CN109556702A - 基于膜片式等强度悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感器技术领域，尤其为基于膜片式等强度悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器包括：设置在壳体内的膜片、惯性质量块，以及传感光栅，所述惯性质量块位于膜片的几何中心，并固定于膜片下方，膜片固定于外壳的内壁；所述膜片内部切割成对称四等强度悬臂梁，在其中一悬臂梁上表面设置有传感光栅，传感光栅一端尾纤穿出光纤出孔与外部解调单元相连，该传感器结合了悬臂梁和圆膜片的优点，从根本上解决传统悬臂梁式横向抗干扰能力不强的缺点，普通圆形膜片加速度响应灵敏度低的缺点，本发明具有设计合理、结构简单、测量范围大、加工安装简易、灵敏度高等优点，可用于油气资源地震勘探。

Description

基于膜片式等强度悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术领域，具体涉及基于膜片式等强度悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器。

背景技术

在地震勘探过程中，通过人工方法使用震源激发出地震波，地震波经过地层岩石介质传播后，反射或透射的信号必须使用一种专门的仪器去接收，这种用于接收地震波的专用仪器就是地震检波器，随着井中地震勘探技术的迅速发展，对检波器的各项性能参数要求也随之提高，目前地震勘探中普遍采用的还是传统的电磁式地震检波器，相对而言，它的级数少、检测灵敏度小、精度低、频率范围窄、易受电磁干扰、不耐高温，这些不足之处限制了井中地震勘探的发展，已不能满足高精度、高分辨率现代地震勘探的要求。因此，必须研制出高性能的地震检波器对井中地震波进行探测，以提高勘探质量，光纤光栅传感器是利用如应力、应变、温度等外界物理量的变化引起光纤有效折射率或光栅周期等参数的变化，从而导致光栅反射中心波长的变化，通过检测光栅反射中心波长的变化来获得外界物理量的变化。与传统的电子类振动传感器相比，光纤Bragg光栅(FBG)振动传感器在工作过程中无需电源驱动，适宜在易燃易爆的场合中使用(比如油、气井)，安全可靠；FBG具有良好的化学稳定性，可在各种腐蚀环境中正常工作；FBG振动传感过程中的光波频率比电磁波高很多，具有良好的抗电磁干扰特性；使用光纤传输信号，损耗小，可实现远距离控制测试；利用波分复用(DWDM)、时分复用(OTDM)等技术实现多点分布式测量。这些优势使得FBG振动传感器具有巨大的应用潜能和推广价值。

专利号为201410751923.0、发明名称为一种光纤光栅三维振动传感器的中国发明，公开了一种光纤光栅三维振动传感器，采用单膜片敏感结构，该三维光纤光栅振动传感器包括设置在壳体内的膜片、惯性质量块，以及传感光栅，所述惯性质量块位于膜片的几何中心，并固定于膜片下方，膜片固定于外壳的内壁；所述膜片上表面设置有三个传感光栅，传感光栅通过光纤出孔与外部解调单元相连，这种光纤光栅传感器由于光纤光栅粘贴于膜片环向的位置，容易引起光栅啁啾而导致传感器加速度响应灵敏度低甚至无法正常使用。

专利号为200710065321.X、发明名称为一种悬臂梁式光纤光栅加速度计的中国发明，公开了一种悬臂梁式光纤光栅加速度计，包括：作为该光纤光栅加速度计支撑结构的外壳；用于固定悬臂梁的支撑柱，该支撑柱一端固定连接于悬臂梁，另一端固定连接于所述光纤光栅加速度计的底侧面；悬臂梁安装于悬臂梁上侧两端的第一凸台和第二凸台，用于水平固定光纤光栅，且使光纤光栅与悬臂梁具有一定的间隔；用于测量加速度的光纤光栅，其两端分别固定于悬臂梁上的第一凸台和第二凸台上，其中一端平行于悬臂梁表面延伸穿过所述光纤光栅加速度计侧壁上的孔至所述光纤光栅加速度计的外部；安装于悬臂梁下侧一端或两端的质量块，用于调整光纤光栅加速度计的灵敏度和自振频率。该发明虽然提高了灵敏度，但是仍然存在普通悬臂梁结构横向抗干扰能力不强的缺点。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了基于膜片式等强度悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器，既有很好的横向抗干扰能力、同时灵敏度高的特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于膜片式等强度悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器，包括壳体以及设置在所述壳体内的膜片、下质量块、上质量块和传感光栅，所述下质量块和上质量块位于所述膜片的几何中心，并固定于所述膜片的中心位置处，所述膜片通过所述壳体上端设置的空心上盖固定于所述壳体的内壁；所述膜片内部切割成对称四等强度悬臂梁，且其中一悬臂梁上表面设置有所述传感光栅，所述传感光栅上的光纤尾纤通过光纤出孔与外部解调单元相连。

所选的，所述膜片上还包括膜片外圈、膜片式悬臂梁外侧、膜片式悬臂梁内侧、膜片内圈、膜片中心小孔和悬臂梁上光纤光栅黏贴处。

所选的，所述膜片采用铍青铜为基材，厚度为0.2～1mm，沿径向切割成对称四等强度悬臂梁，形成膜片式等强度悬臂梁结构。

所选的，所述下质量块和上质量块，采用灵活组装结构，所述上质量块中心位置加工有螺杆，所述下质量块中心位置加工有螺孔，二者可通过膜片的中心小孔连接固定。

所选的，所述空心上盖采用空心结构，且所述空心上盖与所述壳体通过丝扣连接。

所选的，所述膜片固定于壳体与空心上盖之间，所述空心上盖与所述壳体通过螺纹将所述膜片机械式压紧固定于所述壳体的凹台上。

所选的，所述膜片采用铍青铜材料制成，厚度为0.2～0.5mm，所述膜片外圈直径为50～60mm，所述膜片内圈直径为10mm。

所选的，所述下质量块和上质量块的直径与所述膜片内圈D直径相同，所述下质量块和上质量块的总质量为1～10g。

所选的，所述传感光栅的波长为1500～1600nm，且所述传感光栅的栅区长度为2～5mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：结合了悬臂梁和圆膜片的优点，从根本上解决传统悬臂梁式横向抗干扰能力不强的缺点，普通圆形膜片加速度响应灵敏度低的缺点，本发明具有设计合理、结构简单、测量范围大、加工安装简易、灵敏度高等优点，可用于油气资源地震勘探。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中的传感关键元件膜片式悬臂梁的俯视图；

图3为本发明的侧视结构示意图；

图中：1、空心上盖；2、传感光栅；3、光纤出孔；4、光纤尾纤；5、下质量块；6、上质量块；7、膜片；7A、膜片外圈；7B、膜片式悬臂梁外侧；7C、膜片式悬臂梁内侧；7D、膜片内圈；7E、膜片中心小孔；7F、悬臂梁上光纤光栅黏贴处；8、壳体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：基于膜片式等强度悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器，包括壳体8以及设置在壳体8内的膜片7、下质量块5、上质量块6和传感光栅2，下质量块5和上质量块6位于膜片7的几何中心，并固定于膜片7的中心位置处，膜片7通过壳体8上端设置的空心上盖1固定于壳体8的内壁；膜片7内部切割成对称四等强度悬臂梁，且其中一悬臂梁上表面设置有传感光栅2，传感光栅2上的光纤尾纤4通过光纤出孔3与外部解调单元相连。

本实施例中，在壳体8中设置有凹形的平台，其尺寸与膜片外圈7A大小一致，膜片7可以放置于壳体8的凹台之上，壳体8的上端通过螺纹联接安装有空心上盖1，膜片7固定于壳体8与空心上盖1之间，空心上盖1与壳体8通过螺纹将膜片7机械式压紧固定于壳体8的凹台上，勿需使用胶黏方式，膜片7的中心位置加工有膜片中心小孔7E，通过膜片中心小孔7E安装有惯性质量块，质量块分为上质量块6和下质量块5，上质量块6中心位置加工有螺杆，下质量块5中心位置加工有与螺杆对应的螺孔，上质量块6的螺杆穿过膜片中心小孔7E与下质量块5的螺孔通过螺纹紧固连接在一起，质量块的半径和膜片内圈7D半径一致，膜片7沿径向加工成对称四等强度悬臂梁，形成膜片式等强度悬臂梁结构，其中一悬臂中央位置标记有悬臂梁上光纤光栅黏贴处7F(虚线位置)，传感光栅2的栅区位置黏贴于此处光栅一端的光纤尾纤4通过光纤出孔3穿出传感器外，并与外部解调单元相连。

本实施例壳体8与空心上盖1采用不锈钢材料制成，下质量块5与上质量块6采用铅作为制作材料，上下质量块都为圆柱形结构，直径均为10mm，高度均为5mm，上下质量块总质量为9g，膜片7采用铍青铜材料制成，厚度为0.2mm，外直径为50mm，膜片外圈7A宽度5mm，膜片内圈7D直径为10mm，膜片中心小孔7E直径1.5mm，膜片式悬臂梁外侧7B(虚线处)长度为6mm，膜片式悬臂梁内侧7C(虚线处)长度为2mm，传感光栅2的波长为1550nm。

实施例2

本实施例壳体8与空心上盖1采用不锈钢材料制成，下质量块5与上质量块6采用有机玻璃作为制作材料，上下质量块都为圆柱形结构，直径均为10mm，高度均为2.5mm，上下质量块总质量为0.5g，膜片7采用铍青铜材料制成，厚度为0.5mm，外直径为50mm，膜片外圈7A宽度5mm，膜片内圈7D直径为10mm，膜片中心小孔7E直径1.5mm，膜片式悬臂梁外侧7B(虚线处)长度为6mm，膜片式悬臂梁内侧7C(虚线处)长度为2mm，传感光栅2的波长为1550nm，传感光栅2的栅区长度为5mm，其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

使用时，将本发明安装在被测对象上，将信号传输光纤与光纤光栅解调模块相连，当外界的振动信号作用于被测物体时，惯性质量块在惯性力的作用下，传感器敏感膜片7上表面不同区域的应变对振动方向响应不同，不同的区域对应不同的应变，使得粘贴在悬臂梁上光纤光栅黏贴处7F(虚线位置)的传感光栅的波长发生漂移，通过波长解调单元实现振动信号的处理，从而检测出被测物体的振动幅度和频率。

本发明的工作原理如下：

光纤光栅封装在膜片式悬臂梁表面的对称中心线上及悬臂梁上光纤光栅黏贴处7F(虚线位置)位置处，当被测物体发生振动时，质量块也振动，在质量块的惯性力作用下，膜片7的表面产生拉伸和压缩，使得粘贴于膜片式悬臂梁表面的上传感光栅2产生应变，对于光纤布拉格光栅(FBG)，当传感光栅2光纤光栅区受到轴向应变时，由于光纤材料的弹光效应和轴向伸缩，导致折射率和光纤光栅栅距的变化，中心反射波长变化量为：

Δλ_B＝(1-p_e)ελ_B (1)

式中P_e为光纤材料的有效弹光系数，ε为光纤光栅受到的轴向应变，λ_B为光纤光栅在自由状态下的布拉格反射波长。

由材料力学理论和对膜片式悬臂梁的力学分析可知，则该弹性系统的谐振频率为：

由振动理论结合光纤光栅波长随应变的波长漂移公式则得到光纤光栅的相对波长漂移量为：

式中：P_e是光纤的有效弹光系数；膜片式悬臂梁外侧宽为b；m为质量块的质量；h为的是膜片厚度；L代表悬臂梁有效长度；E为膜片材料的弹性模量。

从上式(2)、(3)可以得到振动传感器的共振频率和在外界振动信号的作用下光栅波长的变化。当受到外界振动信号的作用，则惯性质量块运动引起传感光栅的波长变化，最终实现振动信号的幅度和频率的检测。

本发明与现有技术相比有如下优点：

本发明采用单敏感元件和单惯性质量块来实现振动信号的测量，不需要多敏感元件和多惯性质量块，更简单、可靠单、易行，所以不存在多个敏感元件的组合问题，光纤光栅的封装工艺更简单，容易实现，该传感器结合了悬臂梁和圆膜片的优点，从根本上解决传统悬臂梁式横向抗干扰能力不强的缺点，普通圆形膜片加速度响应灵敏度低的缺点，通过在圆膜片上加工四条等强度悬臂梁，采用等强度悬臂梁作为振动信号的传递元件，可以避免粘贴传感光纤光栅时对具体位置的苛刻要求，减少传感光纤光栅啁啾的可能性，降低封装的难度，同时采用该结构可提高振动传感器的横向抗干扰能力，有效降低了交叉灵敏度，本发明具有设计合理、结构简单、测量范围大、加工安装简易、灵敏度高等优点，可用于油气资源地震勘探。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于膜片式等强度悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：包括壳体(8)以及设置在所述壳体(8)内的膜片(7)、下质量块(5)、上质量块(6)和传感光栅(2)，所述下质量块(5)和上质量块(6)位于所述膜片(7)的几何中心，并固定于所述膜片(7)的中心位置处，所述膜片(7)通过所述壳体(8)上端设置的空心上盖(1)固定于所述壳体(8)的内壁；所述膜片(7)内部切割成对称四等强度悬臂梁，且其中一悬臂梁上表面设置有所述传感光栅(2)，所述传感光栅(2)上的光纤尾纤(4)通过光纤出孔(3)与外部解调单元相连。

2.根据权利要求1所述的基于膜片式等强度悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述膜片(7)上还包括膜片外圈(7A)、膜片式悬臂梁外侧(7B)、膜片式悬臂梁内侧(7C)、膜片内圈(7D)、膜片中心小孔(7E)和悬臂梁上光纤光栅黏贴处(7F)。

3.根据权利要求1所述的基于膜片式等强度悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述膜片(7)采用铍青铜为基材，厚度为0.2～1mm，沿径向切割成对称四等强度悬臂梁，形成膜片式等强度悬臂梁结构。

4.根据权利要求2所述的基于膜片式等强度悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述下质量块(5)和上质量块(6)，采用灵活组装结构，所述上质量块(6)中心位置加工有螺杆，所述下质量块(5)中心位置加工有螺孔，二者可通过膜片(7)的中心小孔(7E)连接固定。

5.根据权利要求1所述的基于膜片式等强度悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述空心上盖(1)采用空心结构，且所述空心上盖(1)与所述壳体(8)通过丝扣连接。

6.根据权利要求1所述的基于膜片式等强度悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述膜片(7)固定于壳体(8)与空心上盖(1)之间，所述空心上盖(1)与所述壳体(8)通过螺纹将所述膜片(7)机械式压紧固定于所述壳体(8)的凹台上。

7.根据权利要求2所述的基于膜片式等强度悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述膜片(7)采用铍青铜材料制成，厚度为0.2～0.5mm，所述膜片外圈(7A)直径为50～60mm，所述膜片内圈(7D)直径为10mm。

8.根据权利要求2所述的基于膜片式等强度悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述下质量块(5)和上质量块(6)的直径与所述膜片内圈(7D)直径相同，所述下质量块(5)和上质量块(6)的总质量为1～10g。

9.根据权利要求1所述的基于膜片式等强度悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述传感光栅(2)的波长为1500～1600nm，且所述传感光栅(2)的栅区长度为2～5mm。