CN110286250A - 一种三层悬臂梁差动式光纤光栅加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三层悬臂梁差动式光纤光栅加速度传感器，包括固定端、第一感知梁、第二感知梁、承重梁、质量块、第一光纤光栅和第二光纤光栅；第一感知梁、承重梁、第二感知梁平行设置在固定端和质量块之间；第一光纤光栅设置在第一感知梁上表面，第二光纤光栅设置在第二感知梁下表面。本发明灵敏度高、表面应变均匀、抗干扰能力强、测量范围较宽、结构简单易于制作，可以应用在一些大型土木工程结构健康监测、油气田勘探、大型仪器设备运行状况检测等领域。
Description
技术领域
本发明属于振动信号测量技术领域，具体涉及一种新型三层悬臂梁差动式的光纤光栅加速度振动传感器，应用在一些大型土木工程的结构健康检测当中。
背景技术
自上世纪末以来，在大型土木工程的结构健康检测、航空航天、管道检测和油气田勘探的地震波检测等领域中，光纤光栅加速度传感器以其稳定性好、精度高、能耗低、抗电磁干扰等诸多优点逐步取代了传统类机电加速度传感器，发挥了巨大的作用。近年来，随着光纤传感技术的发展和材料学以及加工技术的进步，国内外科研人员设计了多种性能优异的光纤布拉格光栅加速度传感器。
利用光纤传感技术对桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等进行健康状况监测很好地满足了结构健康监测所需要的高灵敏度高精度的要求，因此其优势是传统的应力与应变传感技术无与伦比的。结构的健康监测主要包括结构的损伤监测、结构的应力应变监测、结构的温度监测、结构的渗流监测等。光纤光栅传感器在结构健康监测中使用较多的是光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器，近年来随着光纤光栅传感技术的深入发展，光纤光栅加速度传感器也开始逐步用于桥梁大坝等大型建筑物的健康监测。光纤光栅加速度传感器应用于结构健康监测中有如下几个显著的优点：更好地抗电磁干扰，包括雷电，可用于恶劣的工作环境；更抗腐蚀，如用于桥梁、大坝等开放结构中；能沿着单根光纤复用大量的加速度传感器进行振动检测；寿命长，可维持到结构的工作寿命。由于光纤光栅加速度传感器体积较小，所以通常将其埋入结构体内或者粘贴在结构表面对结构同时进行健康检测、冲击检测和振动阻尼检测等，达到对结构的缺陷情况实时监测的目的。
目前国内外关于光纤光栅加速度传感器的研究，主要是基于其应用场合，在待测信号频率范围一定时，首先确定传感器的固有频率范围，然后通过改变传感器的结构尺寸以及封装材料来提高传感器的灵敏度。基于悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器普遍存在的固有频率与灵敏度互相制约的问题。
发明内容
本发明的目的是针对光纤光栅加速度传感器应用过程中热稳定性、应变不均匀、测量范围和灵敏度不足的问题，提出一种三层矩形梁差动式结构的光纤光栅加速度传感器，消除了温度对测量结果的影响，提高了加速度传感器的谐振频率和灵敏度。
本发明所采用的技术方案是：一种三层悬臂梁差动式光纤光栅加速度传感器，其特征在于：包括固定端、第一感知梁、第二感知梁、承重梁、质量块、第一光纤光栅和第二光纤光栅；所述第一感知梁、承重梁、第二感知梁平行设置在所述固定端和质量块之间；所述第一光纤光栅设置在所述第一感知梁上表面，所述第二光纤光栅设置在所述第二感知梁下表面；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅与外界解调系统连接。
作为优选，所述承重梁采用铍青铜或不锈钢制作而成。
作为优选，所述第一感知梁、第二感知梁均采用环氧树脂制作而成。
作为优选，所述第一感知梁、第二感知梁的厚度相同，且相对承重梁上下对称放置。
作为优选，所述第一光纤光栅设置在所述第一感知梁上表面的中心轴线处且距所述固定端和质量块之间的距离相同，所述第二光纤光栅设置在所述第二感知梁下表面的中心轴线处且距所述固定端和质量块之间的距离相同。
本发明灵敏度高、表面应变均匀、抗干扰能力强、测量范围较宽、结构简单易于制作，可以应用在一些大型土木工程结构健康监测、油气田勘探、大型仪器设备运行状况检测等领域。
附图说明
图1为本发明实施例的机构图；
图2为本发明实施例中表面应变分布与感知梁厚度的关系曲线；
图3为本发明实施例中不同梁长下扰度Z与频率f的关系曲线；
图4为本发明实施例中不同梁长下灵敏度S与频率f的关系曲线。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种三层悬臂梁差动式光纤光栅加速度传感器，包括固定端1、第一感知梁2、第二感知梁3、承重梁4、质量块5、第一光纤光栅6和第二光纤光栅7；第一感知梁2、承重梁4、第二感知梁3平行设置在固定端1和质量块5之间；第一光纤光栅6设置在第一感知梁2上表面，第二光纤光栅7设置在第二感知梁3下表面。
本实施例中，承重梁4优选金属材料，金属材料可以支撑质量块发生形变并在撤去力或加速度时恢复到初始位置，即发生弹性形变。本实施例在仿真实验中优选了几种常见的金属材料进行仿真计算，如铍青铜、铝箔、304不锈钢等，最后选择304不锈钢，在相同谐振频率下它作为中间承重梁时光纤光栅加速度传感器灵敏度最高。而第一感知梁2、第二感知梁3则选择应变灵敏度较大的材料，即在相同扰度变化量情况下应变量比较大。其中扰度变化量为靠近质量块5端在受到外力F或加速度a作用下相对于初始位置的位移量。刚开始也是优选几种金属材料进行仿真实验分析，发现采用金属材料作为上下感知梁时，它的表面应变较小且不均匀。后来选择了一种弹性模量较小的材料环氧树脂作为第一感知梁2、第二感知梁3来粘贴第一光纤光栅6和第二光纤光栅7，发现该材料效果良好，在力F一定的范围内梁表面应变均匀且应变较大。第一感知梁2、第二感知梁3的材料尺寸厚度相同且距离中间承重梁的距离也相同，故而第一感知梁2上表面和第二感知梁3下表面的应变大小相等，反向相反。第一感知梁2、第二感知梁3上的应变通过粘贴在第一感知梁2、第二感知梁3表面的第一光纤光栅6和第二光纤光栅7反映出来，第一光纤光栅6和第二光纤光栅7的温度灵敏度系数相同，当第一光纤光栅6和第二光纤光栅7受到的应变大小相等反向相反时，它们的中心波长会分别朝着长波长方向和短波长方向漂移相同的大小。第一光纤光栅6和第二光纤光栅7与外界解调系统连接，通过解调系统将中心波长的漂移量解调出来，即可以得到一组差动信号，这组差动信号可以排除温度的影响，同时将加速度灵敏度扩大为原来的两倍。
本实施例中，质量块5的选择，优先选择304不锈钢或金属钨，在仿真实验时采用的是304不锈钢，其密度为7.9g/cm3。质量块5的尺寸优选为10mm×10mm×10mm的立方体，该尺寸的不锈钢块正好为7.9g。质量块5的大小也会影响传感器的谐振频率和灵敏度。
本实施例中，承重梁4采用304不锈钢，其厚度及长度的选择，由于光纤光栅加速度传感器的灵敏度和谐振频率互相受到制约，而梁长和厚度都会影响其谐振频率和灵敏度，故而梁长和厚度的选择也很重要。在测量频率范围为几十HZ的条件下，梁长由30mm到50mm每隔5mm进行了一系列仿真，厚度有0.1mm到1mm每隔0.1mm进行一系列仿真，最后优选厚度为0.5mm，长度为35mm。在该尺寸条件下，光纤光栅加速度传感器的谐振频率满足要求且加速度灵敏度较高。在其他条件一定的情况下，梁长越短其谐振频率越大，而相应的加速度灵敏度会减小，故而梁长再不宜过短。
本实施例中，第一感知梁2、第二感知梁3的厚度选择，在其他条件一定的情况下，改变上下感知梁环氧树脂的厚度来观察其表面中心轴线处的应变分布情况。环氧树脂的厚度有0.1mm到0.5mm每隔0.1mm进行仿真计算。在F＝1N时，得到的表面应变仿真如下图2所示。
由图2可知，第一感知梁2、第二感知梁3厚度越小，光纤光栅加速度传感器的上下感知梁表面在区间15mm-25mm之间的应变越均匀，且光纤光栅加速度传感器的上下感知梁表面的应变越大，即灵敏度越高。结合实际情况，环氧树脂的厚度可以达到0.1mm，再不宜过小。故而第一感知梁2、第二感知梁3环氧树脂的厚度定为0.1mm。结合公式S＝△λB/a可以计算厚度为0.1mm时光纤光栅加速度传感器的灵敏度，加速度的大小可以通过式a＝F/m来计算，其中F＝1N，m＝7.9g；中心波长该变量△λB＝k·με，其中常量k＝1.21为应变灵敏度系数，με为微应变，在图2中仿真结果为2000个微应变，故而加速度灵敏度可以计算出来。
本实施例中，第一感知梁2、第二感知梁3的长度选择，对三层矩形梁进行幅频响应分析，主要考虑的是梁长对谐振频率的影响，作用在质量块5上的力F＝0.1N一定，观察在不同频率下中心轴线与质量块5相连处的扰度Z的变化情况，以及中心轴线10mm长度均匀应变的应变情况。下图3为不同梁长下扰度Z与频率f的关系曲线。
由图3知，梁长L为50mm、45mm、40mm、35mm、30mm时对应的谐振频率约为50Hz、60Hz、70Hz、85Hz、105Hz，而一般测量范围为谐振频率的80％才可以稳定的测量。在稳定测量范围内，光纤光栅加速度传感器的扰度Z变化随着频率的增大而增大。
下面继续分析其灵敏度与梁长的关系，下图4为不同梁长的灵敏度S与频率f的关系曲线，选取的部分为该梁长下可以稳定测量的频率范围。
由图4可以得出以下结论(在稳定测量范围内)：1.频率f一定时，梁长越长，其灵敏度越大；2.梁长L一定时，其灵敏度随着测量频率的增大而增大；3.梁长L越小，其稳定测量频率范围越大。在梁长为35mm，频率为60Hz左右时，该三层梁差动式结构的光纤光栅加速度传感器的加速度灵敏度为55pm/(m·s-2)，相同尺寸及材料下，大约为传统的标准等强度梁结构模型的光纤光栅加速度传感器灵敏度的10倍左右。在本发明中提出的该三层梁差动式结构，在不降低测量频率范围的条件下，大大提高了光纤光栅加速度传感器的灵敏度。
本发明的光纤光栅加速度传感器的具体工作原理是，当悬臂梁受到外力或加速度时，悬臂梁会随着外界环境的改变而发生振动，光纤光栅加速度传感器由于质量块的作用，会使三层梁都发生形变，而其中第一感知梁2、第二感知梁3由于材料厚度与中间承重梁4不同，其应变灵敏度更高，相应的粘贴在其表面的第一光纤光栅6和第二光纤光栅7的应变也较大，从而引起第一光纤光栅6和第二光纤光栅7中心波长漂移量明显。然后再通过搭建解调系统或者解调设备来测量其中心波长的漂移量，其中第一光纤光栅6和第二光纤光栅7的中心波长漂移量大小应该相等而反向相反。其中裸光纤光栅的长度大约为10mm，在粘贴于梁表面时使其处于梁中心轴线且距离固定端及质量块自由端的距离大致相等(如图1所示)，这是为了使其受到的应变均匀。
本发明详细的分析了该三层梁差动式结构的光纤光栅加速度传感器的梁尺寸、材料、质量块大小等的影响，最后综合考虑其谐振频率和灵敏度，提出了一款新型的三层梁结构的光纤光栅加速度传感器，该结构相对于传统的标准等强度梁，大大提高了其加速度灵敏度。总体来说，该新型结构的光纤光栅加速度传感器灵敏度高、表面应变均匀、抗干扰能力强、测量范围较宽、结构简单易于制作，等优点，可以应用在一些大型土木工程结构健康监测、油气田勘探、大型仪器设备运行状况检测等领域。
尽管本说明书较多地使用了固定端1、第一感知梁2、第二感知梁3、承重梁4、质量块5、第一光纤光栅6和第二光纤光栅7等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
应当理解的是，除非另有明确的规定和限定，本说明书中采用的“安装”、“设置”、“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“第一”“第二”“第三”“第四”不代表任何的序列关系，仅是为了方便描述进行的区分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种三层悬臂梁差动式光纤光栅加速度传感器，其特征在于：包括固定端(1)、第一感知梁(2)、第二感知梁(3)、承重梁(4)、质量块(5)、第一光纤光栅(6)和第二光纤光栅(7)；
所述第一感知梁(2)、承重梁(4)、第二感知梁(3)平行设置在所述固定端(1)和质量块(5)之间；
所述第一光纤光栅(6)设置在所述第一感知梁(2)上表面，所述第二光纤光栅(7)设置在所述第二感知梁(3)下表面；
所述第一光纤光栅(6)和第二光纤光栅(7)与外界解调系统连接。
2.根据权利要求1所述的三层悬臂梁差动式光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述承重梁(4)采用铍青铜或不锈钢制作而成。
3.根据权利要求1所述的三层悬臂梁差动式光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述第一感知梁(2)、第二感知梁(3)均采用环氧树脂制作而成。
4.根据权利要求1所述的三层悬臂梁差动式光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述第一感知梁(2)、第二感知梁(3)的厚度相同，距离所述承重梁(4)的垂直距离相同。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的三层悬臂梁差动式光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述第一光纤光栅(6)设置在所述第一感知梁(2)上表面的中心轴线处且距所述固定端(1)和质量块(5)之间的距离相同，所述第二光纤光栅(7)设置在所述第二感知梁(3)下表面的中心轴线处且距所述固定端(1)和质量块(5)之间的距离相同。
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| CN114993446B (zh) * | 2022-05-27 | 2023-10-27 | 中国地质大学（武汉） | 一种双悬臂梁光纤光栅振动传感器及其优化方法 |
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