CN108663111B

CN108663111B - 膜片与菱形组合结构的光纤光栅加速度传感器及测量方法

Info

Publication number: CN108663111B
Application number: CN201810397824.5A
Authority: CN
Inventors: 魏莉; 余玲玲; 王兢兢; 刘芹; 刘壮; 姜达洲
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2018-04-28
Filing date: 2018-04-28
Publication date: 2020-01-14
Anticipated expiration: 2038-04-28
Also published as: CN108663111A

Abstract

本发明提供一种膜片与菱形组合结构的光纤光栅加速度传感器，它包括弹性膜片，第一螺栓依次穿过质量块的中心螺纹孔、垫圈、弹性膜片的中心孔后与螺母固结，垫圈用于隔离质量块和弹性膜片；第一螺栓末端接有传力件，传力件的另一端通过销钉与菱形构件的一顶点相连，菱形构件上与该顶点对应的对角顶点通过销钉与压块相连，压块固定在外壳内底面，外壳由上壳体和下壳体组成，弹性膜片的边缘固定于上下壳体之间的卡槽内，两根光纤互不干涉的以一定预紧力分别固定于菱形构件两组对角线顶点上，两根光纤悬空部分分别设有一个光纤光栅。本发明不仅能够减小横向振动对纵向加速度测量的干扰，在保持较高固有频率的同时还将灵敏度提高了一倍。

Description

膜片与菱形组合结构的光纤光栅加速度传感器及测量方法

技术领域

本发明属于机械振动测量技术领域，具体涉及一种膜片与菱形组合结构的光纤光栅加速度传感器及测量方法。

背景技术

机械振动是指机械或结构在它的静平衡位置附近的往复弹性运动。振动发生的内在原因是机械或结构具有在振动时储存动能和势能，而且释放动能和势能并能使动能和势能相互转换的能力；外在原因是由于外界对系统的激励或者作用。按不同情况进行分类，振动系统大致可分成，线性振动和非线性振动；确定性振动和随机振动；自由振动和和强迫振动；周期振动和非周期振动。振动引起的结构应力变化和系统损伤的积累往往会造成突发性的事故,通过振动加速度信号来监测机械系统的运行状态不仅可以防止灾害事故的发生，还可以对机械系统相关部件进行损伤检测和故障诊断。

在工程振动测试领域中，测试手段与方法多种多样，但是按各种参数的测量方法及测量过程的物理性质来分，可以分成电测法、机械法、光学法三类。电测方法原理是将被测对象的振动量转化成电量(电动势、电荷及其他电量)，而后用电量测试仪测量。机械法是将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录，常用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪。光学法是利用光杠杆原理、读数显微镜、光波干涉原理、激光多普勒效应和光纤等将工程振动的参量转换成光学信号，经光学系统放大后进行测量。电测法灵敏度高，频率范围、动态范围和线性范围宽，便于分析和遥测；但易受电磁干扰。机械法抗干扰能力强；但频率范围、动态范围和线性范围窄，测试时会给被测对象产生一定的负载效应，影响测试结果，测量精度较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种膜片与菱形组合结构的光纤光栅加速度传感器及测量方法，在保持较高固有频率的同时提高灵敏度。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种膜片与菱形组合结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：它包括用于产生形变的弹性膜片，弹性膜片上设有中心孔，第一螺栓依次穿过质量块的中心螺纹孔、垫圈、弹性膜片的中心孔后与螺母固结，垫圈用于隔离质量块和弹性膜片；

第一螺栓末端接有传力件，传力件的另一端通过销钉与菱形构件的一顶点相连，菱形构件上与该顶点对应的对角顶点通过销钉与压块相连，压块固定在外壳内底面，外壳由上壳体和下壳体组成，弹性膜片的边缘固定于上下壳体之间的卡槽内，两根光纤互不干涉的以一定预紧力分别固定于菱形构件两组对角线顶点上，两根光纤悬空部分分别设有一个光纤光栅；

所述的第一螺栓、弹性膜片的中心孔、质量块的中心螺纹孔、传力件和压块均位于传感器的中心轴上。

按上述方案，所述的压块上设有螺纹孔，通过第二螺栓固定在所述的下壳体的底面。

按上述方案，所述的质量块采用金属铜材料。

按上述方案，所述的上下壳体之间设有用于固定弹性膜片的卡环。

一种加速度测量方法，其特征在于：将所述的膜片与菱形组合结构的光纤光栅加速度传感器固定在被测体上，当被测体产生沿传感器轴向的振动时，在质量块的惯性力作用下，弹性膜片和光纤光栅受力发生改变，通过建立质量块、弹性膜片和光纤光栅所受作用力的相互关系得到质量块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，从而得到加速度信号。

本发明的有益效果为：采用膜片与菱形组合结构，不仅能够减小横向振动对纵向加速度测量的干扰，具有温度补偿的效果，能够精确测量加速度，在保持较高固有频率的同时还将灵敏度提高了一倍，以光纤光栅为传感元件，具有抗电磁干扰、可远距离测量、体积小、成本低等优点。

附图说明

图1是本发明一实施例的结构示意图。

图2是本发明一实施例中惯性机构的结构示意图。

图3是质量块-弹性膜片-光纤光栅的受力变形示意图。

图4是图1中下壳体的结构示意图。

图5是图1中传力件结构示意图。

图6是图1中压块的结构示意图。

图7是图1的爆炸图。

图中：图中：1-质量块；2-弹性膜片；3-传力件；4-菱形构件；5-销钉；6-压块；7-下壳体；8-第二螺栓；9-螺母；10-垫圈；11-上壳体；12-第一螺栓；3-1.传力件中心螺纹孔；3-2.连接板；6-1.第一螺纹孔；6-2.第二螺纹孔；7-1.螺纹；7-2.卡环；7-3.小孔。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种膜片与菱形组合结构的光纤光栅加速度传感器，如图1至图7所示，它包括用于产生形变的弹性膜片2，弹性膜片2上设有中心孔，第一螺栓12依次穿过质量块1的中心螺纹孔、垫圈10、弹性膜片2的中心孔后与螺母9固结，垫圈10用于隔离质量块1和弹性膜片2；第一螺栓12末端接有传力件3，传力件3的另一端通过销钉5与菱形构件4的一顶点相连，菱形构件4上与该顶点对应的对角顶点通过销钉5与压块6相连，压块6固定在外壳内底面，外壳由上壳体11和下壳体7组成，弹性膜片2的边缘固定于上下壳体11和7之间的卡槽内，两根光纤互不干涉的以一定预紧力分别固定于菱形构件4两组对角线顶点上，两根光纤悬空部分分别设有一个光纤光栅，即1#FBG、2#FBG。

所述的第一螺栓12、弹性膜片2的中心孔、质量块1的中心螺纹孔、传力件3和压块6均位于传感器的中心轴上。传力件3的顶端设有与第一螺栓12连接的传力件中心螺纹孔3-1，传力件3的下部为连接板3-2，连接板上设有与菱形构件4的顶点连接的孔。

所述的压块6上设有第一螺纹孔6-1和第二螺纹孔6-2，第一螺纹孔6-1通过第二螺栓8固定在所述的下壳体7的底面，第二螺纹孔6-2用于与菱形构件4连接。

所述的质量块1采用高密度金属铜材料，为柱形。菱形构件4由4个相同的矩形连杆组合而成。

所述的上下壳体11和7之间设有用于固定弹性膜片2的卡环7-2、用于螺纹连接的螺纹7-1，以及用于与压块6连接的小孔7-3。

一种加速度测量方法，将所述的膜片与菱形组合结构的光纤光栅加速度传感器固定在被测体上，当被测体产生沿传感器轴向的振动时，在质量块1的惯性力作用下，弹性膜片2和光纤光栅受力发生改变，通过建立质量块1、弹性膜片2和光纤光栅所受作用力的相互关系得到质量块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，从而得到加速度信号。通过跟踪布拉格波长变化即可获得振动信号的振幅和频率信息。

具体的，当外界产生沿弹性膜片2垂直方向的加速度激励时，质量块1由于惯性使弹性膜片2中心产生形变，传力件3将变形量传递到菱形构件4，使菱形构件4的对角线长度发生变化，从而带动FBG拉伸或压缩，将振动的加速度量转化为FBG的应变量，进而实现布拉格波长调制，通过跟踪布拉格光栅波长变化即可获得振动信号的振幅和频率信息。

为保证两根光纤光栅的一致性，粘贴时使光纤光栅跨距相等，即此时的菱形构件4各邻边相互垂直，对角线长度

其中b为菱形边长。如图3所示，当弹性膜片2在沿y轴正方向的加速度a的激励下产生扰度Δy时，FBG1被拉伸量也为Δy。

其中

Δα为菱形构件4各棱边与光纤夹角的变化量，l₁、l₂和l₁′、l₂′分别为1#FBG、2#FBG受力前后的跨距。由于Δy很小，菱形构件4各内角变化量2Δα→0，此时有cos(Δα)≈1，sin(Δα)≈Δα。代入(2)式可得：

从而可得：

由上可知，2#FBG收缩量近似等于Δy，两个光纤与弹性膜片2共位移，即两根光纤与弹性膜片2并联。因此，该传感系统的等效刚度可表示为：

k_e＝2k_f+k_d (6)

该系统的谐振频率可表示为：

上式中，k_f为光纤抗拉刚度；k_d为带硬心弹性膜片2的刚度；m为质量块m1与螺栓12、螺母9和传力件3的总质量m₂之和。

由以上分析可知，当弹性膜片2在外界激励下产生大小为Δy的位移时，惯性力F对整个传感系统的作用力可分为F_d、F_f两部分，其中F_d使弹性膜片2中心产生大小为Δy的偏移；而F_f为通过传力件3和菱形构件4传递到光纤上的力，使光纤跨距产生大小为Δy的变化量。

此时有F＝ma＝F_d+F_f＝(k_d+2k_f)·Δy (8)

设光纤的杨氏模量为E_f，横截面积为A_f，可得光纤抗拉刚度：

设弹性膜片2的杨氏模量为E_d，μ为泊松比；h为弹性膜片2的厚度。根据材料力学知识，弹性膜片2的弯曲刚度可表示为：

定义无量纲系数：

式中R和r分别为弹性膜片2工作的半径和与连接螺栓12中心接触的半径。由于弹性膜片2周向被外壳体卡环7-2固定，中心与质量块1相连形成半径为的硬心，根据小挠度理论，作用于膜片中心处垂直方向的惯性力F_d引起的弹性膜片2中心的偏移可表示为:

因此，带硬心弹性膜片2的刚度系数k_d可表示为：

由以上推导过程，结合上式，得到该加速度传感工作时，FBG的应变量ε与弹性膜片2中心加速度之间的关系：

当外界应力和温度变化作用在FBG上时，由于材料的弹性应变和热膨胀导致光栅周期Λ发生变化，同时由于光纤本身所具有的弹光效应、波导效应和热光效应等因素，有效折射率n_eff也会发生变化。光纤光栅的波长漂移量与应变、温度变化的关系为：

Δλ/λ＝(1-P_e)ε+(α_f+ξ_f)Δt (15)

其中λ为光纤光栅的中心波；Δλ为光纤光栅的波长漂移量；P_e为光纤的弹光系数,对于刻写光栅所使用的掺锗石英光纤，通常可取P_e＝0.22；α_f为光纤的热膨胀系数、ξ_f为光纤的热光系数、Δt为温度变化。

对于被拉伸的1#FBG

有Δl₁＜0，

对于被压缩的2#FBG

有Δl₂＞0有

其中λ₁、λ₂和Δλ₁、Δλ₂分别为1#FBG、2#FBG预拉伸后的中心波长和中心波长漂移量；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(16)、(17)两式可得：

从而联立(14)、(15)、(18)得被测对象振动加速度为：

根据式(19)式即可由两个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。

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

1.一种膜片与菱形组合结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：它包括用于产生形变的弹性膜片，弹性膜片上设有中心孔，第一螺栓依次穿过质量块的中心螺纹孔、垫圈、弹性膜片的中心孔后与螺母固结，垫圈用于隔离质量块和弹性膜片；

所述的第一螺栓、弹性膜片的中心孔、质量块的中心螺纹孔、传力件和压块均位于传感器的中心轴上；

菱形构件由4个相同的矩形连杆组合而成；当外界产生沿弹性膜片垂直方向的加速度激励时，质量块由于惯性使弹性膜片中心产生形变，传力件将变形量传递到菱形构件，使菱形构件的对角线长度发生变化，从而带动FBG拉伸或压缩，将振动的加速度量转化为FBG的应变量，进而实现布拉格波长调制。

2.根据权利要求1所述的膜片与菱形组合结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的压块上设有螺纹孔，通过第二螺栓固定在所述的下壳体的底面。

3.根据权利要求1所述的膜片与菱形组合结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的质量块采用金属铜材料。

4.根据权利要求1所述的膜片与菱形组合结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的上下壳体之间设有用于固定弹性膜片的卡环。

5.一种加速度测量方法，其特征在于：将权利要求1所述的膜片与菱形组合结构的光纤光栅加速度传感器固定在被测体上，当被测体产生沿传感器轴向的振动时，在质量块的惯性力作用下，弹性膜片和光纤光栅受力发生改变，通过建立质量块、弹性膜片和光纤光栅所受作用力的相互关系得到质量块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，从而得到加速度信号。