CN108982916A - 一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器，属于振动监测技术领域。包括测量基板A或测量基板B、刚性梁和平衡弹簧，所述刚性梁的平衡位置与测量基板A基本平行或与测量基板B基本垂直，刚性梁的一端通过转轴和与测量基板A或测量基板B固定连接的架体铰接，刚性梁的另一端固定有质量块；刚性梁或质量块的一侧设有使刚性梁处于平衡位置的平衡弹簧；所述刚性梁的一侧或两侧共设有一根或两根光纤光栅；当测量基板A或测量基板B随被测件振动时，光纤光栅能直接感知刚性梁的振动信息。本发明显著提高了传感器的灵敏度，同时能有效抑制加速度传感器的横向灵敏度，结构简单、耐用、不易损坏、动态误差小、测量准确、灵敏度高、精度高、效率高。

Description

一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器

技术领域

本发明属于振动监测技术领域，更具体地说是一种高灵敏度光纤光栅加速 度传感器。

背景技术

土木工程结构、机床、汽车、航天器等构建都会受到随时间变化的载荷， 即它们都会承受各种各样的动载荷，因此它们也会发生不同程度的振动。长期 振动会使它们产生裂纹以及裂纹扩展，最后导致构件的疲劳破坏。剧烈的振动 还会影响结构(设备)运行的可靠性，平稳性以及精度等指标。结构当发生伤 损或者破坏时，其振型会发生变化，因此，可以通过监测结构的振动参数来了 解结构的伤损情况。因此，振动监测变得十分普遍且尤为重要，而振动监测需 要依靠加速度传感器。

虽然传统的电学加速度传感器(一般包括压阻式加速度传感器，压电式加 速度传感器，电容式加速度传感器等)发展了很长时间，技术也比较成熟，但 却有很多的局限性，比如容易受到电磁干扰，不能长距离传输，大面积复用成 本较高，容易受水汽侵蚀而腐蚀等。光纤传感技术的出现为解决这些难题提供 了可能性。既有的光纤振动传感器包括光强度调制型、光相位和波长调制型振 动传感器，它们具有各自的优势，但也存在一定的问题。例如，光强度调制型 振动传感器优点是体积小、原理简单、成本低廉，但是精度低、稳定性差、需 要特定的补偿技术；光相位和波长调制型振动传感器精度高、可复用，但是一 般都需要结合机械振动响应结构来实现振动的测量。

目前，基于波长调制型光纤振动传感器以布喇格光纤光栅加速度传感器最 为常见，它具有抗干扰能力强，易于组网，制作工艺比较成熟等显著特点。布 喇格光纤光栅加速度传感器结构大多采用梁式(简支梁、悬臂梁、异型梁等) 结构。由于其结构本身的特点，基本上都是将光纤光栅直接粘贴(或者悬挂) 在梁式结构上，把梁作为弹性元件，光栅随着梁的形变而变化，该类结构导致 加速度传感器灵敏度低，容易发生啁啾现象，且难以抑制其横向加速度灵敏度。 张文涛等人公开了一种温度不敏感的光纤光栅加速度传感器(CN101285847B)，虽然提高了传感器的灵敏度，但是无法控制L型杠杆的旋转量， 不仅在剧烈振动时极易损坏，而且动态误差大。姜邵栋等人公开了一种光纤光 栅加速度传感器(CN107478860A)，该结构虽然对传感器的灵敏度有所增加， 但是没有避免传统悬臂梁结构灵敏度低的弊端，灵敏度增加效果有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器， 可以解决现有技术中存在的技术问题，能有效抑制加速度传感器的横向灵敏度， 结构简单、耐用、不易损坏、动态误差小，测量准确、灵敏度高、精度高、效 率高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高灵敏度光纤光栅加速 度传感器，包括架体、光纤光栅和质量块，其特征在于：还包括测量基板A或 测量基板B、刚性梁和平衡弹簧，所述刚性梁的平衡位置与测量基板A基本平 行或与测量基板B基本垂直，刚性梁的一端通过转轴和与测量基板A或测量基 板B固定连接的架体铰接，刚性梁的另一端固定有质量块；刚性梁或质量块的 一侧设有使刚性梁处于平衡位置的平衡弹簧；所述刚性梁的一侧或两侧共设有 一根或两根光纤光栅，光纤光栅的一端和刚性梁固定，另一端固定在测量基板 A上或架体上；当测量基板A或测量基板B随被测件振动时，光纤光栅能直接 感知刚性梁的振动信息。

优选的，所述的光纤光栅为布喇格光纤光栅。

优选的，所述刚性梁的平衡位置与测量基板A平行或与测量基板B垂直。

优选的，光纤光栅的位置设置与刚性梁垂直。

优选的，所述刚性梁或质量块的两侧均设有使刚性梁处平衡位置的平衡弹 簧。

优选的，所述转轴为轴承。

进一步的，所述的一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：还 设有平衡弹簧的弹力或长度调节机构。

优选的，所述的平衡弹簧为恒力弹簧。

优选的，所述测量基板A和/或测量基板B和架体构成长方体或正方体形的 壳体；所述刚性梁平衡位置位于长方体或正方体形的中间位置。

本发明的积极效果是提供了一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器，可以解 决现有技术中存在的技术问题，能有效抑制加速度传感器的横向灵敏度，结构 简单、耐用、不易损坏、动态误差小，测量准确、灵敏度高、精度高、效率高。

(1)本发明提供的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，通过采用轴或轴承结 构，显著提高了传感器的灵敏度。

(2)本发明提供的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，通过采用刚性梁，从 根本上抑制了传感器的横向灵敏度。

(3)本发明提供的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，通过采用与质量块振 动方向相互垂直的弹簧，更有效地降低了传感器的动态误差。同时，有效降低 了刚性梁的旋转量，避免了传感器在剧烈振动时的损坏问题。

(4)本发明提供的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，通过设有平衡弹簧的 弹力或长度调节机构，可方便调整传感器的自振频率。

(5)本发明提供的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，通过两侧布设双光栅 不仅能实现传感器的温度补偿作用，还可显著提高传感器的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技 术描述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 动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1高灵敏度光纤光栅(单光纤光栅，单弹簧)加速度传感器 结构示意图。

图2为实施例2高灵敏度光纤光栅(双光纤光栅、单弹簧)加速度传感器 结构示意图。

图3为实施例3高灵敏度光纤光栅(单光纤光栅、双弹簧)加速度传感器 结构示意图。

图4为实施例4高灵敏度光纤光栅(双光纤光栅、双弹簧)加速度传感器 结构示意图。

图中各标号含义为：1、架体，2、刚性梁，3、质量块，4、轴承，5、弹簧， 6、光纤，7、光纤光栅，8、平衡弹簧弹力或长度调节机构，8-1、8-2、弹簧筒 形座，9、测量基板A，10、测量基板B。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白， 以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描 述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1至图4为本发明一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器的一种具 体实施方式，包括架体1、光纤光栅7和质量块3，其特征在于：还包括测量基 板A 9或测量基板B10、刚性梁2和平衡弹簧5，所述刚性梁2的平衡位置与 测量基板A 9基本平行或与测量基板B 10基本垂直，刚性梁2的一端通过转轴 4和与测量基板A 9-)或测量基板B 10固定连接的架体1铰接，刚性梁2的另 一端固定有质量块3；刚性梁2或质量块3的一侧设有使刚性梁2处于平衡位 置的平衡弹簧5；所述刚性梁2的一侧或两侧共设有一根或两根光纤光栅7，光 纤光栅7的一端和刚性梁2固定，另一端固定在测量基板A 9上或架体1上； 当测量基板A 9或测量基板B 10随被测件振动时，光纤光栅能直接感知刚性梁 2的振动信息。

图1至图4可作为本发明其中有代表性的4种具体实施方式。工作时位置， 即当测量基板9固定连接在被测件上。

所述的刚性梁2的平衡位置与与测量基板A 9基本平行，是指刚性梁2的 平衡位置与测量基板A 9间也可成一个锐角，例如5-15度等角度。所述刚性梁 2的平衡位置与测量基板B 10基本垂直，是指刚性梁2的平衡位置与测量基板 B 10间为90度加减一个锐角，例如5-15度等角度。此时可利用角度关系进行 计算。最佳呈几何平行。算法简便。

所述刚性梁为质量小，刚度大、自身没有变形但可发生独立的刚体位移的 一种构件。以显著提高了传感器的灵敏度。质量块可采用为铁、钢材、铜、银、 金或铂金等金属材质。平衡弹簧5，能显著减小传感器的动态误差；光纤光栅 能直接感知刚性梁2的振动信息。光纤光栅同时两侧布设光栅还能实现传感器 的温度补偿作用，提高传感器的灵敏度。

以上实施方式中，优选的，所述的光纤光栅7为布喇格光纤光栅。

以上实施方式中，优选的，所述刚性梁2的平衡位置与测量基板A 9平行。

参阅图1至图4。优选的，所述光纤光栅7的位置设置与刚性梁2垂直。 或刚性梁2的平衡位置与测量基板B 10垂直。

请参阅图3、图4。优选的，所述刚性梁2或质量块3的两侧均设有使刚性 梁2处平衡位置的平衡弹簧5。

以上各实施方式优选的，所述转轴4为轴承。灵活度更高，提高传感器的 灵敏度。

参阅图3、图4。以上各实施方式优选的，所述的一种高灵敏度光纤光栅加 速度传感器，还设有平衡弹簧5的弹力或长度调节机构8。

所述的平衡弹簧5的弹力或长度调节机构8可为:将平衡弹簧5放置于弹簧 筒形座中，弹簧筒形座与壳体1相固定，弹簧筒形座的底部设有螺纹盖，弹簧 筒形座中还设有调整垫，螺纹盖和调整垫用于调节于弹簧的长度或弹力。或螺 纹盖处设有带手摇把的丝杠调节机构，调节调整垫的高低，以平衡弹簧5的弹 力或长度。或为其他结构。使用方便、灵活。

以上各实施方式优选的，所述的平衡弹簧5为恒力弹簧。

参阅图3、图4。以上各实施方式优选的，所述测量基板9和架体1呈长方 体或正方体形的壳体；所述刚性梁2平衡位置位于架体1的中间位置。

优选的，所述两侧的平衡弹簧5为恒力弹簧。计算更快捷。

优选的，所述测量基板A 9和/或测量基板B 10和架体1构成长方体或正 方体形的壳体；所述刚性梁2平衡位置位于长方体或正方体形的中间位置。方 便使用。

本发明提供的主要4大类实施方式。1、包括所述刚性梁2的平衡位置与测 量基板A9基本平行；2、所述刚性梁2的平衡位置与测量基板B 10基本垂直； 3、或包括所述刚性梁2的平衡位置与测量基板A 9基本平行，也包括刚性梁2 的平衡位置与测量基板B 10基本垂直。4、所述测量基板A 9和测量基板B 10 和架体1构成长方体或正方体形的壳体。每种方式，既可进行对水平式被测件 的测量，又可进行对垂直式被测件的测量，即可进行对水平式振动测量，又可 进行垂直式振动的测量。方便使用。

也可进行对倾斜式被测件的测量，即图1至图4倾斜防放置即可。

以上各具体实施方式即优选实施方式，可以相互组合，构成新的实施方式。本 发明结构简单、耐用、寿命长、测量准确、快捷、灵敏度高、精度高。尤其用 于结构的高精度振动监测。

如图，所述的刚性梁2通过转轴3铰接在架体1上，即刚性梁2可以绕转 轴4旋转；所述的弹簧5的一端固定在架体1上，另一端安装在质量块3上， 为了方便传感器的使用与计算，所述的弹簧5要求为恒力弹簧；所述的光纤光 栅7垂直于刚性梁2安装在刚性梁2与架体1之间。

加速度传感器安装在被测构件之后，传感器会随着结构的振动而 振动，在弹簧5与惯性力的作用下，质量块3携带着刚性梁2一起绕

该结构中，基于牛顿第二定律，由于惯性存在，被测对象的加速度a会导 致质量块3在弹簧5上产生一个惯性力F，使刚性梁2围绕着转轴4振动，进 而使光纤光栅7发生拉伸，产生均匀应变。加速度a和惯性力F与质量块3的 位移(弹簧5的压缩量)成正比，而质量块3的位移(弹簧5的压缩量)与光 纤光栅7的形变量成正比，所以加速度a和惯性力F与光纤光栅7的形变量成 正比。

该结构中，光纤光栅7的形变与刚性梁2的旋转幅度呈正相关，而且，该 结构直接将光纤光栅7当做弹性元件，在数值上，该振幅幅值直接作用的光纤 光栅上产生的应变，比与该振幅幅值相同的挠度作用的梁式模型中的梁表面应 变大许多，因此，该结构可以实现高灵敏度的振动测量；此外，在梁式结构中， 为了增加传感器的灵敏度，一般选用小刚度的梁，这导致了传感器的横向加速 度干扰非常明显，而本结构中，作为刚性的刚性梁，只需旋转，不必产生应变， 因此，可以增大刚性梁的刚度，从根本上抑制了传感器的横向灵敏度。

除了图1所示的结构外，还可以采用图2-图4等结构形式，例如图2的双 光纤光栅7结构，在一个光纤光栅7-1受拉时，另一个光纤光栅7-2与之相反， 通过差分的算法，不仅可以消除温度影响，还可以将传感器的灵敏度提高一倍。 图3中的双弹簧5结构可以提高传感器的阻尼系数与稳定性。

实施例与现有技术效果对比：

所公开的一种温度不敏感的光纤光栅加速度传感器(CN 101285847B)，虽 然提高了传感器的灵敏度，但是该结构中，在相同的振幅下，光纤的应变大于 弹簧的应变量，作为脆性材料的光纤，很容易被拉断，导致传感器被损坏，实 用性不强；该结构中的弹簧6处于被拉伸状态，虽然使得光纤光栅具有一定的 初始拉应力，但是在剧烈冲击(大震动)时，该结构无法分担光纤光栅所受的 拉力，极易导致光纤被拉断。同时，在杠杆两侧安装螺母仍然不能有效控制传 感器的横向灵敏度。

本发明实施例，通过采用轴承显著提高了传感器的灵敏度，同时采用刚性 梁，从根本上抑制了传感器的横向灵敏度。此外，通过采用与质量块振动方向 相互垂直的弹簧，有效的降低了传感器的动态误差，并有效降低了刚性梁的旋 转量，避免了传感器在剧烈振动时的损坏问题。

实例测量理论计算：

在该结构中，质量块的惯性力与弹簧的恢复力相互平衡，由牛顿第二定律 及胡克定律可知：

F＝ma＝kx (1)

其中，F为质量块的惯性力与弹簧的恢复力，m为质量块的质量，a为被测加 速度(质量块加速度)，k为弹簧的弹性系数，x为弹簧的压缩量。

光纤光栅的应变为：

其中，ε为光纤光栅的应变，Δl为光纤的变化量，L为被固定段光纤的长度(刚 性梁与壳体之间的距离)

由几何知识可知：

其中，l₁为光纤固定点到转轴的距离，l₂为弹簧(质量块)到转轴的距离

光纤光栅中心波长与应变的关系为：

Δλ＝(1-Pe)ελ (4)

其中，Δλ为光纤光栅中心波长的变化量，λ为光纤光栅反射普的中心波长，Pe 为光纤的光弹系数

该传感器的灵敏度为：

由式(1)～式(5)可知，该传感器的灵敏度为：

由式(6)可以看出，该传感器的灵敏度与质量块的质量、光纤与转轴之间 的距离成正比，与弹簧的弹性系数、光纤被固定段的长度以及弹簧与转轴之间 的距离成反比。

Claims (8)

1.一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器，包括架体(1)、光纤光栅(7)和质量块(3)，其特征在于：还包括测量基板A(9)或测量基板B(10)、刚性梁(2)和平衡弹簧(5)，所述刚性梁(2)的平衡位置与测量基板A(9)基本平行或与测量基板B(10)基本垂直，刚性梁(2)的一端通过转轴(4)和与测量基板A(9)或测量基板B(10)固定连接的架体(1)铰接，刚性梁(2)的另一端固定有质量块(3)；刚性梁(2)或质量块(3)的一侧设有使刚性梁(2)处于平衡位置的平衡弹簧(5)；所述刚性梁(2)的一侧或两侧共设有一根或两根光纤光栅(7)，光纤光栅(7)的一端和刚性梁(2)固定，另一端固定在测量基板A(9)上或架体(1)上；当测量基板(A(9)或测量基板B(10)随被测件振动时，光纤光栅能直接感知刚性梁(2)的振动信息。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的光纤光栅(7)为布喇格光纤光栅。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述刚性梁(2)的平衡位置与测量基板A(9)平行或与测量基板B(10)垂直。

4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：光纤光栅(7)的位置设置与刚性梁(2)垂直。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述刚性梁(2)或质量块(3)的两侧均设有使刚性梁(2)处平衡位置的平衡弹簧(5)；所述转轴(4)为轴承。

6.根据权利要求5所述的一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：还设有平衡弹簧(5)的弹力或长度调节机构(8)。

7.根据权利要求5所述的一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的平衡弹簧(5)为恒力弹簧。

8.根据权利要求5、6所述的一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述测量基板A(9)和/或测量基板B(10)和架体(1)构成长方体或正方体形的壳体；所述刚性梁(2)平衡位置位于长方体或正方体形的中间位置。