CN110221096B - 一种凸棱限位式基于横向力的光纤光栅加速度计 - Google Patents

一种凸棱限位式基于横向力的光纤光栅加速度计 Download PDF

Info

Publication number
CN110221096B
CN110221096B CN201910641157.5A CN201910641157A CN110221096B CN 110221096 B CN110221096 B CN 110221096B CN 201910641157 A CN201910641157 A CN 201910641157A CN 110221096 B CN110221096 B CN 110221096B
Authority
CN
China
Prior art keywords
grating
inertia element
upper cover
base
distance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910641157.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110221096A (zh
Inventor
李阔
赵义虎
刘国永
李瑜庆
王姝敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bengbu College
Original Assignee
Bengbu College
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bengbu College filed Critical Bengbu College
Priority to CN201910641157.5A priority Critical patent/CN110221096B/zh
Publication of CN110221096A publication Critical patent/CN110221096A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110221096B publication Critical patent/CN110221096B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P1/00—Details of instruments
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/03—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses by using non-electrical means

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Abstract

本发明提供了一种凸棱限位式基于横向力的光纤光栅加速度计，包括光栅、惯性元件、外壳底座和外壳上盖，所述惯性元件的中部有一孔，所述光栅从该惯性元件中部的孔中穿过，所述外壳底座内部有四个凸棱，所述惯性元件在沿着该光栅贯穿的方向的位移受到四个凸棱的限制。本发明，通过把现有结构中在底座和上盖内的两个限位槽改为底座内的四个凸棱，同时把惯性元件圆柱体的长度增加，在减小了接触面积的同时保证惯性元件能被有效限位；而且，惯性元件不会被卡住或脱离限位凸棱。从而，不再需要使用定位销，降低了定位精度要求和加工的难度；减小了接触面积，减小了摩擦力，提高了其能识别的最小加速度。

Description

一种凸棱限位式基于横向力的光纤光栅加速度计
技术领域
本发明涉及基于横向力的光纤光栅传感器，尤其是一种凸棱限位式基于横向力的光纤光栅加速度计。
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.
对于基于横向力的光纤光栅加速度计，需要对中间的惯性元件进行限位。否则，当惯性元件的位置不同时，在外界相同的加速度的情况下，光纤光栅的波长变化也会不同；这就影响了该光纤光栅加速度计的一致性。传统的限位方法如上述参考文献所示，见图1，限位槽5为条带状，长度较长，面积较大。这就导致了摩擦力较大；这影响了光纤光栅加速度计的性能。该加速度计在外界加速度较小的情况下，可能无法获得有效的加速度信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种凸棱限位式基于横向力的光纤光栅加速度计，以解决上述背景技术中提出的问题。所述凸棱限位式基于横向力的光纤光栅加速度计，提高了该加速度计能识别的最小加速度。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种凸棱限位式基于横向力的光纤光栅加速度计，包括光栅、惯性元件、外壳底座和外壳上盖，所述惯性元件的中部有一孔，所述光栅从所述惯性元件中部的孔中穿过，所述外壳底座内部有四个凸棱，所述惯性元件在沿着该光栅贯穿的方向的位移受到四个凸棱的限制，所述外壳上盖内部没有限位槽，所述惯性元件的长度和直径、所述4个凸棱之间的位置、和所述外壳底座与所述外壳上盖之间的距离满足几何关系使得所述惯性元件不会被卡住或脱离限位的凸棱。
优选的，所述外壳底座的两端设置有固定点，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：
通过把现有结构中在外壳底座和上盖内的两个限位槽改为底座内的四个凸棱，同时把惯性元件圆柱体的长度增加，在减小了接触面积的同时保证惯性元件能被有效限位；而且，惯性元件不会被卡住或脱离限位凸棱。从而，不再需要使用定位销，降低了定位精度要求和加工的难度；减小了接触面积，减小了摩擦力，提高了其能识别的最小加速度。
附图说明
图1是现有基于横向力的光纤光栅加速度计的结构示意图。
图2是现有基于横向力的光纤光栅加速度计的(外壳)上盖。
图3是本发明的结构示意图。
图4是本发明的惯性元件内部结构图。
其中，1为外壳底座，2为惯性元件，3为光栅，4为外壳底座上的凸棱，5为限位槽，6为固定点，7为定位销。
具体实施方式
本发明提供了一种凸棱限位式基于横向力的光纤光栅加速度计。
现有结构的基于横向力的光纤光栅加速度计，为外壳底座1和外壳上盖都有槽；本方案改进后的新结构中，仅外壳底座有4个凸棱，外壳上盖中无槽。
下面结合举例对本发明做更详细的描述：在如图1所示结构中，基于横向力的光纤光栅加速度计原结构，中间的惯性元件2在一个限位槽5中。光栅3的两个固定点6之间的距离为50mm；限位槽5的长、宽、深分别为21mm、2.2mm、2mm；圆柱形的惯性元件2的直径为15mm，长2mm；上盖槽的顶部和底座槽的底部之间的距离为15.2mm(此距离为上盖和底座之间，最大的垂直距离)。为了减小接触面积，如图2所示，现将该限位槽5改为凸出的4个凸棱，惯性元件2的左右两侧每侧两个凸棱，同侧的两个凸棱分别高于和低于中轴线2mm。该技术也将现有技术中的定位销7取消了，使得壳体上盖变平，降低了定位精度和加工难度；这也是本方案的也是优势之一。
同时，为了保证惯性元件2能被4个凸棱4有效限位，惯性元件2圆柱体的长度从原来的2mm改为10mm；惯性元件2圆柱体的直径为15mm；底座和上盖之间的距离为15.2mm；4个凸棱之间的相对位置为：左侧两个凸棱4与右侧两个凸棱4之间的距离为10.2mm，上部的两个凸棱4比下面的两个凸棱4高4mm，4个凸棱4均高出底面5mm以上。满足上述几何关系，即可保证惯性元件2不会被卡住或脱离限位凸棱。上述几何关系为：(1)惯性元件圆柱体的对角线(过圆柱轴心最长的线段，此处为
Figure GDA0003439643880000041
)大于底座和上盖之间的距离(此处为15.2)；(2)如附图3所示，在极限情况下(最糟糕的情况下)，惯性元件在凸棱顶部的弦长(此处为
Figure GDA0003439643880000042
解释：凸棱高度5mm，但是，在最糟糕的情况下，需要去除惯性元件向上移动的距离：15.2-15＝0.2mm)与其单侧横向移动距离(此处为(21-15)/2＝3mm)的差(13.99-3＝10.99mm)，应该大于斜对着的两个凸棱之间的距离(此处为
Figure GDA0003439643880000043
)。之所以制作凸棱而不是凸点，是因为凸棱的加工难度远比凸点小。
为了使惯性元件2的力施加在光栅3两个固定点的中间，惯性元件2的两侧可以掏空，如附图3所示。本发明也可以做成双光栅结构，参考K.Li,et al,“Biaxial fiber Bragggrating accelerometer using axial and transverse forces”,IEEE PhotonicsTechnology Letters,vol.26,no.15,pp.1549-1552,2014.
尽管已经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 (2)

1.一种凸棱限位式基于横向力的光纤光栅加速度计，包括光栅（3）、惯性元件（2）、外壳底座（1）和外壳上盖，其特征在于：所述惯性元件（2）的中部有一孔，所述光栅（3）从所述惯性元件（2）中部的孔中穿过，所述外壳底座（1）内部有四个凸棱（4），所述惯性元件（2）在沿着该光栅（3）贯穿的方向的位移受到四个凸棱（4）的限制，所述外壳上盖内部没有限位槽（5），所述惯性元件（2）的长度和直径、所述四个凸棱（4）之间的位置、和所述外壳底座（1）与所述外壳上盖之间的距离满足几何关系使得所述惯性元件（2）不会被卡住或脱离限位的凸棱（4），上述几何关系为：惯性元件（2）圆柱体的对角线大于底座和上盖之间的距离；惯性元件（2）在凸棱（4）顶部的弦长去除惯性元件（2）向上移动的距离，与惯性元件（2）单侧横向移动距离的差，该差大于斜对着的两个凸棱（4）之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种凸棱限位式基于横向力的光纤光栅加速度计，其特征在于：所述外壳底座（1）的两端设置有固定点（6），该光栅（3）的两端分别对应固定在固定点（6）上。
CN201910641157.5A 2019-07-16 2019-07-16 一种凸棱限位式基于横向力的光纤光栅加速度计 Active CN110221096B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910641157.5A CN110221096B (zh) 2019-07-16 2019-07-16 一种凸棱限位式基于横向力的光纤光栅加速度计

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910641157.5A CN110221096B (zh) 2019-07-16 2019-07-16 一种凸棱限位式基于横向力的光纤光栅加速度计

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110221096A CN110221096A (zh) 2019-09-10
CN110221096B true CN110221096B (zh) 2022-04-12

Family

ID=67813575

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910641157.5A Active CN110221096B (zh) 2019-07-16 2019-07-16 一种凸棱限位式基于横向力的光纤光栅加速度计

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110221096B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110672197B (zh) * 2019-10-29 2021-11-02 蚌埠学院 一种光纤光栅传感器制作方法及其传感器
CN110794167A (zh) * 2019-12-18 2020-02-14 蚌埠学院 一种基于横向力的大量程光纤光栅加速度计

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4129218A1 (de) * 1991-09-03 1993-03-04 Deutsche Aerospace Beschleunigungssensor, auf mikromechanischem wege hergestellt
JP2001066320A (ja) * 1999-08-26 2001-03-16 Matsushita Electric Works Ltd 半導体加速度センサ
CN101477138A (zh) * 2009-01-19 2009-07-08 曹春耕 一种光纤光栅高灵敏度加速度计
CN103558416A (zh) * 2012-08-24 2014-02-05 李阔 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
CN103675340A (zh) * 2013-12-20 2014-03-26 北京航天时代光电科技有限公司 一种差动式双光栅结构的光纤加速度计
CN103823080A (zh) * 2014-03-05 2014-05-28 西安石油大学 一种温度不敏感光纤光栅加速度传感器
CN109782021A (zh) * 2019-01-09 2019-05-21 蚌埠学院 一种光纤光栅加速度计惯性元件质量的选择方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE59304431D1 (de) * 1993-05-05 1996-12-12 Litef Gmbh Mikromechanische Beschleunigungsmessvorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung
KR100685186B1 (ko) * 2005-07-27 2007-02-22 호서대학교 산학협력단 광섬유 기반의 가속도계/경사계
CN202285022U (zh) * 2011-11-09 2012-06-27 金陵科技学院 双光纤光栅加速度计探头
CN202330457U (zh) * 2011-11-09 2012-07-11 金陵科技学院 温度补偿型光纤光栅加速度计探头
CN103727174B (zh) * 2014-01-03 2017-01-18 上汽通用五菱汽车股份有限公司 一种扭转减振器
RU187949U1 (ru) * 2018-11-09 2019-03-25 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Чувствительный элемент мэмс-акселерометра с измеряемым диапазоном ускорений большой амплитуды
CN109884339A (zh) * 2019-03-29 2019-06-14 蚌埠学院 一种考虑光纤光栅加速度计灵敏度变化的解调方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4129218A1 (de) * 1991-09-03 1993-03-04 Deutsche Aerospace Beschleunigungssensor, auf mikromechanischem wege hergestellt
JP2001066320A (ja) * 1999-08-26 2001-03-16 Matsushita Electric Works Ltd 半導体加速度センサ
CN101477138A (zh) * 2009-01-19 2009-07-08 曹春耕 一种光纤光栅高灵敏度加速度计
CN103558416A (zh) * 2012-08-24 2014-02-05 李阔 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
CN103675340A (zh) * 2013-12-20 2014-03-26 北京航天时代光电科技有限公司 一种差动式双光栅结构的光纤加速度计
CN103823080A (zh) * 2014-03-05 2014-05-28 西安石油大学 一种温度不敏感光纤光栅加速度传感器
CN109782021A (zh) * 2019-01-09 2019-05-21 蚌埠学院 一种光纤光栅加速度计惯性元件质量的选择方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110221096A (zh) 2019-09-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103123254B (zh) 基于纤栅干涉结构的二维弯曲矢量传感器
CN110221096B (zh) 一种凸棱限位式基于横向力的光纤光栅加速度计
US4239963A (en) Fiber optic accelerometer
US4142774A (en) Flexible optical transducer
Block et al. Origin of apparent resonance mode splitting in bent long-period fiber gratings
WO2004113976A3 (en) Optical waveguide structure
US4403144A (en) Fiber optic accelerometer
EA028598B1 (ru) Оптический датчик на основе микроэлектромеханической системы
CN214225478U (zh) 一种光子集成芯片及其耦合结构
JP6018303B2 (ja) マルチコア光ファイバを最適化する方法およびそれを利用するデバイス
CN212569204U (zh) 光学连接器和光学连接器组件
KR20000002930A (ko) 브래그격자 필터용 광섬유 및 그를 이용한 브래그 격자 필터
CN110118539B (zh) 一种克服温度干扰的光纤倾角传感器及方法
Kopp et al. Low return loss multicore fiber-fanout assembly for SDM and sensing applications
CN2651704Y (zh) 光纤光栅应变传感器
US3942866A (en) Fiber-optical structure of high apparent power of resolution
WO2001037008A2 (en) Photonic crystal fibers with high resistance to bend loss
CN203658394U (zh) 一种采用光纤光栅的加速度传感器
CN102221333A (zh) 一种双等腰三角形简支梁结构的温度不敏感光纤光栅位移传感器
CN110031139B (zh) 一种接触型线性应力传感器及其应力检测方法
JP4035758B2 (ja) 動作検出センサおよび光検出器
CN205785094U (zh) 一种正四面体光纤光栅三维应变检测结构体
CN212111477U (zh) 双光纤悬臂梁光纤光栅加速度传感器
CN1361608A (zh) 波长监控设备
CN202066480U (zh) 双等腰三角形结构温度不敏感光纤光栅位移传感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant