加速度计10A的正交耦合误差。
所述质量块14与所述悬臂梁13连接，用于调整光纤光栅加速度计10A的灵敏度和自振频率。本实施例中，优选地，所述质量块14的形状可以是长方体形。该质量块14与悬臂梁13连接，优选地，如图3所示，该质量块14包括：第一凸起端141，该第一凸起端141与悬臂梁13连接。该第一凸起端141与悬臂梁13的连接方式可以有多种，例如，可以是通过螺钉、螺杆和螺母等中间件连接，也可以是通过粘合、焊接等方式连接。本实施例中，优选地，该第一凸起端141与悬臂梁13通过中间件连接，即第一凸起端141与质量块14通过中间件连接。
其中，该第一凸起端141的形状可以有多种，于本实施例中，优选地，该第一凸起端141的形状为长方形。
所述第一支撑柱15与所述悬臂梁13连接，用于固定所述光纤光栅16。该第一支撑柱15与悬臂梁13的连接方式可以有多种，例如，可以是通过螺钉、螺杆和螺母等中间件连接，也可以是通过粘合、焊接等方式连接，还可以是一体成型等。例如，当第一支撑柱15与悬臂梁13为一体成型时，此时该悬臂梁13呈“L”状。本实施例中，优选地，该第一支撑柱15与悬臂梁13通过中间件连接。所述第一支撑柱15的形状可以有多种，例如，本实施例中，该第一支撑柱15的形状可以是长方体形。当所述光纤光栅加速度计10A受到振动激励时，该第一支撑柱15用于将质量块14在激励加速度方向上起振而产生的位移传递给光纤光栅16。
所述光纤光栅16用于测量加速度，其两端平行于所述悬臂梁13表面延伸至所述光纤光栅加速度计10A的壳体11外部。优选地，该光纤光栅16的中间部位与第一支撑柱15连接，在第一支撑柱15的作用下，以使该光纤光栅16远离该悬臂梁13的表面，即与悬臂梁13之间存在间隙。该光纤光栅16的两端平行于所述悬臂梁13表面延伸至所述光纤光栅加速度计10A的壳体11外部。优选地，该壳体11上设置有于该光纤光栅16的尺寸相匹配的通孔，以使该光纤光栅16的两端穿过该通孔延伸至所述光纤光栅加速度计10A的壳体11外部。
所述第二支撑柱18与所述第一支撑柱15共同用于固定所述光纤光栅16。优选地，该第二支撑柱18与所述第一基座12连接。该第二支撑柱18与第一基座12的连接方式可以有多种，例如，可以是通过螺钉、螺杆和螺母等中间件连接，也可以是通过粘合、焊接等方式连接，还可以是一体成型等。本实施例中，优选地，该二支撑柱与第一基座12通过中间件连接。所述第二支撑柱18的形状可以有多种，例如，本实施例中，该第二支撑柱18的形状可以是长方体形。
其中，当第二支撑柱18与第一支撑柱15共同用于固定所述光纤光栅16时，其光纤光栅16的光栅位于所述第一支撑柱15与所述第二支撑柱18之间。其中，第一支撑柱15的形状尺寸与第二支撑柱18的形状尺寸可以相同，也可以不同，例如，第一支撑柱15的形状与第二支撑柱18的形状相同，但是其尺寸不同，也可以是第一支撑柱15的形状与第二支撑柱18的形状相同，且两者的尺寸也相同。本实施例中，优选地，所述第一支撑柱15和所述第二支撑柱18相匹配，即第一支撑柱15的形状与第二支撑柱18的形状相同，且两者的尺寸也相同。
作为另一种实施方式，优选地，如图4所示，该光纤光栅加速度计10B还包括：第二基座17、第一出纤穿越保护部19和第二出纤穿越保护部20。
为了提高该光纤光栅加速度计10B的抗冲击性能，于本实施例中，该光纤光栅加速度计10B还包括：第二基座17。
尽管通过机械增敏可以大幅提高该光纤光栅加速度计10B的灵敏度，但由于光纤本身非常脆弱，随着灵敏度的提高，该光纤光栅加速度计10B在受到碰撞或跌落等大幅度冲击时，极易损坏，因此，通过限制质量块14的振幅幅度，可以提高该光纤光栅加速度计10B的抗冲击性能。所述第二基座17与所述第一基座12相对设置于所述质量块14的两侧，用于限制质量块14的偏移量，以限制其振幅幅度。于本实施中，优选地，如图3所示，该质量块14还包括：第二凸起端142。所述第二基座17用于限制所述第二凸起端142的位移，以限制所述质量块14的偏移量。
其中，该第二凸起端142的形状可以有多种，于本实施例中，优选地，该第二凸起端142的形状为长方形。优选地，该第二凸起端142与第一凸起端141相对，即两者的连线与悬臂梁13平行，为一条水平的平行线。
其中，作为一种实施方式，优选地，该第二基座17包括：限位孔。所述限位孔的尺寸大于所述第二凸起端142的尺寸，所述第二凸起端142置于所述限位孔内，这样以保证该第二凸起端142可以在该限位孔内偏移，同时又限制了其偏移的位移。其中，所述限位孔的形状可以有多种，例如，可以是圆形，也可以是长方形等。
其中，作为另一种实施方式，如图5所示，该第二基座17包括：第一限位部171和第二限位部172。所述第一限位部171和所述第二限位部172间隔相对设置，所述第二凸起端142置于所述第一限位部171和所述第二限位部172之间。这样以保证该第二凸起端142可以在该第一限位部171和所述第二限位部172之间活动，同时又限制了其偏移的位移。其中，该第一限位部171的形状可以有多种，于本实施例中，优选地，该第一限位部171的形状可以为长方体形。其中，该第二限位部172的形状可以有多种，于本实施例中，优选地，该第二限位部172的形状可以为长方体形。
其中，第一限位部171的形状尺寸与第二限位部172的形状尺寸可以相同，也可以不同，例如，第一限位部171的形状与第二限位部172的形状相同，但是其尺寸不同，也可以是第一限位部171的形状与第二限位部172的形状相同，且两者的尺寸也相同。本实施例中，优选地，第一限位部171与第二限位部172相匹配，即第一限位部171的形状与第二限位部172的形状相同，且两者的尺寸也相同。其中，为了进一步限制其第二凸起端142的偏移量，优选地，该第二基座17还包括：第一限位钉173和第二限位钉174。其中，所述第一限位钉173设置于所述第一限位部171上，所述第二限位钉174设置于所述第二限位部172上。
其中，第一限位钉173的形状尺寸与第二限位钉174的形状尺寸可以相同，也可以不同，例如，第一限位钉173的形状与第二限位钉174的形状相同，但是其尺寸不同，也可以是第一限位钉173的形状与第二限位钉174的形状相同，且两者的尺寸也相同。本实施例中，优选地，第一限位钉173与第二限位钉174相匹配，即第一限位钉173的形状与第二限位钉174的形状相同，且两者的尺寸也相同。为了防止光纤光栅16弯折损坏，影响甚至破坏其性能，于本实施例中，优选地，光纤光栅加速度计10B还包括：第一出纤穿越保护部19和第二出纤穿越保护部20。
所述第一出纤穿越保护部19和所述第二出纤穿越保护部20相对设置于所述壳体11的两侧，所述光纤光栅16的一端经所述第一出纤穿越保护部19引出至所述壳体11的外部，所述光纤光栅16的另一端经所述第二出纤穿越保护部20引出至所述壳体11的外部。其中，优选地，所述第一出纤穿越保护部19与第二出纤穿越保护部20相同，为了避免累赘，只对第一出纤穿越保护部19进行详细介绍，第二出纤穿越保护部20的结构或者其原理请参阅对第一出纤穿越保护部19的结构或者其原理的介绍。
其中，优选地，该第一出纤穿越保护部19采用三段式结构，分别为穿越座、光缆固定结构和光缆抗弯折线圈。穿越座与壳体11通过螺纹固定，穿越座中空，供光缆穿越。光缆固定结构与穿越座通过螺纹连接，光缆固定结构内部有弹性光缆卡死机构，将光缆外皮固定，起到保护光缆内部光纤的作用。光缆抗弯折线圈与光缆固定结构通过螺纹连接，防止光缆弯折损坏。
综上所述，本发明实施例提供的光纤光栅加速度计，与现有技术相比，该光纤光栅加速度计由于采用了中空结构的悬臂梁13(即，悬臂梁的端面开设有中空孔，该中空孔从悬臂梁的一端延伸至悬臂梁的另一端)，使得该悬臂梁13可以等效于由两个单悬臂梁并联而成的双悬臂梁，大大降低该光纤光栅加速度计的正交耦合误差；同时该中空结构的悬臂梁13又解决了采用双悬臂梁而引发的结构复杂、可靠性差的问题，进一步简化了该光纤光栅加速度计的结构，以及提高了其可靠性。加之，通过采用第二基座来限制质量块的振幅幅度可以提高该光纤光栅加速度计的抗冲击性能，以提高该光纤光栅加速度计的可靠性，以及延长其使用寿命。此外，还采用了第一出纤穿越保护部和所述第二出纤穿越保护部来防止光纤光栅弯折损坏，影响甚至破坏其性能。该光纤光栅加速度计结构简单，一致性好，可靠性高，抗冲击能力强，可满足低频微弱振动信号的探测需求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)
1.一种光纤光栅加速度计，其特征在于，包括：壳体和置于所述壳体内的悬臂梁、质量块、第一基座、第一支撑柱、第二支撑柱和光纤光栅；
所述第一基座与所述悬臂梁连接，用于固定悬臂梁和质量块；
所述第一支撑柱与所述悬臂梁连接，用于固定所述光纤光栅；
所述第二支撑柱与所述第一基座连接，用于固定所述光纤光栅；
所述悬臂梁还与所述质量块连接，所述悬臂梁的端面开设有中空孔，所述中空孔从所述悬臂梁的一端延伸至所述悬臂梁的另一端；
所述光纤光栅用于测量振动激励的加速度，其两端平行于所述悬臂梁表面延伸至所述光纤光栅加速度计的壳体外部；
其中，所述光纤光栅的光栅位于所述第一支撑柱与所述第二支撑柱之间，所述第一支撑柱和所述第二支撑柱相匹配。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅加速度计，其特征在于，所述质量块包括：第一凸起端，所述质量块通过所述第一凸起端与所述悬臂梁连接。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅加速度计，其特征在于，所述光纤光栅加速度计还包括：第二基座，所述第二基座与所述第一基座相对设置于所述质量块的两侧，所述质量块包括：第二凸起端，所述第二基座用于限制所述第二凸起端的位移，以限制所述质量块的偏移量。
4.根据权利要求3所述的光纤光栅加速度计，其特征在于，所述第二基座包括：限位孔，所述限位孔的尺寸大于所述第二凸起端的尺寸，所述第二凸起端置于所述限位孔内。
5.根据权利要求3所述的光纤光栅加速度计，其特征在于，所述第二基座包括：第一限位部和第二限位部，所述第一限位部和所述第二限位部间隔相对设置，所述第二凸起端置于所述第一限位部和所述第二限位部之间。
6.根据权利要求5所述的光纤光栅加速度计，其特征在于，所述第二基座还包括：第一限位钉和第二限位钉，所述第一限位钉设置于所述第一限位部上，所述第二限位钉设置于所述第二限位部上。
7.根据权利要求5所述的光纤光栅加速度计，其特征在于，所述第一限位部和所述第二限位部相匹配。
8.根据权利要求1所述的光纤光栅加速度计，其特征在于，光纤光栅加速度计还包括：第一出纤穿越保护部和第二出纤穿越保护部，所述第一出纤穿越保护部和所述第二出纤穿越保护部相对设置于所述壳体的两侧，所述光纤光栅的一端经所述第一出纤穿越保护部引出至所述壳体的外部，所述光纤光栅的另一端经所述第二出纤穿越保护部引出至所述壳体的外部。
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