CN107192441B - 剖分式等强度梁光纤光栅加速度传感器 - Google Patents

剖分式等强度梁光纤光栅加速度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及振动测试领域，尤其是一种剖分式等强度梁光纤光栅加速度传感器。包括基座、质量块、光纤光栅和剖分式等强度梁，还包括增敏部，增敏部包括沿竖直方向设置的两个平行的增敏板，两增敏板包括增敏板Ⅰ和增敏板Ⅱ，增敏板Ⅰ与质量块固定连接，增敏板Ⅱ与基座固定连接，剖分式等强度梁设置在两增敏板之间，剖分式等强度梁的一端与增敏板Ⅰ固定连接，剖分式等强度梁的另一端与增敏板Ⅱ固定连接，竖直方向上增敏板的厚度大于等强度梁的厚度；所述剖分式等强度包括两根对称梁，两对称梁之间存在距离且呈对称设置；所述增敏板Ⅰ和增敏板Ⅱ之间设有光纤光栅，光纤光栅的两端分别与增敏板Ⅰ和增敏板Ⅱ固定连接。该传感器灵敏度高，抗扭刚度大，横向效应小。

Description

剖分式等强度梁光纤光栅加速度传感器
技术领域
本发明涉及振动测试领域，尤其是一种剖分式等强度梁光纤光栅加速度传感器。
背景技术
振动问题广泛存在于生活和生产当中，建筑物、机器等在内界或者外界的激励下就会产生振动。而机械振动常常会破坏机械的正常工作，甚至会降低机械的使用寿命并对机器造成不可逆的损坏。多数的机械振动是有害的。随着现代工业和现代科学技术的发展，对各种仪器设备提出了低振级和低噪声的要求，以及对主要生产过程或重要设备进行监测、诊断，对工作环境进行控制等等。因而对振动的研究不仅有利于改善生活环境和生活水平，也有助于提高机械设备的使用寿命，提高生产效率。正因如此振动测试在生产和科研等多方面都有着十分重要的地位。为了控制振动，将振动给人们带来的危害降至最低，需要了解振动的特性和规律，对振动进行测试和研究。
加速度传感器因灵敏度高、测量频带宽、测试量程大等优点在振动测试领域被广泛应用。常用的加速度传感器主要包括：悬臂梁即弹性元件、质量块、敏感元件。悬臂梁的主要作用是连接质量块和基体，将外部振动通过敏感元件转变为特征参数的变化量。悬臂梁刚度的大小决定了结构的量程和固有频率。
加速度的测量具有方向性，在实际应用时容易受到其它方向分量的干扰，尽可能降低横向及扭转干扰是实际应用中必须解决的问题。常用的加速度传感器弹性元件为单个悬臂梁，其在非测量方向的抗扭能力差，横向效应较大，对测量结果带来不利影响。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种剖分式等强度梁光纤光栅加速度传感器，该传感器灵敏度高，抗扭刚度大，横向效应小。
本发明的技术方案是：一种剖分式等强度梁光纤光栅加速度传感器，包括基座、质量块、光纤光栅和剖分式等强度梁，还包括增敏部，增敏部包括沿竖直方向设置的两个平行的增敏板，两增敏板包括增敏板Ⅰ和增敏板Ⅱ，增敏板Ⅰ与质量块固定连接，增敏板Ⅱ与基座固定连接，剖分式等强度梁设置在两增敏板之间，剖分式等强度梁的一端与增敏板Ⅰ固定连接，剖分式等强度梁的另一端与增敏板Ⅱ固定连接，竖直方向上增敏板的厚度大于等强度梁的厚度；
所述剖分式等强度包括两根对称梁，两对称梁之间存在距离且呈对称设置；
所述增敏板Ⅰ和增敏板Ⅱ之间设有光纤光栅，光纤光栅的两端分别与增敏板Ⅰ和增敏板Ⅱ固定连接。
本发明中，所述剖分式等强度梁的设置方法如下所述：
(1)将一根等强度梁沿中心线剖分为两根大小相同的对称梁；
(2)将两根对称梁分开一定的距离，并对称固定在两增敏板之间。
所述光纤光栅位于两对称梁之间。
所述增敏板的上表面可以位于对称梁的上表面的上方，增敏板的下表面也可以位于对称梁的下表面的下方。此时在增敏板的单侧设置光纤光栅，即两增敏板之间固定连接有一根光纤光栅。
另外，所述增敏板的上表面位于对称梁的上表面的上方，同时增敏板的下表面位于对称梁的下表面的下方。此时可以在增敏板的单侧设置光纤光栅，即两增敏板之间固定连接有一根光纤光栅；也可以在增敏板的上下两侧同时设置光纤光栅，即两增敏板之间固定连接有两根光纤光栅。
本发明的有益效果：
(1)通过设置增敏板Ⅰ和增敏板Ⅱ，根据梁的平截面假设，离中性层距离越大，应变越大，因此光纤光栅传感器测取的应变值大于等强度梁表面的应变，因此该增敏部将剖分式等强度梁的应变进行放大，增加了传感器的灵敏度；
(2)由于在相同位置处，剖分前的一根等强度梁和剖分后的两根对称梁在测试方向的剖面模数相等，因此在相同载荷作用下两根对称梁产生的垂向变形与剖分前一致，但由于两根对称梁之间存在一定的距离，因此两根对称梁的横向剖面模数大于剖分前等强度梁的剖面模数、两根对称梁的抗扭刚度大于剖分前等强度梁的抗扭刚度；
(3)光纤光栅设置在两对称梁之间的间隙内，便于光纤光栅的安装；
(4)当光纤光栅呈上、下布置时，可以使该加速传感器的灵敏度提高一倍。
综上所述，该加速度传感器灵敏度高，抗扭刚度大，横向效应小。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1基座；2增敏部；3质量块；4光纤光栅；5剖分式等强度梁。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
如图1所示，本发明所述的剖分式等强度梁光纤光栅加速度传感器包括基座1、增敏部2、质量块3、光纤光栅4和剖分式等强度梁5，增敏部2包括两个竖直方向平行的增敏板，两增敏板包括增敏板Ⅰ和增敏板Ⅱ，增敏板Ⅰ与质量块3固定连接，增敏板Ⅱ与基座1固定连接。剖分式等强度梁5设置在两增敏板之间，剖分式等强度梁5的一端与增敏板Ⅰ固定连接，剖分式等强度梁5的另一端与增敏板Ⅱ固定连接。
本发明中的等强度梁是将现有的单根等强度梁沿中心线剖分成两个大小相同的对称梁，然后将两根对称梁之间沿水平方向拉开一定的距离，并对称固定设置在两增敏板之间。由于在相同位置处，剖分前的等强度梁和剖分后的两根对称梁的剖面模数相等，因此在相同载荷作用下两根对称梁产生的垂向变形与剖分前一致，但由于两根对称梁之间存在一定的距离，因此两根对称梁的横向剖面模数大于剖分前等强度梁的剖面模数。
假设等强度梁某一横截面其宽度为b，厚度为t，剖分后该截面两根对称梁之间的距离为a，因此剖分前截面对形心的极惯性矩为
Figure BDA0001343309900000031
剖分后两个对称梁截面对形心的极惯性矩为
Figure BDA0001343309900000032
因此剖分后截面的极惯性矩比剖分前大
Figure BDA0001343309900000033
由于等强度梁截面的宽度不同和两对称梁的分开距离不同，上述极惯性矩差值的数值会有不同，但是基本的变化规律与上面计算一致，同时抗扭刚度与极惯性矩之间存在线性关系，因此剖分后两根对称梁的抗扭刚度大于单根等强度梁的抗扭刚度。
增敏板Ⅰ和增敏板Ⅱ之间设有至少一根光纤光栅4，光纤光栅4的两端分别与增敏板Ⅰ和增敏板Ⅱ固定连接，因此本发明的等强度梁区域采用光纤光栅传感器测量增敏板Ⅰ和增敏板Ⅱ之间的变形信息。光纤光栅4可以设置两对称梁之间的间隙中，因此便于光纤光栅的安装。由本发明中通过设置增敏部，即增敏板Ⅰ和增敏板Ⅱ，在竖直方向上，增敏板的厚度大于剖分式等强度梁的厚度。根据梁的平截面假设，离中性层距离越大，应变越大，因此光纤光栅传感器测取的应变值大于剖分式等强度梁表面的应变，因此该增敏部将剖分式等强度梁的应变进行放大，增加了加速度传感器的灵敏度。
本发明中，增敏板的上表面位于剖分式等强度梁的上表面的上方，增敏板的下表面位于剖分式等强度的下表面的下方。两增敏板之间固定设置两根光纤光栅，光纤光栅沿增敏板的中心线方向设置，且一根光纤光栅位于增敏板的上端，一根光栅位于增敏板的下端。当光纤光栅呈上、下布置时，使加速度传感器的灵敏度提高一倍。
本发明的工作原理如下所述：当被测物体振动时传感器质量块随之产生振动，振动引起剖分式等强度梁发生拉伸或压缩变形，变形信息通过增敏部进行放大，使光纤光栅传感器的中心反射波长发生变化，通过标定中心反射波长的变化量与振动加速度的关系可以实现振动的测量。同时，由于在相同位置处，剖分前的等强度梁和剖分后的两根对称梁的剖面模数相等，因此在相同载荷作用下两根对称梁产生的垂向变形与剖分前的等强度梁一致，但由于两根对称梁之间存在一定的距离，因此两根对称梁的横向剖面模数大于剖分前等强度梁的剖面模数、两根对称梁的抗扭刚度大于剖分前等强度梁的抗扭刚度。
实施例2
与实施例1不同的是：两增敏板之间固定设置有一根光纤光栅，光纤光栅位于增敏板的上端或下端。
其它同实施例1。
实施例3
与实施例1不同的是：两增敏板的上表面位于剖分式等强度梁的上表面的上方，两增敏板的下表面与剖分式等强度梁的下表面平齐，此时在两增敏板之间固定设置有一根光纤光栅，光纤光栅位于增敏板的上端。
其它同实施例1。
实施例4
与实施例1不同的是：两增敏板的上表面与剖分式等强度梁的上表面平齐，两增敏板的下表面位于剖分式等强度梁的下表面的下方，此时在两增敏板之间固定设置有一根光纤光栅，光纤光栅位于增敏板的下端。
其它同实施例1。

Claims (7)

1.一种剖分式等强度梁光纤光栅加速度传感器，包括基座(1)、质量块(3)、光纤光栅(4)和剖分式等强度梁(5)，其特征在于：还包括增敏部(2)，增敏部(2)包括沿竖直方向设置的两个平行的增敏板，两增敏板包括增敏板Ⅰ和增敏板Ⅱ，增敏板Ⅰ与质量块(3)固定连接，增敏板Ⅱ与基座(1)固定连接，剖分式等强度梁(5)设置在两增敏板之间，剖分式等强度梁(5)的一端与增敏板Ⅰ固定连接，剖分式等强度梁(5)的另一端与增敏板Ⅱ固定连接，竖直方向上增敏板的厚度大于剖分式等强度梁的厚度；
所述剖分式等强度梁(5)包括两根对称梁，两对称梁之间存在距离且呈对称设置；
所述增敏板Ⅰ和增敏板Ⅱ之间设有光纤光栅(4)，光纤光栅(4)的两端分别与增敏板Ⅰ和增敏板Ⅱ固定连接；
所述等强度梁的设置方法如下所述：
(1)将一根等强度梁沿中心线剖分为两根大小相同的对称梁；
(2)将两根对称梁沿所在平面方向分开一定的距离，并对称固定在两增敏板之间；
对称梁朝向基座(1)一端的宽度大于其朝向质量块(3)一端的宽度，且宽度呈逐渐变小的趋势。
2.根据权利要求1所述的剖分式等强度梁光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述光纤光栅(4)位于两对称梁之间。
3.根据权利要求1所述的剖分式等强度梁光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述增敏板的上表面位于剖分式等强度梁的上表面的上方。
4.根据权利要求1所述的剖分式等强度梁光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述增敏板的下表面位于剖分式等强度梁的下表面的下方。
5.根据权利要求1所述的剖分式等强度梁光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述增敏板的上表面位于剖分式等强度梁的上表面的上方，增敏板的下表面位于剖分式等强度梁的下表面的下方。
6.根据权利要求3、4或5所述的剖分式等强度梁光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述两增敏板之间固定连接有一根光纤光栅。
7.根据权利要求5所述的剖分式等强度梁光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述两增敏板之间固定连接有两根光纤光栅。
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