CN109991443A - 一种高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器，该传感器包括立方体型的外壳(1)、固定在外壳面板上的双拱形弹性结构梁(2)、固定在双拱形弹性梁上的双光纤光栅即1#光纤光栅(5)和2#光纤光栅(6)，在双拱形弹性结构梁(2)的中间设有竖梁(22)，在外壳(1)的一侧固定有刚性滑杆(8)和阻尼器(10)，质量块(9)位于该刚性滑杆(8)上，并与阻尼器(10)连接，预应力弹簧(7)的一端固定在竖梁(22)上，另一端固定在质量块(9)的一侧。本发明利用双拱形弹性梁结构，将双光纤光栅固定在拱形梁下面，大大提高了光纤光栅加速度传感器的灵敏度；传感器两端尾纤均为自由端，可以串联其他光纤光栅传感器，组成传感阵列或网络，实现分布式传感。

Description

一种高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种高灵敏度温度自补偿型光纤光栅加速度传感器，属于光纤传感领域。

背景技术

在机械、航空、船舶等结构健康监测以及惯性导航与制导系统中，对加速度的测量都有很重要的作用。目前，加速度的测量方法多种多样，主要可分为电学式、机械式和光学式三种类。其中，电学式加速度传感器有灵敏度高，频率范围、动态范围和线性范围宽，便于分析和遥测等优点，但其易受电磁干扰，以及高温高压等恶劣环境的影响。机械式加速度传感器抗干扰能力强，但其频率范围、动态范围和线性范围窄，测量时会给被测对象产生一定的负载效应，从而影响测试结果，使其测量精度较差。光学式加速度传感器是一种新型的传感技术，一般利用光的干涉原理、多普勒效应以及光纤光栅等将加速度参量转换成光学信号，经光学系统放大后进行测量。其中，光纤光栅具有体积小、重量轻、动态范围宽、抗电磁干扰、寿命长等优点，特别地，光纤光栅具有独特的波分复用能力，可以通过各种复用技术构成传感阵列和网络，实现分布式测量。目前，光纤光栅加速度传感器大多采用等强度梁、悬臂梁、异型梁等结构，将光纤光栅固定在这些结构梁上，使被测对象的加速度量转换成结构梁和光纤光栅的应变量。这种方案一般直接将光纤光栅胶装在结构梁上，一方面容易使光纤光栅波长产生啁啾现象，另一方面结构梁挠性变化不大，导致传感器灵敏度较低。另外，光纤光栅本身不仅对应力敏感，而且对外界温度的变化非常敏感，仅仅将光纤光栅封装在结构梁上的方案，大多没有考虑光纤光栅的温度灵敏性，从而导致测量结果存在温度交叉敏感的问题。CN108982916A中李剑芝等人设计了一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器，将光纤光栅连接在通过转轴和基板铰接的刚性梁上，虽然这种方案提高了灵敏度，然而刚性梁摆动范围不能过大，使传感器动态范围小，光纤容易断裂，同时其没有温度补偿单元，测量误差较大。CN202975044U中熊燕玲等人设计了一种具有自温补功能的光纤光栅加速度传感器，其采用一个菱形梁和振动梁组成双金属结构，通过双金属热膨胀系数差异消除光纤光栅加速度传感器的温度漂移，然而菱形梁和振动梁的热膨胀系数难以把握，而且并不能完全消除光纤光栅的温度漂移，同时，这种结构使光纤光栅动态范围小，灵敏度降低。综上，如何提高光纤光栅加速度传感器的灵敏度，动态范围以及进行有效的温度补偿，是其对加速度参量进行精确测量的关键，也是其进入实际工程化应用急需解决的问题。

发明内容

技术问题：为了克服现有技术的不足，同时针对实际应用，发挥光纤光栅传感器的优势，本发明提出了一种高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器，其采用双拱形弹性梁结构，大大提高了光纤光栅加速度传感器的灵敏度，独立的温补光栅可以为加速度传感光栅提供精确的温度补偿，解决了传感器的温度交叉敏感问题，极大地提高了加速度测量的准确性；同时，采用平行滑杆和阻尼器支撑质量块的结构，使传感封装结构拥有良好的整体稳定性。另外，传感器两端尾纤均为自由端，可以串联其他光纤光栅传感器，组成传感阵列或网络，实现分布式传感。

技术方案：本发明的一种高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器包括立方体型的外壳、固定在外壳面板上的双拱形弹性结构梁、固定在双拱形弹性梁上的双光纤光栅即1#光纤光栅和2#光纤光栅，在双拱形弹性结构梁的中间设有竖梁，在外壳的一侧固定有刚性滑杆和阻尼器，质量块位于该刚性滑杆上，并与阻尼器连接，预应力弹簧的一端固定在竖梁上，另一端固定在质量块的一侧。

所述的立方体型的外壳为光纤光栅加速度传感器的支撑结构，由刚性材料制成，不易发生形变，左右两面板设有出纤孔，其大小根据所用光纤的封装直径而定。

所述的双拱形弹性结构梁用于使外界加速度信息转换成光纤光栅应变量，用弹性金属制成，包括基座，具有两个弹性拱形的横梁，位于两个弹性拱形的横梁之间的竖梁，以及贯穿于两个弹性拱形的横梁中间的细槽；根据需求的传感器灵敏度和量程选择双拱形弹性结构梁的厚度。

所述的基座和竖梁底部中心也被细槽贯穿而各有一个出纤微孔；基座上设置有四个螺丝孔，用来固定在外壳左侧面板上，竖梁上端设置有微孔，便于固定预应力弹簧，安装时双拱形弹性结构梁中间的细槽和出纤微孔与外壳左右面板出纤孔中心在同一轴线上。

所述的1#光纤光栅和2#光纤光栅用于将加速度信息转换成光波长变化量，所选用的光纤光栅为涂覆层为抗拉伸光纤光栅，在应力作用下其中心波长可以偏移8nm以上，并且两个光纤光栅中心相隔距离等于横梁上横梁第一拱形、横梁第二拱形中心之间的距离。

所述的1#光纤光栅和2#光纤光栅安装时需施加预应力，然后利用环氧树脂胶分别于点胶点固定在第一拱形和第二拱形的下面。

所述的预应力弹簧用于将加速度变化引起的应力变化传递给双拱形弹性结构梁，所述预应力弹簧为高强度弹簧，在安装时处于拉伸状态，对双拱形弹性结构梁提供预应力，使1#光纤光栅的中心波长根据灵敏度及量程要求偏移1-4nm。

所述的质量块用于将加速度信息转换成应力变化，采用高密度的铜或铅等材料制成，一端与预应力弹簧连接在一起，另一端与固定在外壳右面板上的阻尼器连接在一起。

所述的质量块中间两侧有两个滑杆贯穿孔，固定在外壳右面板上的两个滑杆贯穿其中，使质量块能在横向方向滑动，而不能旋转或在纵向和竖向移动。

有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器具有如下有益技术效果：

1、采用双拱形弹性梁结构，一改传统上将光纤光栅直接粘贴在刚性梁表面的做法，大大提高了光纤光栅加速度传感器的灵敏度，还可以通过改变横梁的厚度改变加速度传感器的灵敏度和量程。

2、采用双光纤光栅结构，并使两个光栅拥有相等的温度灵敏系数，因此温补光栅可以为传感光栅提供精确的温度补偿，解决了传感器的温度交叉敏感问题，大大提高了加速度测量的准确性。

3、采用将光栅光栅粘贴于拱形梁下的结构，使光纤栅区与结构梁不直接接触，避免了在粘贴光纤光栅时，胶剂蔓延至光纤栅区，从而导致啁啾现象的问题，降低了传感器的封装难度。

4、采用平行滑杆以及阻尼器支撑质量块的结构，抑制了质量块纵向和竖向偏移，大大提高了传感器的整体稳定性。

5、封装结构使传感器两端尾纤均为自由端，可以串联其他光纤光栅传感器，组成传感阵列或网络，实现分布式传感。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中双拱形弹性梁的结构示意图。

图中有：外壳1、双拱形弹性结构梁2、尾纤3、点胶点4、1#光纤光栅5、2#光纤光栅6、预应力弹簧7、刚性滑杆8、质量块9、阻尼器10、出纤孔11、双拱形弹性梁基座21、螺纹孔211、双拱形弹性梁竖梁22、竖梁微孔221、双拱形弹性梁横梁23、横梁第一拱形231、横梁第二拱形232、双拱形弹性梁细槽及出纤微孔24、滑杆贯穿孔91。

具体实施方式

本发明的一种高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器，作为该光纤光栅加速度传感器支撑结构的立方体型外壳1，其由刚性材料制成，不易发生形变，其左右两面板设有出纤孔11，其大小根据所用光纤的封装直径而定。特别地，为更好的显示传感器内部结构，该外壳上面板和前面板并未在结构示意图1种呈现，实际上，其由完整的六侧面板围成一个立方体。

用于使外界加速度信息转换成光纤光栅应变量的双拱形弹性结构梁2，其用轻质弹性金属制成，包括基座21，拥有两个弹性拱形231、232的横梁23，位于两个拱形之间的竖梁22，以及贯穿于横梁中间的细槽24，特别地，基座、竖梁和两个拱形底部中心也被细槽贯穿而各有一个出纤微孔。可以通过改变横梁2的厚度改变加速度传感器的灵敏度和量程。基座上设置有四个螺丝孔211，可以用来固定在外壳左侧面板上，竖梁上端设置有微孔221，便于固定预应力弹簧7。特别地，安装时横梁中间的细槽和出纤微孔与外壳左右出纤孔中心在同一轴线上。

用于将加速度信息转换成光波长变化量的1#光纤光栅5和2#光纤光栅6，其特征在于两个光纤光栅中心相隔距离等于横梁23上两个拱形231和232中心之间的距离，1#光纤光栅5和2#光纤光栅6分别利用环氧树脂胶于点胶点4固定在第一拱形231和第二拱形232的下面。特别地，所选用的光纤光栅为涂覆层经过特殊处理的抗拉伸光纤光栅，在应力作用下其中心波长可以偏移8nm以上。

用于将加速度变化引起的应力变化传递给双拱形弹性梁的高强度弹簧7，其安装时处于拉伸状态，对双拱形弹性梁提供预应力，使1#光纤光栅5的中心波长根据灵敏度及量程要求偏移1-4nm。

用于将加速度信息转换成应力变化的质量块9，其采用高密度的铜或铅等材料制成，一端与预应力弹簧7连接在一起，一端与固定在外壳1右面板上的阻尼器10连接在一起。特别地，质量块9中间两侧有两个滑杆贯穿孔91，固定在外壳1右面板上的两个滑杆8贯穿其中，使质量块9只可以在横向方向滑动，而不能旋转或在纵向和竖向移动。

如图1所示为一种高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器，包括立方体型外壳、固定在外壳面板上的双拱形弹性结构梁、固定在双拱形弹性梁上的双光纤光栅、预应力弹簧、质量块以及支撑质量块的平行滑杆，阻尼器等。

所述的立方体型外壳1为光纤光栅加速度传感器支撑结构，其由刚性材料制成，不易发生形变，其左右两面板设有出纤孔11，其大小根据所用光纤的封装直径而定。特别地，为更好的显示传感器内部结构，该外壳上面板和前面板并未在结构示意图1种呈现，实际上，其由完整的六侧面板围成一个立方体。

所述的双拱形弹性结构梁2用于使外界加速度信息转换成光纤光栅应变量的，其结构示意图如图2所示，其特征在于用轻质弹性金属制成，包括基座21，拥有两个弹性拱形231、232的横梁23，位于两个拱形之间的竖梁22，以及贯穿于横梁中间的细槽24，特别地，基座、竖梁和两个拱形底部中心也被细槽贯穿而各有一个出纤微孔。可以通过改变双拱形弹性结构梁2的厚度改变加速度传感器的灵敏度和量程。基座上设置有四个螺丝孔211，可以用来固定在外壳左侧面板上，竖梁上端设置有微孔221，便于固定预应力弹簧7。特别地，安装时横梁中间的细槽和出纤微孔与外壳左右出纤孔中心在同一轴线上。

所述的1#光纤光栅5和2#光纤光栅6用于将加速度信息转换成光波长变化量的，其特征在于所选用的光纤光栅为涂覆层经过特殊处理的抗拉伸光纤光栅，在应力作用下其中心波长可以偏移8nm以上，并且两个光纤光栅中心相隔距离等于横梁23上两个拱形231和232中心之间的距离。安装时，需对1#光纤光栅5和2#光纤光栅6施加一定的预应力，然后利用环氧树脂胶分别于点胶点4固定在第一拱形231和第二拱形232的下面。

所述的预应力弹簧7用于将加速度变化引起的应力变化传递给双拱形弹性梁，其特征在于为高强度弹簧，在安装时处于拉伸状态，对双拱形弹性梁2提供预应力，使1#光纤光栅5的中心波长根据灵敏度及量程要求偏移1-4nm。

所述的质量块9用于将加速度信息转换成应力变化，其特征在于采用高密度的铜或铅等材料制成，一端与预应力弹簧7连接在一起，一端与固定在外壳1右面板上的阻尼器10连接在一起。特别地，质量块9中间两侧有两个滑杆贯穿孔91，固定在外壳1右面板上的两个滑杆8贯穿其中，使质量块9只可以在横向方向滑动，而不能旋转或在纵向和竖向移动。

本发明的高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器的工作原理为：将此传感器固定在被测物体上，当被测物体发生沿传感器横向的加速度变化时，质量块9在惯性力作用下将会发生横向滑动，质量块滑动的位移量通过弹簧7传递给双拱形弹性梁，转换为弹性梁第一拱形231和与之固连为一体的1#光纤光栅5的轴向应变力，从而引起1#光纤光栅5中心波长的偏移，另一方面，由于弹簧7仅与弹性横梁中的竖梁22连接，应变量并不会传递给第二拱形232，因此2#光纤光栅6的中心波长不会受到外界加速度变化的影响，同时，由于1#光纤光栅5和2#光纤光栅6分别固定在相同的第一拱形231的第二拱形232下面，使它们有相等的温度灵敏系数，因此可以通过2#光纤光栅6中心波长的变化量为1#光纤光栅5提供精确的温度补偿。通过波长解调设备，分别测出1#光纤光栅5和2#光纤光栅6的波长偏移量，1#光纤光栅5的波长偏移量减去2#光纤光栅6的波长偏移量即为1#光纤光栅5由于加速度变化而引起的波长偏移量，由此根据加速度和光纤光栅中心波长偏移量的对应关系，即可精确求出被测物体的加速度信息。该温度补偿型光纤光栅加速度传感器两端尾纤3均为自由端，可通过串联其他光纤光栅传感器组成传感阵列或网络，实现分布式传感。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器，其特征在于：该传感器包括立方体型的外壳(1)、固定在外壳面板上的双拱形弹性结构梁(2)、固定在双拱形弹性梁上的双光纤光栅即1#光纤光栅(5)和2#光纤光栅(6)，在双拱形弹性结构梁(2)的中间设有竖梁(22)，在外壳(1)的一侧固定有刚性滑杆(8)和阻尼器(10)，质量块(9)位于该刚性滑杆(8)上，并与阻尼器(10)连接，预应力弹簧(7)的一端固定在竖梁(22)上，另一端固定在质量块(9)的一侧。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的立方体型的外壳(1)为光纤光栅加速度传感器的支撑结构，由刚性材料制成，不易发生形变，左右两面板设有出纤孔(11)，其大小根据所用光纤的封装直径而定。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的双拱形弹性结构梁(2)用于使外界加速度信息转换成光纤光栅应变量，用弹性金属制成，包括基座(21)，具有两个弹性拱形的横梁(23)，位于两个弹性拱形的横梁之间的竖梁(22)，以及贯穿于两个弹性拱形的横梁中间的细槽(24)；根据需求的传感器灵敏度和量程选择双拱形弹性结构梁(2)的厚度。

4.根据权利要求3所述的高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的基座(21)和竖梁(22)底部中心也被细槽(24)贯穿而各有一个出纤微孔；基座(21)上设置有四个螺丝孔(211)，用来固定在外壳(1)左侧面板上，竖梁(22)上端设置有微孔(221)，便于固定预应力弹簧(7)，安装时双拱形弹性结构梁(2)中间的细槽(24)和出纤微孔与外壳(1)左右面板出纤孔(11)中心在同一轴线上。

5.根据权利要求1所述的高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的1#光纤光栅(5)和2#光纤光栅(6)用于将加速度信息转换成光波长变化量，所选用的光纤光栅为涂覆层为抗拉伸光纤光栅，在应力作用下其中心波长可以偏移8nm以上，并且两个光纤光栅中心相隔距离等于横梁上横梁第一拱形(231)、横梁第二拱形(232)中心之间的距离。

6.根据权利要求1所述的高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的1#光纤光栅(5)和2#光纤光栅(6)安装时需施加预应力，然后利用环氧树脂胶分别于点胶点(4)固定在第一拱形(231)和第二拱形(232)的下面。

7.根据权利要求1所述的高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的预应力弹簧(7)用于将加速度变化引起的应力变化传递给双拱形弹性结构梁(2)，所述预应力弹簧(7)为高强度弹簧，在安装时处于拉伸状态，对双拱形弹性结构梁(2)提供预应力，使1#光纤光栅(5)的中心波长根据灵敏度及量程要求偏移1-4nm。

8.根据权利要求1所述的高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的质量块(9)用于将加速度信息转换成应力变化，采用高密度的铜或铅等材料制成，一端与预应力弹簧(7)连接在一起，另一端与固定在外壳(1)右面板上的阻尼器(10)连接在一起。

9.根据权利要求1所述的高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的质量块(9)中间两侧有两个滑杆贯穿孔(91)，固定在外壳右面板上的两个滑杆(8)贯穿其中，使质量块(9)能在横向方向滑动，而不能旋转或在纵向和竖向移动。