CN108007553B - 一种小型光纤光栅二维振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小型光纤光栅二维振动传感器，包括壳体、壳体内的光纤和位于光纤上的光栅，壳体内设有弹性体，弹性体包括2个上下交叉布置的两个柔性铰链，以两个柔性铰链的弯折方向为x轴和y轴，使得弹性体能够绕x轴和y轴摆动；弹性体上还设有用于安设和固定所述光纤的槽，以及用于放置所述光栅的间隙；光栅为4个，槽和间隙使得：当弹性体绕x轴摆动时，有1个光栅轴向拉伸、1个光栅轴向收缩；当弹性体绕y轴摆动时，有1个光栅轴向拉伸、1个光栅轴向收缩；4个光栅为光纤布拉格光栅，且4个光栅的中心波长各不相同。本发明通过利用带双柔性铰链的弹性体测量相互垂直的两个方向的振动加速度参量，整体结构简单、体积小巧、装配方便。

Description

一种小型光纤光栅二维振动传感器

技术领域

本发明涉及光纤光栅振动传感器技术领域，具体涉及一种小型光纤光栅二维振动传感器。

背景技术

在一些应用场合，如汽车、机器人、航空航天等领域常需要对加速度进行二维或多维度测量。常用的二维振动传感器包含两种，一种是基于电测式的，具有测量范围广、灵敏度与分辨率高、应用广泛等优点，但是其也具有抗电磁干扰能力差、严酷环境下存在安全隐患等不足。另一类是基于光纤光栅（FBG）式的，具有抗电磁干扰、可靠性高、易于复用等特点，是光纤传感领域的研究热点之一。目前许多基于FBG设计的二维振动传感器存在体积大、响应频率低的问题，不适用于一些测量场合要求传感器具有小尺寸、高频率响应特点，因此使得FBG振动传感器的应用场合有局限性。

专利号CN201611157807.1中设计了一种量程可调的光纤光栅二维振动传感器，通过调整螺杆上质量环的位置达到调节传感器量程的目的。但是，这种传感器尺寸体积较大，使用工作频率较低，并且由于弹性体3与基座间采用螺栓固定，稳定性较差。专利号CN201510003824.9中设计了一种具有温度补偿的光纤光栅二维振动传感器，这种传感器通过设置参考光纤光栅，对感应光栅做差分处理消除温度的影响，这种方案可以提高传感器抗温度干扰的特性，但是光纤在弹性体上的布设复杂，且同样具有体积较大、工作频率较低的缺点。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是，针对上述现有光纤光栅二维振动传感器存在的体积大、频率响应低以及加工装配复杂的问题，提出一种小型光纤光栅二维振动传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种小型光纤光栅二维振动传感器，包括壳体、壳体内的光纤和位于光纤上的光栅，其特征在于：所述的壳体内设有弹性体，弹性体包括2个上下交叉布置的两个柔性铰链，以两个柔性铰链的弯折方向为x轴和y轴，使得弹性体能够绕x轴和y轴摆动；

弹性体上还设有用于安设和固定所述光纤的槽，以及用于放置所述光栅的间隙；所述的光栅为4个，所述的槽和间隙使得：当弹性体绕x轴摆动时，有1个光栅轴向拉伸、1个光栅轴向收缩；当弹性体绕y轴摆动时，有1个光栅轴向拉伸、1个光栅轴向收缩；

所述的4个光栅为光纤布拉格光栅，且4个光栅的中心波长各不相同。

按上述方案，所述的弹性体还包括与壳体的底部固定连接的基座、中间的连接块、以及上部的质量块；其中，基座与连接块之间通过一个所述的柔性铰链连接，连接块与质量块通过另一个所述的柔性铰链连接；所述的槽设置在质量块与基座上，所述的间隙位于质量块与基座之间；所述的基座、连接块、质量块和柔性铰链为一体化结构。

按上述方案，所述的x轴和y轴之间为90度；以所述光栅的轴向为z轴，z轴与所述的x轴和y轴分别垂直；所述的槽沿z轴方向圆周均匀分布在所述的质量块和基座的表面。

按上述方案，所述的壳体顶部设有端盖。

按上述方案，所述的壳体上设有光纤引出孔，所述的光纤从其中一个光纤引出孔中穿入、沿弹性体的槽绕过并固定后从另一个光纤引出孔中穿出，所述的光栅在初始状态下加预应力固定；所述的初始状态为弹性体无任何摆动状态。

按上述方案，所述的弹性体和壳体为金属材料。

按上述方案，所述的2个柔性铰链分别为第一柔性铰链和第二柔性铰链，第一柔性铰链沿x轴方向、与基座和连接块连接，第二柔性铰链沿y轴方向、与连接块和质量块连接；

所述的槽分别为第一粘贴槽、第二粘贴槽、第三粘贴槽和第四粘贴槽，第一粘贴槽和第三粘贴槽分别位于第二柔性铰链的两侧，第二粘贴槽和第四粘贴槽分别位于第一柔性铰链的两侧，且每个槽均包括位于基座上的一段和位于质量块上的一段，两段之间为所述的间隙；所述的4个光栅的两端分别对应固定在所述的第一粘贴槽、第二粘贴槽、第三粘贴槽和第四粘贴槽中。

本发明的工作原理为：传感器使用时，将其固定到被测物体上。被测物体x或y轴方向的振动带动弹性体绕柔性铰链摆动，引起对应的2个光栅轴向拉伸和收缩，反射波长漂移，利用解调仪解调两个光栅波长漂移量并做差分，通过波长漂移量与加速度关系计算得到x或y轴方向振动加速度。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过利用带双柔性铰链的弹性体，从而测量相互垂直的两个方向的振动加速度参量，利用一个拉伸一个收缩两个光栅差分处理，消除温度以及待测方向外振动等对传感器影响；本发明整体结构简单、体积小巧、装配方便，成本低，长期可靠性好，易于实现在小型结构的机械结构上使用。

2、弹性体整体一体化加工，简化传感器制作加工复杂程度，并提高了传感器工作时的稳定性。

附图说明

图1是本发明一实施例的结构示意图（去一半壳体）；

图2是本发明一实施例的俯视图（去端盖）；

图3是本发明一实施例弹性体的前视图；

图4是图3的右视图；

图5是本发明一实施例弹性体的轴测图；

附图中各部件的标记如下：1、端盖；2、壳体；3、弹性体；4、质量块；5、基座；6、第一柔性铰链；7、第二柔性铰链；8、第一粘贴槽；9、第二粘贴槽；10、第三粘贴槽；11、第四粘贴槽；12、光纤；13、第一光栅；14、第二光栅；15、第三光栅；16、第四光栅；17、第一光纤引出孔；18、第二光纤引出孔；19、连接块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1至图5，一种小型光纤光栅二维振动传感器，包括筒状且中空的壳体2，端盖1，基于上下两个交叉柔性铰链的弹性体3，壳体2下端与基座5的台阶螺纹连接，上端与端盖1螺纹连接，光栅粘贴到弹性体3的槽上，从壳体2出口处穿出。

弹性体3具有基座5、第一柔性铰链6、第二柔性铰链7、质量块4、第一粘贴槽8、第二粘贴槽9、第三粘贴槽10、第四粘贴槽11。第一柔性铰链6沿x轴方向，下端与基座5固定连接，上端可绕x轴旋转；第二柔性铰链7沿y轴方向，上端与质量块4固定连接，下端可绕y轴旋转，质量块随柔性铰链一起旋转；第二柔性铰链7下端与第一柔性铰链6上端间成90°交叉分别连接到连接块19上下两端；四个粘贴槽沿z轴方向圆周均匀分布于弹性体质量块4与基座5表面，x、y、z轴构成三维坐标系，坐标系的原点为o点，第一、第三粘贴槽位于传感器xoz平面，位于第二柔性铰链7左右两侧，质量块4与基座5的台阶上，第二、第四光纤光栅粘贴槽位于传感器yoz平面，位于第一柔性铰链6左右两侧，位于质量块4与基座5上台阶处。

光纤12上依次分布有四个光栅，第一光栅13粘贴到第一粘贴槽8中，左右两端分别固定于质量块4和基座5，栅区置于质量块4与基座5之间的空隙处；第二光栅14粘贴到第二粘贴槽9中，左右两端分别固定于质量块4和基座5，栅区置于质量块4与基座5之间的空隙处；第三光栅15粘贴到第三粘贴槽10中，左右两端分别固定于质量块4和基座5，栅区置于质量块4与基座5之间的空隙处；第四光栅16粘贴到第四粘贴槽11中，左右两端分别固定于质量块4和基座5，栅区置于质量块4与基座5之间的空隙处。纤光栅的固定方式是利用树脂粘接剂或玻璃焊接固定，粘贴时加预应力。4个光栅为光纤布拉格光栅，且4个光栅的中心波长各不相同。

光纤12两端分别从位于壳体2下端的左右两个光纤引出孔（即第一光纤引出孔17和第二光纤引出孔18）穿出，光纤引出孔位于传感器下端，提高传感器工作时的稳定性。

端盖1、壳体2、弹性体3的材料为金属。弹性体3的材料具体为铜合金或不锈钢或其他满足使用要求的材料。

传感器使用时，将其固定到被测物体上。被测物体Y轴方向的振动带动质量块4绕第一柔性铰链6（即x轴）振动，引起第二光栅14轴向拉伸（收缩）与第四光栅16轴向收缩（拉伸），反射波长漂移，利用解调仪解调两个光栅波长漂移量并做差分，通过波长漂移量与加速度关系计算得到Y轴方向振动加速度；被测物体X轴方向的振动带动质量块4绕第二柔性铰链7（即y轴）振动，引起第一光栅13轴向拉伸（收缩）与第三光栅15轴向收缩（拉伸），反射波长漂移，利用解调仪解调两个光栅波长漂移量并做差分，通过波长漂移量与加速度关系计算得到X轴方向振动加速度。差分处理可以消除温度以及待测方向外振动等对传感器影响。

在本实施例中，传感器的尺寸为φ10×27mm，固有频率为1365Hz，灵敏度约为20pm/g。

本发明通过设计新型的基于双柔性铰链弹性体，能够测量相互垂直的两个方向的振动加速度参量；一阶固有频率可达1400Hz，频率响应范围10-700Hz；质量块与基座一体化加工，简化传感器制作加工复杂程度，并提高传感器工作时的稳定性。本发明结构简单，尺寸小巧，成本低，长期可靠性好，易于实现在小型结构的机械结构上使用。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种小型光纤光栅二维振动传感器，包括壳体、壳体内的光纤和位于光纤上的光栅，其特征在于：所述的壳体内设有弹性体，弹性体包括上下交叉布置的两个柔性铰链，以两个柔性铰链的弯折方向为x轴和y轴，使得弹性体能够绕x轴和y轴摆动；

弹性体上还设有用于安设和固定所述光纤的槽，以及用于放置所述光栅的间隙；所述的光栅为4个，所述的槽和间隙使得：当弹性体绕x轴摆动时，有1个光栅轴向拉伸、1个光栅轴向收缩；当弹性体绕y轴摆动时，有1个光栅轴向拉伸、1个光栅轴向收缩；

所述的4个光栅为光纤布拉格光栅，且4个光栅的中心波长各不相同。

2.根据权利要求1所述的小型光纤光栅二维振动传感器，其特征在于：所述的弹性体还包括与壳体的底部固定连接的基座、中间的连接块、以及上部的质量块；其中，基座与连接块之间通过一个所述的柔性铰链连接，连接块与质量块通过另一个所述的柔性铰链连接；所述的槽设置在质量块与基座上，所述的间隙位于质量块与基座之间；所述的基座、连接块、质量块和柔性铰链为一体化结构。

3.根据权利要求2所述的小型光纤光栅二维振动传感器，其特征在于：所述的x轴和y轴之间为90度；以所述光栅的轴向为z轴，z轴与所述的x轴和y轴分别垂直；所述的槽沿z轴方向圆周均匀分布在所述的质量块和基座的表面。

4.根据权利要求2所述的小型光纤光栅二维振动传感器，其特征在于：所述的壳体顶部设有端盖。

5.根据权利要求2所述的小型光纤光栅二维振动传感器，其特征在于：所述的壳体上设有光纤引出孔，所述的光纤从其中一个光纤引出孔中穿入、沿弹性体的槽绕过并固定后从另一个光纤引出孔中穿出，所述的光栅在初始状态下加预应力固定；所述的初始状态为弹性体无任何摆动状态。

6.根据权利要求1或2所述的小型光纤光栅二维振动传感器，其特征在于：所述的弹性体和壳体为金属材料。

7.根据权利要求3所述的小型光纤光栅二维振动传感器，其特征在于：所述的2个柔性铰链分别为第一柔性铰链和第二柔性铰链，第一柔性铰链沿x轴方向、与基座和连接块连接，第二柔性铰链沿y轴方向、与连接块和质量块连接；

所述的槽分别为第一粘贴槽、第二粘贴槽、第三粘贴槽和第四粘贴槽，第一粘贴槽和第三粘贴槽分别位于第二柔性铰链的两侧，第二粘贴槽和第四粘贴槽分别位于第一柔性铰链的两侧，且每个槽均包括位于基座上的一段和位于质量块上的一段，两段之间为所述的间隙；所述的4个光栅的两端分别对应固定在所述的第一粘贴槽、第二粘贴槽、第三粘贴槽和第四粘贴槽中。

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