CN109387275A - 基于柔性铰链的光纤光栅加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
基于柔性铰链技术的光纤光栅加速度传感器,设矩形框架、并在其中部设质量块，质量块四角分别连接第一弹性臂、第二弹性臂，第三弹性臂，第四弹性臂，质量块左、右中部分别连接第一限位件、第二限位件，矩形框架前中部设第一通孔，质量块前中部设第二通孔、后中部设第三通孔，设第一毛细钢管、第二毛细钢管、第三毛细钢管并在管内分别连接光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅并通过第一通孔、第二通孔、第三通孔安装于矩形框架内；本发明的有益效果是：具有温度补偿，结构紧凑，长期稳定性好，测量精度高的技术特点。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于柔性铰链技术的光纤光栅加速度传感器。
技术背景
已知的市场工程应用中，振动或加速度信号的测量是非常重要的，特别是在大型土木结构健康监测，石油、天然气开采，地震波检测及航空航天领域具有至关重要的作用；光纤传感技术与传统的电学传感器比较，具有电绝缘、本质无源防爆、抗电磁干扰、耐受恶劣环境、易组网等技术优势。
发明专利号为201010553770.0的中国专利“一种基于拉锥结构的光纤光栅加速度传感器”，采用光纤光栅作为反射元件，利用拉锥结构对加速度的响应对反射光强进行调制，从而进行加速度测量，这就要求光源及其供电系统具有极高的稳定性，光纤传输线路的损耗恒定不变，而实际应用中较难达到，易造成测量精度不高；发明专利号为201510351520.1的中国专利“一种光纤光栅加速度传感器及其制作方法”，采用质量块、弹簧、固定底板和光纤光栅作为主要元件进行加速度信号测量，由于其采用单光栅结构没有温度补偿，无法避免温度对光栅的中心波长的影响，除非采用恒温环境，另外弹簧经过长期使用后，弹性系数会发生细微变化影响精度；发明专利号为CN201410232241.9的中国专利“一种基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器”，虽然采用柔性铰链结构，但是仍没有进行温度补偿，且生产加工复杂，实用性差。
上述三件发明专利所存在的缺陷，目前尚无新的技术突破其难题。
发明内容
为克服上述技术不足，本发明基于柔性铰链技术的光纤光栅加速度传感器其目的在于提供了具有温度补偿，结构紧凑，长期稳定性好，测量精度高的技术特点。
为了达到上述目的，本发明的柔性铰链技术的光纤光栅加速度传感器是由下述方式实现的：设矩形框架、并在其中部设质量块，质量块四角分别连接第一弹性臂、第二弹性臂，第三弹性臂，第四弹性臂，质量块左、右中部分别连接第一限位件、第二限位件，矩形框架前中部设第一通孔，质量块前中部设第二通孔、后中部设第三通孔，设第一毛细钢管、第二毛细钢管、第三毛细钢管并在管内分别连接光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅并通过第一通孔、第二通孔、第三通孔安装于矩形框架内；本发明测量振动或加速度时，假设传感器的运动方向向着某一方向，那么质量块的相对运动趋势即与之相反，由于第一光纤光栅和第二光纤光栅是以预应力的状态进行安装固定的，且第一光纤光栅的波长比第二光纤光栅的波长至少大于2nm,设定其差值为Δλ，在运动状态下，第一光纤光栅所受到的拉力将会变大，中心波长随之变大，其变化量为λ1；第二光纤光栅所受到的拉力将会变小，中心波长随之变小，其变化量为λ2，这样，本发明的运动对第一光纤光栅和第二光纤光栅中心波长的差值形成了差动变大，其波长差值为Δλ、λ1、λ2三者之和，实际上第一光纤光栅和第二光纤光栅中心波长的差值与本发明运动的加速度是对应的函数关系，因此可通过第一光纤光栅和第二光纤光栅中心波长的差值获得本发明运动的加速度，反之，如果本发明运动方向向着相反方向时，第一光纤光栅的中心波长变小，其变化量为λ1；第二光纤光栅的波长变大，其变化量为λ2，那么第一光纤光栅和第二光纤光栅中心波长的差值为Δλ减去λ1、λ2两者之和，同样可以获得本发明运动的加速度；如果本发明运动的加速度过大，超出本发明的测量范围，甚至导致两个光纤光栅所受拉力过大而断裂，此时由于限位件和限位件与矩形框架之间的缝隙很小（通过计算与实验确定），会限制质量块的位移进一步变大，从而避免两个光纤光栅受力过大被拉断；由于光纤光栅的中心波长对本发明温度敏感，本发明随着温度的变大而变大，随着温度的变小而变小，且本发明的机械结构的热胀冷缩也会使两个光纤光栅的受力发生变化，从而导致中心波长的变化，所以在本发明工作过程中，由于工作环境的温度发生变化，会导致第一光纤光栅和第二光纤光栅的中心波长发生变化，本发明结构设计中，第一光纤光栅和第二光纤光栅采用对称结构封装，两个光纤光栅对温度敏感系数相同，且是以两个光纤光栅中心波长的差值进行加速度或振动信号测量，从而抵消了环境温度的变化对传感器测量精度的影响。
本发明的有益效果是：具有温度补偿，结构紧凑，长期稳定性好，测量精度高的技术特点。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图中1.第一弹性臂，2.第二弹性臂，3.第三弹性臂，4.第四弹性臂，5.质量块，6.第一限位件，7.第二限位件，8.矩形框架，9.第一通孔，10.第二通孔，11.第三通孔，12.光纤，13. 第一毛细钢管，14. 第二毛细钢管，15.第三毛细钢管，16.第一光纤光栅，17. 第二光纤光栅。
图1为本发明基于柔性铰链的光纤栅加速度传感器传感器机械结构示意图；
图2为本发明基于柔性铰链的光纤栅加速度传感器光纤光栅组件结构示意图；
图3为本发明基于柔性铰链的光纤栅加速度传感器传感器工作原理示意图。
具体实施方式
按照图1、图2、图3所示基于柔性铰链的光纤栅加速度传感器，设矩形框架8、并在其中部设质量块5，质量块5四角分别连接第一弹性臂1、第二弹性臂2，第三弹性臂3，第四弹性臂4，质量块5左、右中部分别连接第一限位件6、第二限位件7，矩形框架8前中部设第一通孔9，质量块5前中部设第二通孔10、后中部设第三通孔11，设第一毛细钢管13、第二毛细钢管14、第三毛细钢管15并在管内分别连接光纤12、第一光纤光栅16、第二光纤光栅17并通过第一通孔9、第二通孔10、第三通孔11安装于矩形框架8内；用本发明测量振动或加速度时，假设传感器的运动方向如图3箭头所示，那么质量块5的相对运动趋势即与之相反，由于第一光纤光栅16和第二光纤光栅17是以预应力的状态进行安装固定的，且第一光纤光栅16的波长比第二光纤光栅17的波长至少大于2nm,设定其差值为Δλ，在运动状态下，第一光纤光栅16所受到的拉力将会变大，中心波长随之变大，其变化量为λ1；第二光纤光栅17所受到的拉力将会变小，中心波长随之变小，其变化量为λ2，这样，本发明的运动对第一光纤光栅16和第二光纤光栅17中心波长的差值形成了差动变大，其波长差值为Δλ、λ1、λ2三者之和，实际上第一光纤光栅16和第二光纤光栅17中心波长的差值与本发明运动的加速度是对应的函数关系，因此可通过第一光纤光栅16和第二光纤光栅17中心波长的差值获得本发明运动的加速度，反之，如果本发明运动方向与附图3所示相反时，第一光纤光栅16的中心波长变小，其变化量为λ1；第二光纤光栅17的波长变大，其变化量为λ2，那么第一光纤光栅16和第二光纤光栅17中心波长的差值为Δλ减去λ1、λ2两者之和，同样可以获得本发明运动的加速度；如果本发明运动的加速度过大，超出本发明的测量范围，甚至导致两个光纤光栅所受拉力过大而断裂，此时由于限位件6和限位件7与矩形框架8之间的缝隙很小（通过计算与实验确定），会限制质量块5的位移进一步变大，从而避免两个光纤光栅受力过大被拉断；由于光纤光栅的中心波长对本发明温度敏感，本发明随着温度的变大而变大，随着温度的变小而变小，且本发明的机械结构的热胀冷缩也会使两个光纤光栅的受力发生变化，从而导致中心波长的变化，所以在本发明工作过程中，由于工作环境的温度发生变化，会导致第一光纤光栅16和第二光纤光栅17的中心波长发生变化，本发明结构设计中，第一光纤光栅16和第二光纤光栅17采用对称结构封装，两个光纤光栅对温度敏感系数相同，且是以两个光纤光栅中心波长的差值进行加速度或振动信号测量，从而抵消了环境温度的变化对传感器测量精度的影响。
Claims (1)
1.基于柔性铰链的光纤光栅加速度传感器，其特征是：设矩形框架（8）、并在其中部设质量块（5），质量块（5）四角分别连接第一弹性臂（1）、第二弹性臂（2），第三弹性臂（3），第四弹性臂（4），质量块（5）左、右中部分别连接第一限位件（6）、第二限位件（7），矩形框架（8）前中部设第一通孔（9），质量块（5）前中部设第二通孔（10）、后中部设第三通孔（11），设第一毛细钢管（13）、第二毛细钢管（14）、第三毛细钢管（15）并在管内分别连接光纤（12）、第一光纤光栅（16）、第二光纤光栅（17）并通过第一通孔（9）、第二通孔（10）、第三通孔（11）安装于矩形框架（8）内。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109991443A (zh) * | 2019-04-01 | 2019-07-09 | 东南大学 | 一种高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器 |
| CN111650401A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-09-11 | 西安交通大学 | 一种同平面贴装的金属基集成式谐振加速度计 |
Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201203508Y (zh) * | 2008-05-29 | 2009-03-04 | 同济大学 | 高灵敏度温度自补偿型光纤光栅加速度传感装置 |
| CN101477138A (zh) * | 2009-01-19 | 2009-07-08 | 曹春耕 | 一种光纤光栅高灵敏度加速度计 |
| JP2009222397A (ja) * | 2008-03-13 | 2009-10-01 | Anritsu Corp | 光ファイバセンサおよび計測装置 |
| US20110283795A1 (en) * | 2008-11-19 | 2011-11-24 | The Australian National University | System, Device And Method For Detecting Seismic Acceleration |
| CN102323447A (zh) * | 2011-08-08 | 2012-01-18 | 武汉理工大学 | 一种小型的光纤光栅加速度传感器的制备方法 |
| CN102495235A (zh) * | 2011-11-14 | 2012-06-13 | 武汉理工大学 | 三维加速度测量的光纤光栅传感器 |
| WO2013131197A1 (en) * | 2012-03-09 | 2013-09-12 | Genesis Group Inc. | Dual fibre bragg grating accelerometer |
| CN103743463A (zh) * | 2013-12-31 | 2014-04-23 | 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司 | 一种用于液体介质的双光纤光栅振动传感器 |
| CN204359817U (zh) * | 2014-12-16 | 2015-05-27 | 三峡大学 | 基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器 |
| CN105116168A (zh) * | 2015-10-14 | 2015-12-02 | 山东省科学院激光研究所 | 基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器 |
| CN105510631A (zh) * | 2016-01-11 | 2016-04-20 | 昆明理工大学 | 一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器及其使用方法 |
| CN105842479A (zh) * | 2016-06-03 | 2016-08-10 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 一种一体化差动式结构的光纤光栅加速度传感器 |
| CN105866474A (zh) * | 2016-03-30 | 2016-08-17 | 西安石油大学 | 柔性铰链梁光纤布拉格光栅二维加速度传感器 |
| CN106814216A (zh) * | 2017-01-24 | 2017-06-09 | 武汉理工大学 | 一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器 |
| CN206321660U (zh) * | 2016-12-29 | 2017-07-11 | 三峡大学 | 基于弹簧的双光栅光纤加速度传感器 |
| CN207335865U (zh) * | 2017-08-04 | 2018-05-08 | 菲布雷格光电科技（湖北）有限公司 | 基于柔性铰链的光纤光栅加速度传感器 |
-
2017
- 2017-08-04 CN CN201710658606.8A patent/CN109387275A/zh active Pending
Patent Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009222397A (ja) * | 2008-03-13 | 2009-10-01 | Anritsu Corp | 光ファイバセンサおよび計測装置 |
| CN201203508Y (zh) * | 2008-05-29 | 2009-03-04 | 同济大学 | 高灵敏度温度自补偿型光纤光栅加速度传感装置 |
| US20110283795A1 (en) * | 2008-11-19 | 2011-11-24 | The Australian National University | System, Device And Method For Detecting Seismic Acceleration |
| CN101477138A (zh) * | 2009-01-19 | 2009-07-08 | 曹春耕 | 一种光纤光栅高灵敏度加速度计 |
| CN102323447A (zh) * | 2011-08-08 | 2012-01-18 | 武汉理工大学 | 一种小型的光纤光栅加速度传感器的制备方法 |
| CN102495235A (zh) * | 2011-11-14 | 2012-06-13 | 武汉理工大学 | 三维加速度测量的光纤光栅传感器 |
| WO2013131197A1 (en) * | 2012-03-09 | 2013-09-12 | Genesis Group Inc. | Dual fibre bragg grating accelerometer |
| CN103743463A (zh) * | 2013-12-31 | 2014-04-23 | 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司 | 一种用于液体介质的双光纤光栅振动传感器 |
| CN204359817U (zh) * | 2014-12-16 | 2015-05-27 | 三峡大学 | 基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器 |
| CN105116168A (zh) * | 2015-10-14 | 2015-12-02 | 山东省科学院激光研究所 | 基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器 |
| CN105510631A (zh) * | 2016-01-11 | 2016-04-20 | 昆明理工大学 | 一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器及其使用方法 |
| CN105866474A (zh) * | 2016-03-30 | 2016-08-17 | 西安石油大学 | 柔性铰链梁光纤布拉格光栅二维加速度传感器 |
| CN105842479A (zh) * | 2016-06-03 | 2016-08-10 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 一种一体化差动式结构的光纤光栅加速度传感器 |
| CN206321660U (zh) * | 2016-12-29 | 2017-07-11 | 三峡大学 | 基于弹簧的双光栅光纤加速度传感器 |
| CN106814216A (zh) * | 2017-01-24 | 2017-06-09 | 武汉理工大学 | 一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器 |
| CN207335865U (zh) * | 2017-08-04 | 2018-05-08 | 菲布雷格光电科技（湖北）有限公司 | 基于柔性铰链的光纤光栅加速度传感器 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109991443A (zh) * | 2019-04-01 | 2019-07-09 | 东南大学 | 一种高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器 |
| CN111650401A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-09-11 | 西安交通大学 | 一种同平面贴装的金属基集成式谐振加速度计 |
| CN111650401B (zh) * | 2020-06-03 | 2021-05-07 | 西安交通大学 | 一种同平面贴装的金属基集成式谐振加速度计 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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