CN108663110A - 基于双轴柔性铰链的光纤光栅加速度传感器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双轴柔性铰链的光纤光栅加速度传感器，包括能够安装在被测体上的支撑件，支撑件的上端面设有下凹槽，下凹槽中穿有传感芯体，传感芯体通过具有上凹槽的压块与支撑件固定，上凹槽与下凹槽匹配；传感芯体包括穿在上下凹槽中的柔性铰链，柔性铰链的两端分别设有与其一体化结构的惯性体，惯性体周向均布有4个光纤槽，4根光纤互不干涉的以一定预紧力放置在两个惯性体的光纤槽内，每根光纤的两端固定，每根光纤位于两个惯性体之间悬空的部分各设有一个光栅。本发明以双轴柔性铰链为弹性元件，提高灵敏度的同时保持较高的固有频率，在所测加速度的二维平面内，各向灵敏度相同，能够精确测量两相加速度，还具有温度补偿的效果。
Description
技术领域
本发明属于机械振动测量技术领域，具体涉及一种双轴柔性铰链的光纤光栅加速度传感器及测量方法。
背景技术
近年来，光纤光栅传感器以轻巧安全，易于实现遥测，抗电磁干扰能力强，耐高温耐腐蚀等优势获得迅速的发展。目前常见的光纤光栅二维振动加速度传感器主要有以下两类，一是使用膜片、弹性片、弹性梁或弹簧等结构来承受加速度带来的外力，通过光纤光栅测量弹性结构的应变来测量加速度；二是直接采用光纤光栅作为弹性元件，来承受加速度所引起的惯性力，通过光栅波长漂移量来获得加速度大小。以弹性梁、膜片弹簧式等结构作为弹性元件的加速度传感器灵敏度和频率特性较好，可以满足低频振动需求，但这种结构的动态特性会受到结构体的刚度影响，整体结构尺寸偏大，对于二维加速度的测量，这类传感器难以保证各个方向灵敏度相同，测量结果不够准确。直接将光纤光栅作为弹性元件的加速度传感器具有结构简单，体积小，重复性好等优点，但也存在着寿命短，无法同时得到较高灵敏度和谐振频率的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种双轴柔性铰链的光纤光栅加速度传感器及测量方法，提高灵敏度的同时能够保持较高的固有频率，在所测加速度的二维平面内，各向灵敏度相同，能够精确测量两相加速度，还具有温度补偿的效果。
本发明为达到上述目的所采用的技术方案为：一种双轴柔性铰链的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：它包括能够安装在被测体上的支撑件，支撑件的下端面与被测体固定连接，支撑件的上端面设有下凹槽，下凹槽中穿有传感芯体，传感芯体通过具有上凹槽的压块与支撑件固定，所述的上凹槽与下凹槽匹配；
所述的传感芯体包括穿在上下凹槽中的柔性铰链，柔性铰链的两端分别设有与其一体化结构的惯性体，惯性体周向均布有4个光纤槽，4根光纤互不干涉的以一定预紧力放置在两个惯性体的光纤槽内，每根光纤的两端固定，每根光纤位于两个惯性体之间悬空的部分各设有一个光栅。
按上述方案，所述的支撑件的厚度方向设有便于光纤通过的通孔。
按上述方案，所述的柔性铰链包括中部与上下凹槽内径相同的柱体，柱体两侧为柔性链体，柔性链体的外侧通过椎体与所述的惯性体过渡。
按上述方案，所述的柔性铰链的中部设有定位孔，所述的压块上设有与所述的定位孔配合的小孔，定位孔和小孔中穿有定位销。
按上述方案，所述的传感芯体为不锈钢材料。
一种加速度测量方法，其特征在于：将所述的双轴柔性铰链的光纤光栅加速度传感器的支撑件固定在被测体上，当被测体产生振动时，柔性铰链在两端惯性体的惯性力作用下产生转角，从而光纤光栅的受力发生改变，通过建立惯性体所受作用力与柔性铰链转角变化关系得到惯性体振动加速度与光纤光栅应变的关系，进而建立起加速度与光纤光栅波长漂移量之间的关系，从而得到振动信号。
本发明的有益效果为：以双轴柔性铰链为弹性元件，提高灵敏度的同时保持较高的固有频率，在所测加速度的二维平面内，各向灵敏度相同，能够精确测量两相加速度，还具有温度补偿的效果。
附图说明
图1是本发明一实施例的正等轴侧视图。
图2是本发明一实施例中芯体的结构示意图。
图3是图1中芯体-光纤光栅的受力变形示意图。
图4是图1的爆炸图。
图中：1-支撑件；2-传感芯体；3-压块；4-定位销；5-螺栓；6-光纤；2-1.惯性体；2-2.光纤槽；2-3.柔性铰链；2-4.定位孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做出进一步说明。
本发明提供一种双轴柔性铰链的光纤光栅加速度传感器，如图1、图2和图4所示，它包括能够安装在被测体上的支撑件1，支撑件1的下端面与被测体固定连接，支撑件1的上端面设有下凹槽，下凹槽中穿有传感芯体2，传感芯体2通过具有上凹槽的压块3与支撑件1固定，所述的上凹槽与下凹槽匹配。所述的传感芯体2包括穿在上下凹槽中的柔性铰链2-3，柔性铰链2-3的两端分别设有与其一体化结构的惯性体2-1，惯性体2-1周向均布有4个光纤槽2-2，4根光纤6互不干涉的以一定预紧力放置在两个惯性体2-1的光纤槽2-2内，每根光纤6的两端固定，每根光纤6位于两个惯性体2-1之间悬空的部分各设有一个光栅，即1#FBG、2#FBG、3#FBG、4#FBG。
进一步的，所述的支撑件1的厚度方向设有便于光纤6通过的通孔，其中一条光纤6从该通孔中穿过。
进一步的，所述的柔性铰链2-3包括中部与上下凹槽内径相同的柱体，柱体两侧为柔性链体，柔性链体的外侧通过椎体与所述的惯性体2-1过渡。所述的柔性铰链2-3的中部设有定位孔2-4，所述的压块3上设有与所述的定位孔2-4配合的小孔，定位孔2-4和小孔中穿有定位销4。压块3通过螺栓5与支撑件1连接，从而使得柔性铰链2-3固定在上下凹槽中。
进一步细化的，所述的传感芯体2为不锈钢材料。
一种加速度测量方法，将所述的双轴柔性铰链的光纤光栅加速度传感器的支撑件1固定在被测体上，当被测体产生振动时，柔性铰链2-3在两端惯性体2-1的惯性力作用下产生转角，从而光纤光栅的受力发生改变，通过建立惯性体2-1所受作用力与柔性铰链2-3转角变化关系得到惯性体2-1振动加速度与光纤光栅应变的关系，进而建立起加速度与光纤光栅波长漂移量之间的关系，从而得到振动信号。
具体的，如图3所示，当被测体产生沿传感器x轴方向加速度为ax的振动信号时，系统在惯性体2-1的惯性力、光纤6的拉力和柔性铰链2-3的回复力作用下，达到力矩平衡，可得如下平衡方程：
maxs-kf(Δl3-Δl1)r-khα＝0 (1)
式中，m为惯性体2-1质量；ax为振动加速度；s为惯性体2-1质心到柔性铰链2-3中心的距离；Δl1、Δl3分别为1#FBG和3#FBG长度的变化量；kf为光纤6弹性系数；r锥体底面半径；kh为柔性铰链2-3抗弯刚度；α为柔性铰链2-3的最大转角。
由传感器受力变形图可得，
其中ε1、ε3分别为1#FBG和3#FBG应变量；为圆锥锥顶半角；L为圆锥母线长。
设r为椎形惯性体2-1底圆半径；b为圆椎体高度；e为圆柱体厚度；设ρ为惯性体2-1材料密度，从而可得：
惯性体2-1质量：
惯性体2-1质心到柔性铰链2-3中心的距离：
光纤弹性系数：
式中：l为光纤6粘贴跨距；Af为光纤6横截面面积；Ef为光纤6拉伸弹性模量。
光纤6粘贴跨距：l＝2(b+R)+j (8)
柔性铰链2-3的转动刚度kh表达式为：
式中：Eh为铰链弹性模量；R为铰链切割半径。
f1为中间变量，其表达式为：
其中c＝R/d，d为铰链最小截面直径；θm为铰链圆心角。
光纤光栅的波长漂移量与应变的变化和温度的变化的关系为
Δλ/λ＝(1-Pe)ε+(αf+ξf)Δt (11)
其中λ为光纤光栅的中心波长、Δλ为光纤光栅的波长漂移量、Pe为光纤的弹光系数、αf为光纤的热膨胀系数、ξf为光纤的热光系数、Δt为温度变化。
由于振动方向沿x轴方向，对于处于yoz平面内的2#FBG与4#FBG，它们所受温度及作用力的大小和方向均相同，因此2#FBG与4#FBG的中心波长变化量也相同，即Δλ2＝Δλ4。
对于处于xoz平面内的1#FBG与3#FBG，它们所受作用力的方向不同：
对被压缩的FBG1，有Δl1＜0，
对被拉伸的FBG3，有Δl3＞0，
其中λ为四根光栅预拉伸后的中心波长，Δλ1、Δλ3分别为FBG1、FBG3受力后的中心波长漂移量；由于所选用的光栅温度灵敏度系数相同，中心波长近似相等，联立两式可得：
从而联立(1)、(9)和(14)式可得x轴向的加速度计算公式：
当α很小时，取sinα～α，且上式中代入上式，
可得加速度：
令
则有
同理，在y轴方向上有
联立(18)、(19)式可得传感器二维加速度计算公式：
根据式(20)式即可由光纤光栅的波长漂移量得到被测对象加速度的变化，从而得到振动信号。
本发明不同于以往的悬臂梁式、膜片式和杠杆式光纤光栅振动传感器，本发明采用了非直圆双轴柔性铰链作为弹性元件，提高灵敏度的同时保持较高的固有频率，在所测加速度的二维平面内，各向灵敏度相同，能够精确测量两相加速度，还具有温度补偿的效果；本发明结构简单，采用光纤光栅作为传感元件，易于实现遥测，具有抗电磁干扰、体积小、成本低等优点。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种双轴柔性铰链的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：它包括能够安装在被测体上的支撑件，支撑件的下端面与被测体固定连接，支撑件的上端面设有下凹槽，下凹槽中穿有传感芯体，传感芯体通过具有上凹槽的压块与支撑件固定，所述的上凹槽与下凹槽匹配；
所述的传感芯体包括穿在上下凹槽中的柔性铰链，柔性铰链的两端分别设有与其一体化结构的惯性体，惯性体周向均布有4个光纤槽，4根光纤互不干涉的以一定预紧力放置在两个惯性体的光纤槽内，每根光纤的两端固定，每根光纤位于两个惯性体之间悬空的部分各设有一个光栅。
2.根据权利要求1所述的双轴柔性铰链的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的支撑件的厚度方向设有便于光纤通过的通孔。
3.根据权利要求1所述的双轴柔性铰链的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的柔性铰链包括中部与上下凹槽内径相同的柱体，柱体两侧为柔性链体，柔性链体的外侧通过椎体与所述的惯性体过渡。
4.根据权利要求1或3所述的双轴柔性铰链的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的柔性铰链的中部设有定位孔，所述的压块上设有与所述的定位孔配合的小孔，定位孔和小孔中穿有定位销。
5.根据权利要求1或3所述的双轴柔性铰链的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的传感芯体为不锈钢材料。
6.一种加速度测量方法，其特征在于：将权利要求1所述的双轴柔性铰链的光纤光栅加速度传感器的支撑件固定在被测体上，当被测体产生振动时，柔性铰链在两端惯性体的惯性力作用下产生转角，从而光纤光栅的受力发生改变，通过建立惯性体所受作用力与柔性铰链转角变化关系得到惯性体振动加速度与光纤光栅应变的关系，进而建立起加速度与光纤光栅波长漂移量之间的关系，从而得到振动信号。
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