CN109856423B - 基于柔性铰链的三维fbg加速度计及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

一种基于柔性铰链的三维FBG加速度计，包括传感器壳体、传感单元与单根光纤光栅，优选为FBG，所述传感单元包括X、Y、Z向金属传感芯体，X、Y向金属传感芯体相互垂直连接，并位于同一水平面，Z向金属传感芯体与X、Y向金属传感芯体均垂直，三个金属传感芯体都为包括基座、铰链、质量块的柔性铰链结构，单根光纤光栅的一端位于传感器壳体的外部，另一端依次穿经一号出纤孔、X质沟槽、X基沟槽、Y基沟槽、Y质沟槽、Z质沟槽、Z基沟槽、二号出纤孔后延伸至传感器壳体的外部。本设计不仅精确度较高，体积较小，而且利于接入传感网络，便于制作与使用。

Description

基于柔性铰链的三维FBG加速度计及其制造工艺

技术领域

本发明涉及一种加速度计，属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于柔性铰链的三维FBG加速度计及其制造工艺。

背景技术

光纤光栅作为一种比较热门的高新技术之一，与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点，如具有体积小、重量轻、精度高、无源、抗电磁干扰、长期稳定性好、借助光纤载体可远距离传输信号等，在航空航天、国防建设、能源、工业生产和日常生活等领域具有巨大的应用前景。同时，在一些特殊的应用场合，如航空航天领域的飞行器、军事领域中对远程导弹制导控制、汽车安全检测、汽车的安全防护系统、机器人等特殊的领域等需要三维的加速度信息，相应提出了对三维加速度传感器的需求，以实现对系统的可靠控制。光纤光栅三维加速度传感器通过一个传感器模块获得3个轴向的加速度，后矢量合成所需的空间加速度，实现对加速度实时、高精度的检测，具有很好的应用前景。

但是，目前市场上常见的FBG加速度传感器结构多为梁式、顺变柱、膜片式和铰链式等结构，现有的光纤光栅二、三维传感器存在体积大、灵敏度低、横向抗干扰能力差、测量精度低、制作工艺复杂等缺点。

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的精确度较差、体积较大、不利于接入传感网络的缺陷与问题，提供一种精确度较高、体积较小、利于接入传感网络的基于柔性铰链的三维FBG加速度计及其制造工艺。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种基于柔性铰链的三维FBG加速度计，包括中空结构的传感器壳体及其内部设置的传感单元，所述传感器壳体的顶部、底部分别与传感器壳盖、传感器底座相连接，且在传感单元上设置有光纤光栅；

所述传感单元包括X向金属传感芯体、Y向金属传感芯体与Z向金属传感芯体，X向金属传感芯体、Y向金属传感芯体位于同一水平面，X向金属传感芯体、Y向金属传感芯体相互垂直，Z向金属传感芯体与X向金属传感芯体、Y向金属传感芯体所共在的水平面相互垂直；

所述X向金属传感芯体包括依次连接的X向基座、X向铰链、X向质量块，所述Y向金属传感芯体包括依次连接的Y向基座、Y向铰链、Y向质量块，所述Z向金属传感芯体包括依次连接的Z向基座、Z向铰链、Z向质量块；所述X向基座与Y向基座相互连接为一体结构的中承块，该中承块的内侧开设有切口槽以与Z向基座的顶部进行插入连接，Z向基座与中承块相互垂直，Z向基座的底部与传感器底座的顶面垂直连接；

所述X向基座、X向质量块、Y向基座、Y向质量块、Z向基座、Z向质量块的外侧部上都开设有一一对应的X基沟槽、X质沟槽、Y基沟槽、Y质沟槽、Z基沟槽、Z质沟槽，所述光纤光栅的一端位于传感器壳体的外部，另一端依次穿经一号出纤孔、X质沟槽、X基沟槽、Y基沟槽、Y质沟槽、Z质沟槽、Z基沟槽、二号出纤孔后延伸至传感器壳体的外部，且在传感器壳体的侧壁上分别开设有一号出纤孔、二号出纤孔。

所述光纤光栅为FBG。

所述光纤光栅的栅区长度为5―10mm。

所述X向铰链、Y向铰链、Z向铰链都为圆弧柔性铰链，且敏感结构、特征参数一致。

所述中承块上位于X基沟槽、Y基沟槽之间的部位为过渡部，该过渡部为圆角结构。

所述切口槽与Z向基座的连接方式为激光焊接。

所述光纤光栅与X基沟槽、X质沟槽、Y基沟槽、Y质沟槽、Z基沟槽、Z质沟槽之间的连接方式都为用胶粘接。

一种上述基于柔性铰链的三维FBG加速度计的制造工艺，所述制造工艺包括以下步骤：先分别制作出X向金属传感芯体、Y向金属传感芯体、Z向金属传感芯体，其中，X向金属传感芯体、Y向金属传感芯体连接为一体结构以产生中承块，再在中承块的内侧开设出切口槽，然后夹持X向金属传感芯体、Y向金属传感芯体、Z向金属传感芯体以使Z向金属传感芯体垂直的位于切口槽内，再对切口槽、Z向金属传感芯体进行连接以得到传感单元，然后对传感单元进行清洗、晾干，再在晾干后的传感单元上穿绕单根的光纤光栅，并将光纤光栅与X基沟槽、X质沟槽、Y基沟槽、Y质沟槽、Z基沟槽、Z质沟槽进行粘接，然后将传感单元与传感器底座的顶面相连接，再将光纤光栅的首尾两端分别从一号出纤孔、二号出纤孔中穿出，并在穿出后与出纤保护接头相连接，然后将传感器壳盖与传感器壳体的顶部相连接以得到毛坯，再对毛坯循环的进行加热、自然冷却、加热、自然冷却……加热、自然冷却，以得到加速度计。

所述对传感单元进行清洗、晾干是指：将传感单元置于清洗液中，并用超声波机进行清洗，后晾干。

所述在晾干后的传感单元上穿绕单根的光纤光栅，并将光纤光栅与X基沟槽、X质沟槽、Y基沟槽、Y质沟槽、Z基沟槽、Z质沟槽进行粘接是指：先将传感单元放置于加热台上加热，再将光纤光栅悬空于X基沟槽、X质沟槽、Y基沟槽、Y质沟槽、Z基沟槽、Z质沟槽中，同时，使用夹具使得光纤光栅具备预拉伸量，再在光纤光栅上点上胶水，然后等待胶水干透即可。

本发明的有益效果是：在本发明一种基于柔性铰链的三维FBG加速度计及其制造工艺中，传感单元包括X向金属传感芯体、Y向金属传感芯体、Z向金属传感芯体，其中，X向金属传感芯体、Y向金属传感芯体相互垂直连接为一体结构，且位于同一水平面，Z向金属传感芯体则与X向金属传感芯体、Y向金属传感芯体所共在的水平面相互垂直，三种金属传感芯体都为包括基座、铰链、质量块的柔性铰链结构，当有外界振动信号时，金属传感芯体中的质量块在惯性力的作用下绕铰链做相对转动，带动粘贴于该处的光纤光栅（优选为FBG）伸缩，进而造成光纤光栅的中心波长发生变化，由于本发明在三个方向上的柔性铰链结构相互垂直，位置准确，从而提高了加速度计测量的精度，同时，本发明采用一根光纤一体化封装方式，便于接入传感网络，解决了现有技术中传感器体积大、测量误差大、质量重、出纤繁多、不便于组网等问题，此外，本发明在使用时只需将加速度计用胶结或螺接的方式与被测表面连接即可，十分方便。因此，本发明不仅精确度较高、体积较小、利于接入传感网络，而且便于制作与使用，应用范围较广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明在X方向施加一定的振动信号时，X、Y、Z三个方向光纤光栅的波长偏移量。

图3是本发明在Y方向施加一定的振动信号时，X、Y、Z三个方向光纤光栅的波长偏移量。

图4是本发明在Z方向施加一定的振动信号时，X、Y、Z三个方向光纤光栅的波长偏移量。

图中：传感器壳盖1、传感器壳体2、一号出纤孔21、二号出纤孔22、传感器底座3、传感单元4、中承块41、切口槽42、过渡部43、X向金属传感芯体5、X向基座51、X向铰链52、X向质量块53、X基沟槽54、X质沟槽55、Y向金属传感芯体6、Y向基座61、Y向铰链62、Y向质量块63、Y基沟槽64、Y质沟槽65、Z向金属传感芯体7、Z向基座71、Z向铰链72、Z向质量块73、Z基沟槽74、Z质沟槽75、光纤光栅8。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1―图4，一种基于柔性铰链的三维FBG加速度计，包括中空结构的传感器壳体2及其内部设置的传感单元4，所述传感器壳体2的顶部、底部分别与传感器壳盖1、传感器底座3相连接，且在传感单元4上设置有光纤光栅8；

所述传感单元4包括X向金属传感芯体5、Y向金属传感芯体6与Z向金属传感芯体7，X向金属传感芯体5、Y向金属传感芯体6位于同一水平面，X向金属传感芯体5、Y向金属传感芯体6相互垂直，Z向金属传感芯体7与X向金属传感芯体5、Y向金属传感芯体6所共在的水平面相互垂直；

所述X向金属传感芯体5包括依次连接的X向基座51、X向铰链52、X向质量块53，所述Y向金属传感芯体6包括依次连接的Y向基座61、Y向铰链62、Y向质量块63，所述Z向金属传感芯体7包括依次连接的Z向基座71、Z向铰链72、Z向质量块73；所述X向基座51与Y向基座61相互连接为一体结构的中承块41，该中承块41的内侧开设有切口槽42以与Z向基座71的顶部进行插入连接，Z向基座71与中承块41相互垂直，Z向基座71的底部与传感器底座3的顶面垂直连接；

所述X向基座51、X向质量块53、Y向基座61、Y向质量块63、Z向基座71、Z向质量块73的外侧部上都开设有一一对应的X基沟槽54、X质沟槽55、Y基沟槽64、Y质沟槽65、Z基沟槽74、Z质沟槽75，所述光纤光栅8的一端位于传感器壳体2的外部，另一端依次穿经一号出纤孔21、X质沟槽55、X基沟槽54、Y基沟槽64、Y质沟槽65、Z质沟槽75、Z基沟槽74、二号出纤孔22后延伸至传感器壳体2的外部，且在传感器壳体2的侧壁上分别开设有一号出纤孔21、二号出纤孔22。

所述光纤光栅8为FBG。

所述光纤光栅8的栅区长度为5―10mm。

所述X向铰链52、Y向铰链62、Z向铰链72都为圆弧柔性铰链，且敏感结构、特征参数一致。

所述中承块41上位于X基沟槽54、Y基沟槽64之间的部位为过渡部43，该过渡部43为圆角结构。

所述切口槽42与Z向基座71的连接方式为激光焊接。

所述光纤光栅8与X基沟槽54、X质沟槽55、Y基沟槽64、Y质沟槽65、Z基沟槽74、Z质沟槽75之间的连接方式都为用胶粘接。

一种上述基于柔性铰链的三维FBG加速度计的制造工艺，所述制造工艺包括以下步骤：先分别制作出X向金属传感芯体5、Y向金属传感芯体6、Z向金属传感芯体7，其中，X向金属传感芯体5、Y向金属传感芯体6连接为一体结构以产生中承块41，再在中承块41的内侧开设出切口槽42，然后夹持X向金属传感芯体5、Y向金属传感芯体6、Z向金属传感芯体7以使Z向金属传感芯体7垂直的位于切口槽42内，再对切口槽42、Z向金属传感芯体7进行连接以得到传感单元4，然后对传感单元4进行清洗、晾干，再在晾干后的传感单元4上穿绕单根的光纤光栅8，并将光纤光栅8与X基沟槽54、X质沟槽55、Y基沟槽64、Y质沟槽65、Z基沟槽74、Z质沟槽75进行粘接，然后将传感单元4与传感器底座3的顶面相连接，再将光纤光栅8的首尾两端分别从一号出纤孔21、二号出纤孔22中穿出，并在穿出后与出纤保护接头相连接，然后将传感器壳盖1与传感器壳体2的顶部相连接以得到毛坯，再对毛坯循环的进行加热、自然冷却、加热、自然冷却……加热、自然冷却，以得到加速度计。

所述对传感单元4进行清洗、晾干是指：将传感单元4置于清洗液中，并用超声波机进行清洗，后晾干。

所述在晾干后的传感单元4上穿绕单根的光纤光栅8，并将光纤光栅8与X基沟槽54、X质沟槽55、Y基沟槽64、Y质沟槽65、Z基沟槽74、Z质沟槽75进行粘接是指：先将传感单元4放置于加热台上加热，再将光纤光栅8悬空于X基沟槽54、X质沟槽55、Y基沟槽64、Y质沟槽65、Z基沟槽74、Z质沟槽75中，同时，使用夹具使得光纤光栅8具备预拉伸量，再在光纤光栅8上点上胶水，然后等待胶水干透即可。

本发明的原理说明如下：

为了解决现有技术的缺点，本发明设计出一种基于柔性铰链的三维FBG加速度计及其制造工艺，该加速度计具有较高的灵敏度和频响范围，横向抗干扰能力强，同时兼有体积小、质量轻、安装简单、方便传感器网络集成等实用性优势，适用于航空航天、大型装备等领域。

本发明中的FBG全称为Fiber Bragg Grating，即为光纤布拉格光栅，即在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅。

实施例1：

参见图1―图4，一种基于柔性铰链的三维FBG加速度计，包括中空结构的传感器壳体2及其内部设置的传感单元4，所述传感器壳体2的顶部、底部分别与传感器壳盖1、传感器底座3相连接，且在传感单元4上设置有光纤光栅8（优选为FBG）；所述传感单元4包括X向金属传感芯体5、Y向金属传感芯体6与Z向金属传感芯体7，X向金属传感芯体5、Y向金属传感芯体6位于同一水平面，X向金属传感芯体5、Y向金属传感芯体6相互垂直，Z向金属传感芯体7与X向金属传感芯体5、Y向金属传感芯体6所共在的水平面相互垂直；所述X向金属传感芯体5包括依次连接的X向基座51、X向铰链52、X向质量块53，所述Y向金属传感芯体6包括依次连接的Y向基座61、Y向铰链62、Y向质量块63，所述Z向金属传感芯体7包括依次连接的Z向基座71、Z向铰链72、Z向质量块73；所述X向基座51与Y向基座61相互连接为一体结构的中承块41，该中承块41的内侧开设有切口槽42以与Z向基座71的顶部进行插入连接，Z向基座71与中承块41相互垂直，Z向基座71的底部与传感器底座3的顶面垂直连接；所述X向基座51、X向质量块53、Y向基座61、Y向质量块63、Z向基座71、Z向质量块73的外侧部上都开设有一一对应的X基沟槽54、X质沟槽55、Y基沟槽64、Y质沟槽65、Z基沟槽74、Z质沟槽75，所述光纤光栅8的一端位于传感器壳体2的外部，另一端依次穿经一号出纤孔21、X质沟槽55、X基沟槽54、Y基沟槽64、Y质沟槽65、Z质沟槽75、Z基沟槽74、二号出纤孔22后延伸至传感器壳体2的外部，且在传感器壳体2的侧壁上分别开设有一号出纤孔21、二号出纤孔22。

一种上述基于柔性铰链的三维FBG加速度计的制造工艺，包括以下步骤：先分别制作出X向金属传感芯体5、Y向金属传感芯体6、Z向金属传感芯体7，其中，X向金属传感芯体5、Y向金属传感芯体6连接为一体结构以产生中承块41，再在中承块41的内侧开设出切口槽42，然后夹持X向金属传感芯体5、Y向金属传感芯体6、Z向金属传感芯体7以使Z向金属传感芯体7垂直的位于切口槽42内，再对切口槽42、Z向金属传感芯体7进行连接以得到传感单元4，然后对传感单元4进行清洗、晾干，再在晾干后的传感单元4上穿绕单根的光纤光栅8，并将光纤光栅8与X基沟槽54、X质沟槽55、Y基沟槽64、Y质沟槽65、Z基沟槽74、Z质沟槽75进行粘接，然后将传感单元4与传感器底座3的顶面相连接，再将光纤光栅8的首尾两端分别从一号出纤孔21、二号出纤孔22中穿出，并在穿出后与出纤保护接头相连接，然后将传感器壳盖1与传感器壳体2的顶部相连接以得到毛坯，再对毛坯循环的进行加热、自然冷却、加热、自然冷却……加热、自然冷却，以得到加速度计。

其中，将光纤光栅8的首尾两端分别从一号出纤孔21、二号出纤孔22中穿出，并在穿出后与出纤保护接头相连接，出纤保护接头与传感器壳体2之间可为螺纹连接，出纤保护接头的内径与带套管的光纤光栅8的外径尺寸相接近，以实现对光纤光栅8的保护。

本加速度计在制作完毕之后，先将制作好的加速度计采用螺接或者胶接的方式与需测物体表面连接，光纤的端部接解调仪器及电脑，再在每个方向，使金属传感芯体中的质量块在惯性力的作用下绕铰链转动，带动FBG拉伸产生波长漂移量，即可得三个垂直方向上的加速度分量（参见图2―图4），经计算即可得空间矢量加速度。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于柔性铰链的三维FBG加速度计，包括中空结构的传感器壳体（2）及其内部设置的传感单元（4），所述传感器壳体（2）的顶部、底部分别与传感器壳盖（1）、传感器底座（3）相连接，且在传感单元（4）上设置有光纤光栅（8），其特征在于：

所述传感单元（4）包括X向金属传感芯体（5）、Y向金属传感芯体（6）与Z向金属传感芯体（7），X向金属传感芯体（5）、Y向金属传感芯体（6）位于同一水平面，X向金属传感芯体（5）、Y向金属传感芯体（6）相互垂直，Z向金属传感芯体（7）与X向金属传感芯体（5）、Y向金属传感芯体（6）所共在的水平面相互垂直；

所述X向金属传感芯体（5）包括依次连接的X向基座（51）、X向铰链（52）、X向质量块（53），所述Y向金属传感芯体（6）包括依次连接的Y向基座（61）、Y向铰链（62）、Y向质量块（63），所述Z向金属传感芯体（7）包括依次连接的Z向基座（71）、Z向铰链（72）、Z向质量块（73）；所述X向基座（51）与Y向基座（61）相互连接为一体结构的中承块（41），该中承块（41）的内侧开设有切口槽（42）以与Z向基座（71）的顶部进行插入连接，Z向基座（71）与中承块（41）相互垂直，Z向基座（71）的底部与传感器底座（3）的顶面垂直连接；

所述X向基座（51）、X向质量块（53）、Y向基座（61）、Y向质量块（63）、Z向基座（71）、Z向质量块（73）的外侧部上都开设有一一对应的X基沟槽（54）、X质沟槽（55）、Y基沟槽（64）、Y质沟槽（65）、Z基沟槽（74）、Z质沟槽（75），所述光纤光栅（8）的一端位于传感器壳体（2）的外部，另一端依次穿经一号出纤孔（21）、Y质沟槽（65）、Y基沟槽（64）、X基沟槽（54）、X质沟槽（55）、Z质沟槽（75）、Z基沟槽（74）、二号出纤孔（22）后延伸至传感器壳体（2）的外部，且在传感器壳体（2）的侧壁上分别开设有一号出纤孔（21）、二号出纤孔（22）；

所述中承块（41）上位于X基沟槽（54）、Y基沟槽（64）之间的部位为过渡部（43），该过渡部（43）为圆角结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰链的三维FBG加速度计，其特征在于：所述光纤光栅（8）为FBG。

3.根据权利要求2所述的一种基于柔性铰链的三维FBG加速度计，其特征在于：所述光纤光栅（8）的栅区长度为5―10mm。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于柔性铰链的三维FBG加速度计，其特征在于：所述X向铰链（52）、Y向铰链（62）、Z向铰链（72）都为圆弧柔性铰链，且敏感结构、特征参数一致。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种基于柔性铰链的三维FBG加速度计，其特征在于：所述切口槽（42）与Z向基座（71）的连接方式为激光焊接。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种基于柔性铰链的三维FBG加速度计，其特征在于：所述光纤光栅（8）与X基沟槽（54）、X质沟槽（55）、Y基沟槽（64）、Y质沟槽（65）、Z基沟槽（74）、Z质沟槽（75）之间的连接方式都为用胶粘接。

7.一种权利要求1、2或3所述的基于柔性铰链的三维FBG加速度计的制造工艺，其特征在于所述制造工艺包括以下步骤：

先分别制作出X向金属传感芯体（5）、Y向金属传感芯体（6）、Z向金属传感芯体（7），其中，X向金属传感芯体（5）、Y向金属传感芯体（6）连接为一体结构以产生中承块（41），再在中承块（41）的内侧开设出切口槽（42），然后夹持X向金属传感芯体（5）、Y向金属传感芯体（6）、Z向金属传感芯体（7）以使Z向金属传感芯体（7）垂直的位于切口槽（42）内，再对切口槽（42）、Z向金属传感芯体（7）进行连接以得到传感单元（4），然后对传感单元（4）进行清洗、晾干，再在晾干后的传感单元（4）上穿绕单根的光纤光栅（8），并将光纤光栅（8）与X基沟槽（54）、X质沟槽（55）、Y基沟槽（64）、Y质沟槽（65）、Z基沟槽（74）、Z质沟槽（75）进行粘接，然后将传感单元（4）与传感器底座（3）的顶面相连接，再将光纤光栅（8）的首尾两端分别从一号出纤孔（21）、二号出纤孔（22）中穿出，并在穿出后与出纤保护接头相连接，然后将传感器壳盖（1）与传感器壳体（2）的顶部相连接以得到毛坯，再对毛坯循环的进行加热、自然冷却、加热、自然冷却……加热、自然冷却，以得到加速度计。

8.根据权利要求7所述的一种基于柔性铰链的三维FBG加速度计的制造工艺，其特征在于：所述对传感单元（4）进行清洗、晾干是指：将传感单元（4）置于清洗液中，并用超声波机进行清洗，后晾干。

9.根据权利要求7所述的一种基于柔性铰链的三维FBG加速度计的制造工艺，其特征在于：所述在晾干后的传感单元（4）上穿绕单根的光纤光栅（8），并将光纤光栅（8）与X基沟槽（54）、X质沟槽（55）、Y基沟槽（64）、Y质沟槽（65）、Z基沟槽（74）、Z质沟槽（75）进行粘接是指：

先将传感单元（4）放置于加热台上加热，再将光纤光栅（8）悬空于X基沟槽（54）、X质沟槽（55）、Y基沟槽（64）、Y质沟槽（65）、Z基沟槽（74）、Z质沟槽（75）中，同时，使用夹具使得光纤光栅（8）具备预拉伸量，再在光纤光栅（8）上点上胶水，然后等待胶水干透即可。

Images