CN109828123B - 一种基于长周期光纤光栅弯曲特性的二维加速度传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于长周期光纤光栅弯曲特性的二维加速度传感器及测量方法，包括矩形柔性梁、质量块、支撑座、长周期光纤光栅；本发明建立起了加速度与长周期光纤光栅波长量之间的关系，通过测量长周期光纤光栅的波长变化即可获得振动信号的加速度信息。本发明利用长周期光纤光栅的弯曲特性来获得测量信号，有效降低了横向振动对纵向加速度测量的干扰，具有结构简单、体积小、成本低、灵敏度和测量精度高的优点。

Description

一种基于长周期光纤光栅弯曲特性的二维加速度传感器及测 量方法

技术领域

本发明属于机械振动测量技术领域，具体涉及一种基于长周期光纤光栅弯曲特性的二维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了迅速的发展。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，一类是使用膜片、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，满足低频振动需求；但这种结构的动态特性受到结构体的刚度影响，整体结构尺寸偏大；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。对于大多数光纤光栅二维振动传感器而言，二维加速度通过将两个垂直的测量方向的加速度进行矢量合成来获得，但有许多传感器的两个测量方向上灵敏度不同，使得合成的总加速度不够准确。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于长周期光纤光栅弯曲特性的二维加速度传感器及测量方法用于测量二维加速度信息，且传感器尺寸小、测量灵敏度高。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于长周期光纤光栅弯曲特性的二维加速度传感器，其特征在于：包括矩形柔性梁、质量块、支撑座和长周期光纤光栅；支撑座有两个，用于与被测物体固定连接，在XYZ三坐标直角坐标系中，两个支撑座的底面背向向外且平行于XY平面，两个支撑座之间以Z轴为旋转轴的夹角为90度；矩形柔性梁为弹性元件且有四个，其中两个矩形柔性梁的侧面平行于YZ平面，另两个矩形柔性梁的侧面平行于XZ平面，矩形柔性梁通过长度方向的两端分别与两个支撑座固定连接，用于产生垂直于矩形柔性梁的侧面方向的形变；质量块有两个，质量块通过两端分别固定在两个平行的矩形柔性梁的内侧中部，用于敏感被测物体的加速度；长周期光纤光栅有四根，长周期光纤光栅以一定预应力固定在矩形柔性梁的外侧面，用于根据矩形柔性梁的形变发生弯曲效应，并输出内部传输光的波长的漂移量，通过波长的漂移量测得被测物体的加速度信号。

按上述方案，质量块的长度方向的两个端面各设有一个长方体凸台，凸台上设有螺纹孔，矩形柔性梁的内侧中部设有螺纹圆柱体，质量块与矩形柔性梁之间通过螺纹固定连接。

按上述方案，矩形柔性梁的两端设有通孔，支撑座的侧面设有螺纹孔，矩形柔性梁与支撑座通过螺钉固定连接。

按上述方案，质量块的宽度与矩形柔性梁的宽度相同；其中一个质量块的面积更大的两侧面与YZ平面平行，另一个质量块的面积更大的两侧面与XZ平面平行。

一种基于长周期光纤光栅弯曲特性的二维加速度传感器的测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：将支撑座固定在被测物体上，当被测物体产生振动时，矩形柔性梁由于质量块的惯性产生微小弯曲，带动长周期光纤光栅发生弯曲效应；

步骤S2：通过建立质量块所受作用力与矩形柔性梁的弯曲曲率的关系模型，得到质量块的振动加速度与长周期光纤光栅弯曲曲率的关系模型；

步骤S3：建立被测物体加速度与长周期光纤光栅波长漂移量之间的关系模型，得到振动信号的表达式。

进一步的，在所述步骤S2中，具体步骤为：

步骤S21：设质量块的质量为m，当被测物体产生沿X轴方向加速度为a_x的振动信号时，长度方向沿X轴的质量块受到的作用力F为：

F＝ma_x；

步骤S22：设矩形柔性梁的宽度为b，矩形柔性梁的厚度为h，矩形柔性梁对其厚度方向的惯性矩I为：

设矩形柔性梁的有效长度为L，矩形柔性梁的弹性模量为E，与质量块连接的矩形柔性梁受到的最大挠度W为：

矩形柔性梁受到的弯曲曲率C为：

步骤S23：根据步骤S21和步骤S22的表达式得到质量块的振动加速度a_x与矩形柔性梁的弯曲曲率C的关系为：

进一步的，在所述步骤S3中，具体步骤为：

步骤S31：根据材料力学梁的弯曲特性，矩形柔性梁表面的弯曲曲率C与矩形柔性梁表面的应变ε呈线性关系：

ε＝hC；

步骤S32：当矩形柔性梁发生弯曲时，以一定预应力固定在矩形柔性梁表面的长周期光纤光栅也产生弯曲效应，且长周期光纤光栅的弯曲曲率与矩形柔性梁表面的弯曲曲率相同为C，设长周期光纤光栅的弯曲灵敏度为K，根据长周期光纤光栅的弯曲特性，在一定范围内，长周期光纤光栅的波长漂移量Δλ_x与弯曲曲率C呈线性关系：

Δλ_x＝KC；

步骤S33：将步骤S23得到的表达式带入步骤S32得到的表达式，得到被测物体沿X轴方向的加速度为：

被测物体沿Y轴方向的加速度为：

被测物体的二维加速度为：

即由长周期光纤光栅的波长漂移量得到被测物体的加速度振动信号。

本发明的有益效果为：

1.本发明的一种基于长周期光纤光栅弯曲特性的二维加速度传感器包括矩形柔性梁、质量块、支撑座和长周期光纤光栅，结构简单，体积小，制造成本低。

2.本发明固定在被测物体上，当被测物体产生振动时，矩形柔性梁由于质量块的惯性产生微小弯曲，带动长周期光纤光栅发生弯曲效应获得测量信号，有效降低了横向振动对纵向加速度测量的干扰，提高了测量灵敏度和测量精度。

3.本发明是一种无源传感器，抗电磁干扰，易于实现遥测功能。

附图说明

图1是本发明实施例的立体图。

图2是本发明实施例的的矩形柔性梁的立体图。

图3是本发明实施例的支撑座的立体图。

图4是本发明实施例的矩形柔性梁-质量块的受力变形示意图。

图中：1.矩形柔性梁；2.质量块；3.支撑座；4.内六角螺钉；5.长周期光纤光栅；6.螺纹圆柱体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种基于长周期光纤光栅弯曲特性的二维加速度传感器，包括矩形柔性梁、质量块、支撑座和长周期光纤光栅。

支撑座有两个，用于与被测物体固定连接，在XYZ三坐标直角坐标系中，两个支撑座的底面背向向外且平行于XY平面，两个支撑座以Z轴为旋转轴的夹角为90度。矩形柔性梁为弹性元件且有四个，其中两个矩形柔性梁的侧面平行于YZ平面，另两个矩形柔性梁的侧面平行于XZ平面。质量块有两个，材料为铜合金，其中一个质量块的面积更大的两侧面与YZ平面平行，另一个质量块的面积更大的两侧面与XZ平面平行，质量块的宽度与矩形柔性梁的宽度相同。

质量块长度方向的两个端面各设有一个长方体凸台，凸台上设有螺纹孔，矩形柔性梁的内侧中部设有螺纹圆柱体；质量块与矩形柔性梁之间通过螺纹固定连接。矩形柔性梁的两端设有通孔，支撑座的侧面设有螺纹孔，矩形柔性梁与支撑座通过螺钉固定连接。通过质量块敏感被测物体的加速度使矩形柔性梁产生垂直于矩形柔性梁的侧面方向的形变。

长周期光纤光栅有四根，长周期光纤光栅通过胶结剂以一定预应力固定在矩形柔性梁的外侧面，用于根据矩形柔性梁的形变发生弯曲效应，并输出内部传输光的波长的漂移量，通过波长的漂移量测得被测物体的加速度信号。

基于权利要求1所述的一种基于长周期光纤光栅弯曲特性的二维加速度传感器的测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：将支撑座固定在被测物体上，当被测物体产生振动时，矩形柔性梁由于质量块的惯性产生微小弯曲，带动长周期光纤光栅发生弯曲效应。

步骤S2：通过建立质量块所受作用力与矩形柔性梁的弯曲曲率的关系模型，得到质量块的振动加速度与长周期光纤光栅弯曲曲率的关系模型：

步骤S21：设质量块的质量为m，当被测物体产生沿X轴方向加速度为a_x的振动信号时，长度方向沿X轴的质量块受到的作用力F为：

F＝ma_x；

步骤S22：设矩形柔性梁的宽度为b，矩形柔性梁的厚度为h，矩形柔性梁对其厚度方向的惯性矩I为：

设矩形柔性梁的有效长度为L，矩形柔性梁的弹性模量为E，与质量块连接的矩形柔性梁受到的最大挠度W为：

矩形柔性梁受到的弯曲曲率C为：

步骤S23：根据步骤S21和步骤S22的表达式得到质量块的振动加速度a_x与矩形柔性梁的弯曲曲率C的关系为：

步骤S3：建立被测物体加速度与长周期光纤光栅波长漂移量之间的关系模型，得到振动信号的表达式：

步骤S31：根据材料力学梁的弯曲特性，矩形柔性梁表面的弯曲曲率C与矩形柔性梁表面的应变ε呈线性关系：

ε＝hC；

步骤S32：当矩形柔性梁发生弯曲时，以一定预应力固定在矩形柔性梁表面的长周期光纤光栅也产生弯曲效应，且长周期光纤光栅的弯曲曲率与矩形柔性梁表面的弯曲曲率相同为C，设长周期光纤光栅的弯曲灵敏度为K，根据长周期光纤光栅的弯曲特性，在一定范围内，长周期光纤光栅的波长漂移量Δλ_x与弯曲曲率C呈线性关系：

Δλ_x＝KC；

步骤S33：将步骤S23得到的表达式带入步骤S32得到的表达式，得到被测物体沿X轴方向的加速度为：

被测物体沿Y轴方向的加速度为：

被测物体的二维加速度为：

即由长周期光纤光栅的波长漂移量得到被测物体的加速度振动信号。

综上所述，本发明建立起加速度与长周期光纤光栅波长量之间的关系，通过测量长周期光纤光栅的波长变化即可获得振动信号的加速度信息。本发明利用长周期光纤光栅的弯曲特性来获得测量信号，有效降低了横向振动对纵向加速度测量的干扰，具有结构简单、体积小、成本低、灵敏度和测量精度高的优点。

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)

1.一种基于长周期光纤光栅弯曲特性的二维加速度传感器，其特征在于：包括矩形柔性梁、质量块、支撑座和长周期光纤光栅；支撑座有两个，用于与被测物体固定连接，在XYZ三坐标直角坐标系中，两个支撑座的底面背向向外且平行于XY平面，两个支撑座之间以Z轴为旋转轴的夹角为90度；矩形柔性梁为弹性元件且有四个，其中两个矩形柔性梁的侧面平行于YZ平面，另两个矩形柔性梁的侧面平行于XZ平面，矩形柔性梁通过长度方向的两端分别与两个支撑座固定连接，用于产生垂直于矩形柔性梁的侧面方向的形变；质量块有两个，质量块通过两端分别固定在两个平行的矩形柔性梁的内侧中部，用于敏感被测物体的加速度；长周期光纤光栅有四根，长周期光纤光栅以一定预应力固定在矩形柔性梁的外侧面，用于根据矩形柔性梁的形变发生弯曲效应，并输出内部传输光的波长的漂移量，通过波长的漂移量测得被测物体的加速度信号；

质量块的宽度与矩形柔性梁的宽度相同；其中一个质量块的面积更大的两侧面与YZ平面平行，另一个质量块的面积更大的两侧面与XZ平面平行。

2.根据权利要求1所述的一种基于长周期光纤光栅弯曲特性的二维加速度传感器，其特征在于：质量块的长度方向的两个端面各设有一个长方体凸台，凸台上设有螺纹孔，矩形柔性梁的内侧中部设有螺纹圆柱体，质量块与矩形柔性梁之间通过螺纹固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于长周期光纤光栅弯曲特性的二维加速度传感器，其特征在于：矩形柔性梁的两端设有通孔，支撑座的侧面设有螺纹孔，矩形柔性梁与支撑座通过螺钉固定连接。

4.基于权利要求1所述的一种基于长周期光纤光栅弯曲特性的二维加速度传感器的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：将支撑座固定在被测物体上，当被测物体产生振动时，矩形柔性梁由于质量块的惯性产生微小弯曲，带动长周期光纤光栅发生弯曲效应；

步骤S2：通过建立质量块所受作用力与矩形柔性梁的弯曲曲率的关系模型，得到质量块的振动加速度与长周期光纤光栅弯曲曲率的关系模型；

步骤S3：建立被测物体加速度与长周期光纤光栅波长漂移量之间的关系模型，得到振动信号的表达式。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：在所述步骤S2中，具体步骤为：

步骤S21：设质量块的质量为m，当被测物体产生沿X轴方向加速度为a_x的振动信号时，长度方向沿X轴的质量块受到的作用力F为：

F＝ma_x；

步骤S22：设矩形柔性梁的宽度为b，矩形柔性梁的厚度为h，矩形柔性梁对其厚度方向的惯性矩I为：

设矩形柔性梁的有效长度为L，矩形柔性梁的弹性模量为E，与质量块连接的矩形柔性梁受到的最大挠度W为：

矩形柔性梁受到的弯曲曲率C为：

步骤S23：根据步骤S21和步骤S22的表达式得到质量块的振动加速度a_x与矩形柔性梁的弯曲曲率C的关系为：

6.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：在所述步骤S3中，具体步骤为：

步骤S31：根据材料力学梁的弯曲特性，矩形柔性梁表面的弯曲曲率C与矩形柔性梁表面的应变ε呈线性关系：

ε＝hC；

步骤S32：当矩形柔性梁发生弯曲时，以一定预应力固定在矩形柔性梁表面的长周期光纤光栅也产生弯曲效应，且长周期光纤光栅的弯曲曲率与矩形柔性梁表面的弯曲曲率相同为C，设长周期光纤光栅的弯曲灵敏度为K，根据长周期光纤光栅的弯曲特性，在一定范围内，长周期光纤光栅的波长漂移量Δλ_x与弯曲曲率C呈线性关系：

Δλ_x＝KC；

步骤S33：将步骤S23得到的表达式带入步骤S32得到的表达式，得到被测物体沿X轴方向的加速度为：

被测物体沿Y轴方向的加速度为：

被测物体的二维加速度为：

即由长周期光纤光栅的波长漂移量得到被测物体的加速度振动信号。

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