CN110221095A - 一种基于横向力的三段式光纤光栅加速度计 - Google Patents

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赵义虎
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李瑜庆
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明提供了一种基于横向力的三段式光纤光栅加速度计，光纤光栅加速度计一般由光纤光栅、外壳和惯性元件组成，外壳一般由两部分组成：固定光纤光栅的底座和密封的上盖，外壳一般由不锈钢或铝合金等金属制成。随着温度的变化，其长度也发生变化；这就导致了光纤光栅加速度计的性能指标产生了变化。为了减小这种变化，可以将底座改为由invar等小热膨胀系数的金属制成。但是，它们的价格是不锈钢或铝合金的数十倍。为了降低成本，可以把外壳分为3部分：密封上盖、固定光纤光栅的中间部件、密封底座。仅中间部件由invar制成。从而，大幅度的降低了成本。

Description

一种基于横向力的三段式光纤光栅加速度计
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅加速度计，尤其是一种基于横向力的三段式光纤光栅加速度计。
背景技术
光纤光栅具有许多其它传感器无法比拟的优点：全光测量，在监测现场无电气设备，不受电磁及核辐射干扰；以反射光的中心波长表征被测量，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响；使用寿命长等等。现阶段，光纤光栅传感器在很多领域都有了实际的工程应用，并已经初步形成规模。
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时，它与光栅发生耦合作用，光栅对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回；其余宽带光则直接透射过去。反射回的窄带光的中心波长值(也叫Bragg波长)为：
λB＝2neffΛ
上式中，neff为光纤光栅的有效反射系数，Λ为光纤光栅的相邻两个栅隔之间的几何距离。
光纤光栅加速度计一般由光纤光栅、外壳和惯性元件组成。光纤光栅的两端固定在外壳上。惯性元件挂在或固定在光纤光栅的中部。当外界存在一个垂直于光纤方向的加速度时，惯性元件沿着垂直于光纤的方向移动，从而，拉动光纤，使得光纤光栅的长度和返回波长都产生变化。根据返回波长的变化，可以推出加速度的变化。外壳保护光纤不受外界破坏，并限制惯性元件的移动距离，从而限制光纤的形变量，使其不至于形变过大而折断，从而达到保护光纤的目的。基于横向力的光纤光栅加速度计的原理的详细分析，可以参考专利ZL201310415482.2“一种利用横向力改变绳的应变的方法和其在光纤光栅加速度计中的应用”和论文K.Li,T.H.T.Chan,M.H.Yau,T.Nguyen,D.P.Thambiratnam and H.Y.Tam,“Very sensitive fiber Bragg grating accelerometer using transverse forceswith an easy over-range protection and low cross axial sensitivity”,AppliedOptics,vol.52,no.25,pp.6401-6410,2013.
外壳一般由两部分组成：固定光纤光栅的底座和密封的上盖。底座和上盖一般都由不锈钢或铝合金等金属制成。它们的热膨胀系数都较大。当光纤光栅固定在底座上时，随着温度的变化，光纤光栅的长度、应变和张力都将产生变化。当光纤光栅的张力产生变化时，光纤光栅加速度计的灵敏度和本征频率等性能指标，也将产生变化。光纤张力对基于横向力的光纤光栅加速度计的灵敏度和本征频率影响的详细分析，可以参考论文K.Li,T.H.T.Chan,M.H.Yau,D.P.Thambiratnam and H.Y.Tam,“Experimental verification ofthe modified spring-mass theory of fiber Bragg grating accelerometers usingtransverse forces”,Applied Optics,vol.53,no.6,pp.1200-1211,2014.
为了减小因为底座受温度变化对光纤光栅张力及其制成的加速度计的灵敏度和本征频率的影响，可以将底座改为由invar等小热膨胀系数的金属制成。但是，invar等小热膨胀系数的金属的价格是不锈钢或铝合金的数十倍。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于横向力的三段式光纤光栅加速度计，以解决上述背景技术中提出的问题。所述基于横向力的三段式光纤光栅加速度计，仅中间部件由invar小热膨胀系数材料制成，从而，大幅度的降低了成本。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于横向力的三段式光纤光栅加速度计，包含光纤光栅、外壳和惯性元件，所述外壳包括密封上盖、由小热膨胀系数金属制成的中间部件、密封底座，所述中间部件的中部掏空，所述光纤光栅和惯性元件位于该中间部件的中部掏空区域，所述光纤光栅的两端固定在该中间部件上，所述惯性元件悬挂在该光纤光栅上。
优选的，所述中间部件比密封上盖和密封底座薄。
优选的，所述中间部件采用invar小热膨胀系数材料制成，所述密封上盖、密封底座采用不锈钢或铝合金制成。
优选的，所述中间部件的两端具有固定点，该光纤光栅的两端分别对应固定在固定点上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明，因为光纤光栅仅固定在由小热膨胀系数材料制成的中间部件上，所以，其受到温度的影响与之前现有技术相比将显著降低。中间部件可以比上盖和底座薄很多。从而，该结构既保证了性能，又降低了成本。
本发明，仅中间部件由invar小热膨胀系数材料制成，从而，大幅度的降低了成本。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图。
其中，1为由小热膨胀系数金属制成的中间部件，2为惯性元件，3为光纤光栅，4为光纤在中间部件上的固定点。
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。
为了减少invar等小热膨胀系数材料的用量、降低成本，外壳可以分为3部分：密封上盖、固定光纤光栅的中间部件、密封底座。仅中间部件1由invar等小热膨胀系数材料制成；密封上盖和密封底座仍然用相对便宜的不锈钢或铝合金制作。此时，因为光纤光栅3仅固定在由小热膨胀系数材料制成的中间部件1上，所以，其受到温度的影响与之前相比将显著降低。中间部件1可以比上盖和底座薄很多。从而，该结构既保证了性能，又降低了成本。
本发明提供了一种基于横向力的三段式光纤光栅加速度计，包含光纤光栅3、惯性元件2、外壳可以分为3部分：密封上盖、固定光纤光栅的中间部件1、密封底座，上述中间部件1的中部掏空；上述光纤光栅3和惯性元件2位于上述中间部件1的中部掏空区域；上述光纤光栅3的一端固定在上述惯性元件2上；上述光纤光栅3的另一端固定在上述中间部件1上。
下面结合举例对本发明做更详细的描述：
中间部件1由invar制作；其长宽高分别为45mm，30mm，3mm；其中间掏空区域的长宽高分别为25mm，20mm，3mm。中间部件的长度方向的每一侧剩余(45-25)/2＝10mm，宽度方向的每一侧剩余(30-20)/2＝5mm。在中间部件的长度方向的每一侧剩余部分，制作一个通孔，用于和密封上盖和密封底座通过螺钉进行连接、固定。
选取栅区10mm长、尾纤1.5m的光纤光栅3。用光纤剥纤钳去除光栅一侧的涂覆层，去除长度大约10mm；在距离光栅另一侧15mm处，即第一个剥除区域25mm处，再用光纤剥纤钳去除涂覆层，去除长度大约10mm。将光纤去除涂覆层的两处，分别粘贴到中间部件1长度方向中空区域外的两侧。光纤去除涂覆层的长度10mm正好与长度方向每一侧的剩余长度相同。在胶水固化时，可以对光纤光栅3施加一定的预拉，具体方法可以参考上述论文“Experimental verification of the modified spring-mass theory of fiber Bragggrating accelerometers using transverse forces”。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于横向力的三段式光纤光栅加速度计，包含光纤光栅(3)、外壳和惯性元件(2)，其特征在于：所述外壳包括密封上盖、由小热膨胀系数金属制成的中间部件(1)、密封底座，所述中间部件(1)的中部掏空，所述光纤光栅(3)和惯性元件(2)位于该中间部件(1)的中部掏空区域，所述光纤光栅(3)的两端固定在该中间部件(1)上，所述惯性元件(2)悬挂在该光纤光栅(3)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于横向力的三段式光纤光栅加速度计，其特征在于：所述中间部件(1)比密封上盖和密封底座薄。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于横向力的三段式光纤光栅加速度计，其特征在于：所述中间部件(1)采用invar小热膨胀系数材料制成，所述密封上盖、密封底座采用不锈钢或铝合金制成。
4.根据权利要求1所述的一种基于横向力的三段式光纤光栅加速度计，其特征在于：所述中间部件(1)的两端具有固定点(4)，该光纤光栅(3)的两端分别对应固定在固定点(4)上。
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