CN110045149A - 一种光纤光栅加速度传感器及加速度检测方法 - Google Patents

一种光纤光栅加速度传感器及加速度检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤光栅加速度传感器及加速度检测方法。该传感器包括底座、支架、弹性元件、质量块、光纤光栅和光缆，所述支架设置在底座上，所述弹性元件前端与质量块连接，所述弹性元件后端与固定在支架上，所述弹性元件上表面设有前后走向的条形凹槽，所述弹性元件后端设有与条形凹槽后端连通的固定槽，所述光纤光栅设置在条形凹槽内，所述光纤光栅包括光纤和设置在光纤上的两个光栅，位于前侧的光栅与条形凹槽固定连接，所述光缆前端通过固定机构固定在固定槽内，所述光纤光栅的末端与光缆内光纤连接。本发明抗电磁干扰、信号传输距离远、灵敏度高、寿命长。

Description

一种光纤光栅加速度传感器及加速度检测方法
技术领域
本发明涉及加速度传感器技术领域，尤其涉及一种光纤光栅加速度传感器及加速度检测方法。
背景技术
加速度传感器为能感受加速度并转换成可用输出信号的传感器，通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。
传统的加速度传感器大多以电信号传输为主，有受到外界电磁干扰风险，而且使用寿命有限。在大型建筑结构健康监测中，有很多传感点需要预埋或布设在受限空间内，更换不便，要求传感器使用寿命尽量满足建筑的全寿命周期，但传统传感器寿命无法达到。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种不受电磁干扰、寿命较长的光纤光栅加速度传感器及加速度检测方法。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明的一种光纤光栅加速度传感器，包括底座、支架、弹性元件、质量块、光纤光栅和光缆，所述支架设置在底座上，所述弹性元件前端与质量块连接，所述弹性元件后端与固定在支架上，所述弹性元件上表面设有前后走向的条形凹槽，所述弹性元件后端设有与条形凹槽后端连通的固定槽，所述光纤光栅设置在条形凹槽内，所述光纤光栅包括光纤和设置在光纤上的两个光栅，位于前侧的光栅与条形凹槽固定连接，所述光缆前端通过固定机构固定在固定槽内，所述光纤光栅的末端与光缆内光纤连接。
在本方案中，使用时，将光纤光栅加速度传感器固定在待测物体上，将光缆连接到光纤光栅调节仪上。当待测物体产生加速度时，质量块在外力的作用下带动弹性元件发生形变，在弹性元件上的光纤光栅发生形变，从而使光纤光栅的光栅常数发生改变，达到改变输出波长的目的，这样通过测量光纤光栅输出波长的漂移量就可以得到所测的加速度的具体值。
作为优选，所述弹性元件包括前后一体的两个部分：等腰梯形部分和矩形部分，所述条形凹槽沿弹性元件的轴线设置。弹性元件采用65Mn弹簧钢制成。
作为优选，所述质量块呈球形，所述质量块的球心位于弹性元件的轴线延伸线上。质量块为铅质圆球。
作为优选，所述质量块上设有沿轴向设置的螺纹孔，所述弹性元件前端设有与螺纹孔匹配的螺纹杆。质量块与弹性元件螺纹连接。
作为优选，所述固定槽的横截面呈半圆形，所述固定机构包括固定片，所述固定片中部向上拱起呈半圆形，所述固定片两端通过螺钉与支架固定连接。将光缆放在固定槽内，扣上固定片，将固定片与支架通过螺钉连接，从而将光缆固定住。
作为优选，所述一种光纤光栅加速度传感器还包括与底座配合的外壳，所述外壳后侧设有供光缆穿过的第一通孔。外壳保护其内的元件免受外界环境干扰。
作为优选，所述光缆前端套设有密封紧固件，所述密封紧固件与第一通孔过盈配合。将光缆与外壳固定，使其不能自由移动，同时进行密封，使外壳内处于封闭状态。
作为优选，所述密封紧固件包括锁紧密封件、聚四氟乙烯密封件、外壳连接件和光缆夹持件，所述锁紧密封件包括第一柱体，所述第一柱体前端形成有第一凸台，所述第一柱体沿中轴线设有供光缆通过的第二通孔，所述外壳连接件包括第二柱体，所述第二柱体前端形成有与第一通孔过盈配合的第二凸台，所述第二柱体沿中轴线设有第二通孔，所述第二通孔从前至后依次包括供光缆通过的第一空腔、与光缆夹持件匹配的第二空腔、与聚四氟乙烯密封件匹配的第三空腔、与第一凸台过盈配合的的第四空腔。
作为优选，所述光缆夹持件包括圆形基座，所述圆形基座沿中轴线设有供光缆通过的第三通孔，所述圆形基座上沿圆周等间距设有四个夹爪。四个夹爪用于夹住中间通过的光缆。
作为优选，所述夹爪的横截面呈扇环状。
作为优选，所述支架呈几字形，所述支架通过螺栓与底座固定连接。
作为优选，所述光纤光栅上位于前侧的光栅通过环氧胶与条形凹槽固定连接。
作为优选，两个光栅之间的距离为1-1.5cm。
本发明的一种加速度检测方法，使用上述的一种光纤光栅加速度传感器，包括以下步骤：
将光纤光栅加速度传感器固定在待测物体上，将光缆连接到光纤光栅调节仪上，光纤光栅调节仪检测光纤光栅反射的波长并将其发送到控制器，当待测物体产生加速度时，弹性元件在质量块的作用下发生形变，光纤光栅发生形变，光纤光栅反射的波长发生改变，波长改变量为Δλ，控制器根据公式：计算出加速度a，其中，Pε是光纤光栅的弹光系数，E为弹性元件的弹性模量，m为质量块质量，S为光栅截面积，λ为光纤光栅反射的波长。
本发明的有益效果是：(1)本质防电、抗电磁干扰、信号传输距离远、灵敏度高、寿命较长。(2)建筑使用过程中，一旦发生火灾等灾害，传统电类的传感器线路被烧毁将无法使用，而采用光纤传感器，只要线缆不被破坏，信号传输将不受影响。
附图说明
图1是实施例的结构示意图；
图2是实施例的内部结构示意图；
图3是弹性元件的结构示意图；
图4是光纤光栅的结构示意图；
图5是支架的结构示意图；
图6是固定片的结构示意图；
图7是锁紧密封件的结构示意图；
图8是聚四氟乙烯密封件的结构示意图；
图9是外壳连接件的结构示意图；
图10是光缆夹持件的结构示意图；
图11是图10的俯视图。
图中：1、底座，2、支架，3、弹性元件，4、质量块，5、光纤光栅，6、光缆，7、条形凹槽，8、固定槽，9、螺纹杆，10、固定片，11、外壳，12、密封紧固件，13、锁紧密封件，14、聚四氟乙烯密封件，15、外壳连接件，16、光缆夹持件，17、第一柱体，18、第一凸台，19、第二柱体，20、第二凸台，21、第一空腔，22、第二空腔，23、第三空腔，24、第四空腔，25、圆形基座，26、第三通孔，27、夹爪，28、光纤，29、光栅。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种光纤光栅加速度传感器，如图1、图2、图3、图4、图5所示，包括底座1、支架2、弹性元件3、质量块4、光纤光栅5、光缆6和外壳11，外壳11与底座1配合，外壳11后侧设有供光缆6穿过的第一通孔，支架2设置在底座1上，支架2呈几字形，支架2通过螺栓与底座1固定连接，弹性元件3前端与质量块4连接，弹性元件3后端与固定在支架2上，弹性元件3上表面设有前后走向的条形凹槽7，弹性元件3后端设有与条形凹槽7后端连通的固定槽8，光纤光栅5设置在条形凹槽7内，光纤光栅5包括光纤28和设置在光纤28上的两个光栅29，两个光栅29之间的距离为1-1.5cm，光纤光栅5上位于前侧的光栅6通过环氧胶与条形凹槽固定连接，光缆6前端穿过第一通孔并通过固定机构固定在固定槽8内，光纤光栅5的末端与光缆6内光纤连接。
弹性元件3包括前后一体的两个部分：等腰梯形部分和矩形部分，条形凹槽7沿弹性元件3的轴线设置。弹性元件3采用65Mn弹簧钢制成。质量块4为铅质圆球，质量块4的球心位于弹性元件3的轴线延伸线上。质量块4上设有沿轴向设置的螺纹孔，弹性元件3前端设有与螺纹孔匹配的螺纹杆9，质量块4与弹性元件3螺纹连接。
如图3、图6所示，固定槽8后端开口，固定槽8的横截面呈半圆形，固定机构包括固定片10，固定片10中部向上拱起呈半圆形，固定片10两端通过螺钉与支架2固定连接。将光缆放在固定槽内，扣上固定片，将固定片与支架通过螺钉连接，从而将光缆固定住。
如图1、图2、图7、图8、图9、图10所示，光缆6前端套设有密封紧固件12，密封紧固件12包括锁紧密封件13、聚四氟乙烯密封件14、外壳连接件15和光缆夹持件16，锁紧密封件13包括第一柱体17，第一柱体17前端形成有第一凸台18，第一柱体17沿中轴线设有供光缆6通过的第二通孔，外壳连接件15包括第二柱体19，第二柱体19前端形成有与第一通孔过盈配合的第二凸台20，第二柱体19沿中轴线设有第二通孔，第二通孔从前至后依次包括供光缆6通过的第一空腔21、与光缆夹持件16匹配的第二空腔22、与聚四氟乙烯密封件14匹配的第三空腔23、与第一凸台18过盈配合的的第四空腔24。
如图10、图11所示，光缆夹持件16包括圆形基座25，圆形基座25沿中轴线设有供光缆6通过的第三通孔26，圆形基座25上沿圆周等间距设有四个夹爪27，夹爪27的横截面呈扇环状。四个夹爪用于夹住中间通过的光缆。
外壳将传感器与外界隔离，保护其内的元件免受外界环境干扰。密封紧固件将光缆与外壳固定，使其不能自由移动，同时进行密封，使外壳内处于封闭状态。光纤光栅上位于前侧的光栅通过环氧胶粘贴在条形凹槽内，位于后侧的光栅不用环氧胶固定，处自由状态。光缆为铠装光缆。
使用时，将光纤光栅加速度传感器固定在待测物体上，将光缆连接到光纤光栅调节仪上。当待测物体产生加速度时，质量块在外力的作用下带动弹性元件发生形变，在弹性元件上的光纤光栅发生形变，从而使光纤光栅的光栅常数发生改变，达到改变输出波长的目的，这样通过测量光纤光栅输出波长的改变量就可以得到所测的加速度的具体值。
根据光纤光栅波长与应变变化的关系：弹性系统中加速度与应变变化的关系：得到加速度的计算公式：其中，Pε＝0.22是光纤光栅的弹光系数，E为弹性元件的弹性模量，m为质量块质量，S为光栅截面积，λ为光纤光栅反射的波长，Δλ为波长改变量。
本实施例的一种加速度检测方法，使用上述的一种光纤光栅加速度传感器，包括以下步骤：
将光纤光栅加速度传感器固定在待测物体上，将光缆连接到光纤光栅调节仪上，光纤光栅调节仪检测光纤光栅反射的波长并将其发送到控制器，当待测物体产生加速度时，弹性元件在质量块的作用下发生形变，光纤光栅发生形变，光纤光栅反射的波长发生改变，波长改变量为Δλ，控制器根据公式：计算出加速度a，其中，Pε＝0.22是光纤光栅的弹光系数，E为弹性元件的弹性模量，m为质量块质量，S为光栅截面积，λ为光纤光栅反射的波长。

Claims (10)

1.一种光纤光栅加速度传感器，其特征在于，包括底座(1)、支架(2)、弹性元件(3)、质量块(4)、光纤光栅(5)和光缆(6)，所述支架(2)设置在底座(1)上，所述弹性元件(3)前端与质量块(4)连接，所述弹性元件(3)后端与固定在支架(2)上，所述弹性元件(3)上表面设有前后走向的条形凹槽(7)，所述弹性元件(3)后端设有与条形凹槽(7)后端连通的固定槽(8)，所述光纤光栅(5)设置在条形凹槽(7)内，所述光纤光栅(5)包括光纤(28)和设置在光纤(28)上的两个光栅(29)，位于前侧的光栅(28)与条形凹槽(7)固定连接，所述光缆(6)前端通过固定机构固定在固定槽(8)内，所述光纤光栅(5)的末端与光缆(6)内光纤连接。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述弹性元件(3)包括前后一体的两个部分：等腰梯形部分和矩形部分，所述条形凹槽(7)沿弹性元件(3)的轴线设置。
3.根据权利要求2所述的一种光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述质量块(4)呈球形，所述质量块(4)的球心位于弹性元件(3)的轴线延伸线上。
4.根据权利要求3所述的一种光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述质量块(4)上设有沿轴向设置的螺纹孔，所述弹性元件(3)前端设有与螺纹孔匹配的螺纹杆(9)。
5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅加速度传感器，其特征在于，还包括与底座(1)配合的外壳(11)，所述外壳(11)后侧设有供光缆(6)穿过的第一通孔。
6.根据权利要求5所述的一种光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述光缆(6)前端套设有密封紧固件(12)，所述密封紧固件(12)与第一通孔过盈配合。
7.根据权利要求6所述的一种光纤光栅加速度传感器，其特征在于所述密封紧固件(12)包括锁紧密封件(13)、聚四氟乙烯密封件(14)、外壳连接件(15)和光缆夹持件(16)，所述锁紧密封件(13)包括第一柱体(17)，所述第一柱体(17)前端形成有第一凸台(18)，所述第一柱体(17)沿中轴线设有供光缆通过的第二通孔，所述外壳连接件(15)包括第二柱体(17)，所述第二柱体(19)前端形成有与第一通孔过盈配合的第二凸台(20)，所述第二柱体(19)沿中轴线设有第二通孔，所述第二通孔从前至后依次包括供光缆(6)通过的第一空腔(21)、与光缆夹持件(16)匹配的第二空腔(21)、与聚四氟乙烯密封件(14)匹配的第三空腔(23)、与第一凸台(18)过盈配合的的第四空腔(24)。
8.根据权利要求1所述的一种光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述支架(2)呈几字形，所述支架(2)通过螺栓与底座(1)固定连接。
9.根据权利要求1所述的一种光纤光栅加速度传感器，其特征在于，两个光栅(29)之间的距离为1-1.5cm。
10.一种加速度检测方法，使用权利要求1-9中任一权利要求所述的一种光纤光栅加速度传感器，其特征在于，包括以下步骤：将光纤光栅加速度传感器固定在待测物体上，将光缆连接到光纤光栅调节仪上，光纤光栅调节仪检测光纤光栅反射的波长并将其发送到控制器，当待测物体产生加速度时，弹性元件在质量块的作用下发生形变，光纤光栅发生形变，光纤光栅反射的波长发生改变，波长改变量为Δλ，控制器根据公式：计算出加速度a，其中，Pε是光纤光栅的弹光系数，E为弹性元件的弹性模量，m为质量块质量，S为光栅截面积，λ为光纤光栅反射的波长。
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