CN110297106B - 基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，包括光纤、封装壳、固定在封装壳内底面上的基座、固定在基座上的销轴和两个摆杆及质量块，摆杆一端通过销轴与基座能上下摆动的铰接形成刚性铰链、另一端与质量块固定，两个摆杆及质量块关于销轴中心线对称；采用单根光纤时，光纤水平固定在两个质量块的最高点或最低点上，采用两根光纤时，两根光纤分别水平固定在两个质量块的最高点和最低点上；光纤上两个固定点之间的部分为光纤工作段，光纤工作段上销轴中心线两侧均设有光栅，光纤工作段具有一定预应力且不与其它部位接触，质量块不与封装壳接触，光纤两端分别穿出封装壳后连接至解调仪。该传感器可以实现微小振动的精确测量。

Description

基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器。

背景技术

近年来，机械零件制造越来越倾向于精密化、小型化、轻型化方向发展，而精密加工技术在精密零件制造过程中占据着重要的地位，精密加工技术是指加工的尺寸、形状精度达到亚微米级，加工表面的粗糙度R_a达到纳米级的技术总称。在实际加工过程中，微振动几乎很难避免，若振动方向与误差敏感方向一致，将会引起较大的加工误差，增加零件表面的粗糙度，甚至会影响机器的正常运行，因此需要设置加速度传感器检测实际加工过程中的微振动。

虽然光纤光栅存在体积小、质量轻、不受电磁干扰、可实现分布式测量等突出优点，但是目前的光纤光栅加速度传感器，基本上采用的是以悬臂梁或柔性铰链为弹性体、质量块作为加速度载体的方式，由于弹性体连续性原则，其周围的材料必对发生形变材料有约束，这实际上就减小了光纤光栅总的轴向变形，这种方式设计的传感器灵敏度较低，未能很好的实时测量由于微振动引起的加工误差。因此，精密加工技术迫切需要一种高灵敏度的加速度传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，该传感器不同于现有的增敏形式，具有二级灵敏度放大结构，灵敏度高，可以实现微小振动的精确测量。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，包括单根或两根光纤、封装壳、固定在封装壳内底面上的基座、固定在基座上的销轴和两个摆杆及质量块，摆杆一端通过销轴与基座能上下摆动的铰接形成刚性铰链、另一端与质量块固定，两个摆杆及质量块关于销轴中心线对称；采用单根光纤时，光纤水平固定在两个质量块的最高点或最低点上，采用两根光纤时，两根光纤分别水平固定在两个质量块的最高点和最低点上；光纤上两个固定点之间的部分为光纤工作段，光纤工作段上销轴中心线两侧均设有光栅，光纤工作段具有一定预应力且不与摆杆、销轴和基座接触，质量块不与封装壳接触，光纤两端分别穿出封装壳后连接至解调仪。

进一步地，封装壳内固定有上限位块和下限位块，上限位块能对摆杆的铰接端限位，防止摆杆上摆过量，下限位块能对质量块限位，防止摆杆下摆过量。

进一步地，摆杆、销轴和基座与光纤工作段存在干涉时，干涉的部位开设有光纤通过孔。

进一步地，销轴与基座过盈配合，销轴与摆杆间隙配合。

进一步地，一个摆杆的铰接端为单耳片、另一个摆杆的铰接端为双耳片，单耳片和双耳片均套在销轴上，单耳片位于双耳片之间且存在间隙。

进一步地，质量块的形状为球体时，加速度传感器的灵敏度S和谐振频率f为

其中λ为光纤光栅中心波长、P_e为有效弹光系数、m为质量块质量、M为摆杆质量、x为光纤工作段长度、R为质量块球体半径、k为光纤光栅弹性系数、l为质量块质心到销轴中心线的距离、J为一侧刚性铰链绕铰链中心的转动惯量。

进一步地，光纤两端均通过光纤保护套保护。

进一步地，质量块采用铅锑合金材料。

进一步地，摆杆采用不锈钢材料。

进一步地，光纤固定时，先将光纤固定在一个质量块上，然后采用悬挂砝码的方式对光纤施加预应力，预应力施加完毕后，根据光纤工作段的长度在光纤上标记另一个固定点，然后使光纤处于水平状态，调整另一个质量块的位置使另一个质量块的固定点与光纤上标记的固定点重合，最后将光纤固定在另一个质量块上。

本发明的有效效果是：

该传感器具有二级灵敏度放大结构，可以实现微小振动的精确测量。其中，第一级灵敏度放大结构是摆杆、销轴和基座形成的刚性铰链，不同于现有的柔性铰链增敏形式，基座用于传递振动、支撑摆杆和防止质量块与内壁接触，防止影响测量精度，摆杆做刚体转动，与柔性铰链相比，摆杆长度相同的情况下具有更大的放大作用：柔性铰链的放大作用关键是利用弹性体变形的原理进行放大变形，但由于弹性体的连续性原理，当其一部分发生变形时，其另一部分必定对发生变形的部分有阻碍其变形的作用，而刚体运动则没有这样的限制，因此，相对柔性铰链而言，刚性铰链具有更大的放大增益，从而实现传感器灵敏度一级放大，而且摆杆长度和角度可以根据传感器灵敏度来确定，改变其长度可以调节灵敏度大小；第二级灵敏度放大结构是采用两个质量体的左右对称结构，当振源加速度不变时，使光纤光栅的伸长量增加一倍：由于结构对称，故左右两部分都会拉伸光纤光栅，从而导致光纤光栅的伸长量增加一倍，而非对称结构则没有这种效果，故二级灵敏度放大结构也会传感器灵敏度增大，从而实现传感器灵敏度二级放大。经分析计算，该传感器可轻易的实现毫加速度的测量，可达到微加速度测量精度，灵敏度具有很大优势。对于温度变化小的场合，选用单根光纤即可，对于温度变化大的场合，可以选用两根光纤，采用两根光纤可以消除温度对传感器测量振动的干扰。

附图说明

图1是本发明实例一的正视剖面图。

图2是本发明实例一中二级灵敏度放大结构的立体图。

图3是本发明实例一中二级灵敏度放大结构的尺寸示意图。

图4是本发明实例一中一个摆杆的立体图。

图5是本发明实例一中另一个摆杆的立体图。

图6是本发明实例一中基座的立体图。

图7是本发明实施例二中二级灵敏度放大结构的示意图。

图8是本发明实施例三中二级灵敏度放大结构的示意图。

图中：1-封装壳；2-摆杆；3-基座；4-销轴；5-上限位块；6-光纤；7-质量块；8-下限位块；9-光纤通过孔；10-铰链孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施对本发明作进一步的说明。

如图1至图8所示，在实施例一实施例三中，基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器包括光纤6、封装壳1、固定在封装壳1内底面上的基座3(基座3的固定方式有很多种，优选基座3通过环氧树脂胶AB胶等胶水粘接固定在封装壳1上，粘接时，应尽可能使基座3底面与封装壳1的粘接面平行，这样有利于减少横向干扰和使光纤光栅两侧均匀被拉长)、固定在基座3上的销轴4和两个摆杆2及质量块7，摆杆2一端通过销轴4与基座3能上下摆动的铰接形成刚性铰链(摆杆2和基座3的拐角处都设有圆角，避免了应力集中现象的出现)、另一端与质量块7固定(质量块7与摆杆2一体浇注成型或焊接为一体，质量块7作为加速度载体，其作用是产生惯性力，从而拉伸光纤光栅，可以根据灵敏度的需求选择质量块7的质量)，两个摆杆2及质量块7关于销轴4中心线对称；如图1至图3所示，在实施例一中，采用单根光纤6时，光纤6水平固定在两个质量块7的最高点(也可以是最低点)上(光纤6通过环氧树脂胶AB胶等胶水粘接固定在质量块7上)，如图7和图8所示，在实施例二和实施例三中，采用两根光纤6时，两根光纤6分别水平固定在两个质量块7的最高点和最低点上(光纤6通过环氧树脂胶AB胶等胶水粘接固定在质量块7上)；光纤6上两个固定点之间的部分为光纤6工作段，光纤6工作段上销轴4中心线两侧均设有光栅，光纤6工作段具有一定预应力且不与摆杆2、销轴4和基座3接触，质量块7不与封装壳1接触，光纤6两端分别穿出封装壳1(封装壳1对应位置上开设有光纤通过孔9)后连接至解调仪。

该传感器具有二级灵敏度放大结构，可以实现微小振动的精确测量。其中，一级灵敏度放大结构是摆杆2、销轴4和基座3形成的刚性铰链，不同于现有的柔性铰链增敏形式，基座3用于传递振动、支撑摆杆2和防止质量块7与内壁接触，防止影响测量精度，摆杆2做刚体转动，与柔性铰链相比，摆杆2长度相同的情况下具有更大的放大作用：柔性铰链的放大作用关键是利用弹性体变形的原理进行放大变形，但由于弹性体的连续性原理，当其一部分发生变形时，其另一部分必定对发生变形的部分有阻碍其变形的作用，而刚体运动则没有这样的限制，因此，相对柔性铰链而言，刚性铰链具有更大的放大增益，从而实现传感器灵敏度一级放大，而且摆杆2长度和角度可以根据传感器灵敏度来确定，改变其长度可以调节灵敏度大小；二级灵敏度放大结构是采用两个质量体7的左右对称结构，当振源加速度不变时，使光纤光栅的伸长量增加一倍：由于结构对称，故左右两部分都会拉伸光纤光栅，从而导致光纤光栅的伸长量增加一倍，而非对称结构则没有这种效果，故二级灵敏度放大结构也会传感器灵敏度增大，从而实现传感器灵敏度二级放大。经分析计算，该传感器可轻易的实现毫加速度的测量，可达到微加速度测量精度，灵敏度具有很大优势。对于温度变化小的场合，选用单根光纤6即可，对于温度变化大的场合，可以选用两根光纤6，采用两根光纤6可以消除温度对传感器测量振动的干扰。

如图1所示，在实施例一中，封装壳1内固定有上限位块5和下限位块8(上限位块5和下限位块8的固定方式有很多种，优选上限位块5和下限位块8均通过环氧树脂胶AB胶等胶水粘接固定在封装壳1上)，上限位块5能对摆杆2的铰接端限位，防止摆杆2上摆过量，下限位块8能对质量块7限位，防止摆杆2下摆过量。上限位块5和下限位块8的作用是防止安装和转移过程中摆杆2摆动过量拉断光纤光栅，上限位块5和下限位块8的限位点根据传感器的量程确定。

根据各部件尺寸和安装位置的不同，如图1至3、图7和图8所示，在实施例一至实施例三中，光纤6工作段可能与摆杆2、销轴4和基座3干涉，也可能不干涉，摆杆2、销轴4和基座3与光纤6工作段存在干涉时，干涉的部位开设有光纤通过孔9，光纤6工作段通过光纤通过孔9通过，防止与其余部件接触。

在实施例一至实施例三中，销轴4与基座3(以极小的过盈量)过盈配合，销轴4与摆杆2(以极小的间隙量)间隙配合。销轴4与基座3过盈配合可以减少因间隙存在而增大测量误差，销轴4与摆杆2间隙配合，摆杆2能做刚体旋转运动，从而使光纤光栅被拉长，以此来增加放大系数。

在实施例一至实施例三中，光纤6两端均通过光纤保护套保护，光纤保护套能防止光纤6被破坏，从而提高传感器的使用寿命。

质量块7的材料有多种选择，作为优选例，质量块7采用铅锑合金材料。这样选材可以在不减少质量且考虑成本的情况下减小传感器的整体尺寸。

摆杆2的材料有多种选择，作为优选例，摆杆2采用不锈钢材料。这样选材可以在考虑成本的情况下选择刚度较大材料，减少摆杆2的弯曲变形，使摆杆2运动近乎为刚体旋转运动。

如图2、图4和图5所示，在实施例一中，一个摆杆2的铰接端为单耳片、另一个摆杆2的铰接端为双耳片，单耳片和双耳片均套在销轴4上，单耳片位于双耳片之间且存在间隙。这种安装方式使两个摆杆2在同一平面上，两者的间隙是为了减小两个摆杆2间的摩擦，降低测量误差。

质量块7的形状包括但不限于球体，实施例一至实施例三优选球体，因为球体方便粘贴光纤，以及在传感器工作时，不会因为摆杆2旋转而出现棱角割伤光纤6，而且计算简单、方便。

以实施例一为例，组装及工作步骤如下：

S1、将基座1放于水平面上，然后将一个摆杆2放入基座3的槽口内并将摆杆2的铰链孔10与基座3的铰链孔10对齐。

S2、将另一个摆杆2放入第一个摆杆2的槽口内并将两者的铰链孔10对齐。

S3、使销轴4的光纤通过孔9中心线位于水平面内，同时用彩色笔在基座3和销轴4的端面画一水平线并延长至基座3的边缘，方便使销轴4的光纤通过孔9中心线与两个摆杆2的光纤通过孔9中心线重合。

S4、将销轴4端面的水平线与基座3上的水平线对齐，慢慢将销轴4插入铰链孔10内，过程中可用小锤轻敲，并时刻注意划线对齐。

S5、将光纤6依次穿过一个摆杆2、销轴4和另一个摆杆2上的光纤通过孔9，调整光纤6的长度后再用环氧树脂AB胶固定光纤6于一个质量块7上，待AB胶凝固后，可采用悬挂砝码的方式对光纤光栅施加预应力(预应力的大小根据传感器量程而定)，待预应力施加完毕后，根据光纤6工作段的长度在光纤6上标记另一个固定点，然后使光纤6处于水平状态，调整另一个质量块7的位置使另一个质量块7的固定点与光纤6上标记的固定点重合，然后用AB胶将光纤6固定于另一个质量块7上，最后再用光纤护套保护尾纤。

S6、将上限位块5和下限位块8用环氧树脂AB胶固定于封装壳1内壁的特定位置上(此位置应根据相关尺寸提前确定)，待上限位块5和下限位块8处的AB胶凝固后，即可将之前安装好的基座3整体用环氧树脂AB胶固定在封装壳1内壁中心处，并使摆杆2长度方向与封装壳1最长的尺寸方向一致。

S7、将封装壳1盖用环氧树脂AB胶固定于封装壳1开口面上，传感器组装完成。

S8、把组装好的传感器用环氧树脂AB胶固定于被测表面上即可进行振动测量。

以实施例一为例，如图4所示，图中只标出重要尺寸，可以推导出传感器的灵敏度公式和谐振频率公式(其余尺寸可根据要需要确定，原则遵循满足使用性能的前提下，应使传感器结构尺寸尽可能小)，其中，传感器灵敏度公式推导如下：

当沿传感器振动敏感方向的振动加速度为a时，整个系统在惯性力的作用下，达到力矩平衡，由于传感器结构的对称性，故只对左半部分光纤进行力矩平衡分析：

式中，m为质量块7质量且

ρ为球体密度、ρ为质量块7球体半径；M为摆杆2的质量；d为质量块7质心到铰链中心的水平距离且

x为光纤6工作段的长度；k为光纤光栅的弹性系数；Δx为光纤光栅的轴向形变增量且Δx＝Δεx，Δε为应变；h为光纤光栅到铰链中心的高度。

弹性系数k的定义可得：

式中，A_f为光纤6的横截面积；E_f为光纤6的杨氏模量。

式中，d₁为光纤6直径。

由几何关系可得：

式中，l为质量块7质心到销轴4中心线的距离。

加速度传感器的灵敏度S定义为光纤光栅中心波长的变化量Δλ与加速度a的比值，即

光纤光栅波长改变量Δλ与应变Δε之间的关系可以表示为：

Δλ＝(1-P_e)λΔε (6)

式中，P_e为有效弹光系数；λ为光纤光栅的中心波长。

把式(1)，(2)，(3)，(4)和(6)式代入(5)可得传感器灵敏度S为：

同理，只对左半部分光纤6分析可推导出传感器谐振频率公式。推导如下：

加速度传感器的运动方程可由拉格朗日方程推导。设质量块7对铰链中心的转动惯量为J₁，摆杆2对铰链中心的转动惯量为J₂，摆杆2转角为θ，令θ为广义坐标，忽略摩擦。

系统动能E为：

其中，

是摆杆2转动时的角速度。

光纤的势能U₁为：

重力势能U₂为：

其中：Δy为质量块质心沿y方向的位移。

式中

Δx＝lcosθ₁sinθ

Δy＝-lsinθ₁sinθ (11)

其中，θ₁为摆杆2与竖直方向的初始角度，当θ变化很小时，可作如下近似处理：

sinθ≈θ，故(11)可化简为：

Δx＝lθcosθ₁

Δy＝-lθsinθ₁ (12)

根据模型尺寸及几何知识可得：

系统势能U为：

U＝U₁+U₂ (14)

拉格朗日方程为：

式中：E是系统的动能；U是系统的势能；f是系统所受的外力，由于忽略摩擦，故f＝0；

将式(8)(9)(12)(13)(14)式代入(15)得：

其中，

是摆杆2转动时的角加速度。

根据上述方程可得系统的谐振频率f为：

其中，J为一侧刚性铰链绕铰链中心的转动惯量，且

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：包括单根或两根光纤、封装壳、固定在封装壳内底面上的基座、固定在基座上的销轴和两个摆杆及质量块，摆杆一端通过销轴与基座能上下摆动的铰接形成刚性铰链、另一端与质量块固定，两个摆杆及质量块关于销轴中心线对称；采用单根光纤时，光纤水平固定在两个质量块的最高点或最低点上，采用两根光纤时，两根光纤分别水平固定在两个质量块的最高点和最低点上；光纤上两个固定点之间的部分为光纤工作段，光纤工作段上销轴中心线两侧均设有光栅，光纤工作段具有一定预应力且不与摆杆、销轴和基座接触，质量块不与封装壳接触，光纤两端分别穿出封装壳后连接至解调仪。

2.如权利要求1所述的基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：封装壳内固定有上限位块和下限位块，上限位块能对摆杆的铰接端限位，防止摆杆上摆过量，下限位块能对质量块限位，防止摆杆下摆过量。

3.如权利要求1所述的基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：摆杆、销轴和基座与光纤工作段存在接触干涉时，接触的部位开设有光纤通过孔。

4.如权利要求1所述的基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：销轴与基座过盈配合，销轴与摆杆间隙配合。

5.如权利要求1所述的基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：一个摆杆的铰接端为单耳片、另一个摆杆的铰接端为双耳片，单耳片和双耳片均套在销轴上，单耳片位于双耳片之间且存在间隙。

6.如权利要求1所述的基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：质量块的形状为球体时，加速度传感器的灵敏度S和谐振频率f为

其中λ为光纤光栅中心波长、P_e为有效弹光系数、m为质量块质量、M为摆杆质量、x为光纤工作段长度、R为质量块球体半径、k为光纤光栅弹性系数、l为质量块质心到销轴中心线的距离、J为一侧刚性铰链绕铰链中心的转动惯量。

7.如权利要求1所述的基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：光纤两端均通过光纤保护套保护。

8.如权利要求1所述的基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：质量块采用铅锑合金材料。

9.如权利要求1所述的基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：摆杆采用不锈钢材料。

10.如权利要求1所述的基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：光纤固定时，先将光纤固定在一个质量块上，然后采用悬挂砝码的方式对光纤施加预应力，预应力施加完毕后，根据光纤工作段的长度在光纤上标记另一个固定点，然后使光纤处于水平状态，调整另一个质量块的位置使另一个质量块的固定点与光纤上标记的固定点重合，最后将光纤固定在另一个质量块上。

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