CN110531109A - 一种小型弹性板结构的光纤光栅加速度传感器及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种小型弹性板结构的光纤光栅加速度传感器及其测量方法，包括上盖、底座，连接上盖和底座的上下支柱，位于中部的弹性体和若干光纤光栅，所述弹性体包括质量块和连接在质量块中部两侧的弹性板，上支柱顶部和下支柱底部分别开设有光纤槽A和光纤槽C，质量块的上下表面开设有光纤槽B，两根光纤通过一定预应力依次固定在质量块与上下支柱的光纤槽中，光栅处于支柱与质量块的空隙中，测量时通过建立起加速度与光纤光栅波长漂移量之间的关系，借助解调仪得到光纤光栅中心波长变化，获得振动信号的振动信息。本发明具有结构简单、体积小、成本低、抗电磁干扰、还具有温度补偿，以及便于分布式测量等优点。

Description

一种小型弹性板结构的光纤光栅加速度传感器及其测量方法
技术领域
本发明属于机械振动测量技术领域，具体涉及一种小型弹性板结构的光纤光栅加速度传感器及其测量方法。
背景技术
光纤光栅加速度传感器因其具有动态范围广、耐高温、抗电磁干扰等优势而广泛地用于振动的检测，光纤光栅加速度传感器利用惯性原理来感知加速度信号，并将加速度的变化转化为光纤光栅中心波长的漂移量。依据光栅的受力变形形势可将光纤光栅加速度传感器划分两类，一类为顺便柱体、膜片、梁等弹性结构作为弹性元件，将光纤光栅粘贴在弹性元件的表面形成的粘贴式光纤光栅加速度传感器，该类传感器体积与质量较大、易发生啁啾现象，另一种为光纤光栅自身作为弹性体，此类传感器稳定性较差、易发生交叉串扰、寿命低。因此，为了能够在小空间内安装并检测、易于多点测量、实现远距离信号传输，本发明拟设计一种小型弹性板结构的光纤光栅加速度传感器及其测量方法，该传感器不仅能够减小横向振动对纵向加速度测量的干扰，具有结构简单、体积小、成本低、抗电磁干扰、还具有温度补偿，以及便于分布式测量等优点。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种小型弹性板结构的光纤光栅加速度传感器，包括上盖、底座，连接上盖和底座的上下支柱，位于中部的弹性体和若干光纤光栅，其特征在于：所述弹性体包括质量块和连接在质量块中部两侧的弹性板，弹性板外侧边缘设置在上下支柱之间，通过上下支柱夹紧固定，上支柱顶部和下支柱底部分别开设有光纤槽A和光纤槽C，质量块的上下表面开设有光纤槽B，两根光纤通过一定预应力依次固定在质量块与上下支柱的光纤槽中，光栅处于支柱与质量块的空隙中，刻在在上下两根光纤上，测量时通过建立起加速度与光纤光栅波长漂移量之间的关系，借助解调仪得到光纤光栅中心波长变化，获得振动信号的振动信息。
所述弹性体为一体成型结构，采用304不锈钢材料制得，弹性体中部为矩形柱状质量块，矩形柱块中段两侧对称设有一对片状矩形弹性板。
所述上盖底部两端对称设有一对上支柱，底座顶部两端对称设有一对下支柱，两侧上下支柱分别配合连接，上支柱底部设有凸台与下支柱顶部开设的凹槽相配合，弹性板外端边缘设在下支柱上凹槽内，通过上下支柱压紧固定。
所述两侧上支柱上开设的光纤槽A的连线走向、两侧下支柱上开设的光纤槽C的连线走向，与位于质量块上下的两个光纤槽B的走向一致，且相隔一定的距离，用于将两根光纤分别固定在质量块和上下支柱的光纤槽中，实现温度补偿。
所述上支柱与上盖之间，下支柱与底座之间，以及上下支柱之间均通过螺钉连接固定。
一种小型弹性板结构的光纤光栅加速度传感器的测量方法，其特征在于，包括如下过程：测量时，将传感器安装在被测体表面，保持其底座处于水平位置，当被测体产生沿传感器竖直方向的振动时，在惯性力作用下，质量块上下移动使得弹性板产生变形量，使得与质量块连接的光纤光栅拉伸或压缩而获得中心波长的漂移，通过建立质量块、弹性板和光纤光栅所受作用力的相互关系得到振动加速度与光纤光栅应变的关系，进而建立起加速度与光纤光栅波长漂移量之间的关系，从而得到加速度的振动信号。
本发明具有如下优点：
本发明以弹性板为弹性元件，能够减小横向振动对纵向加速度测量的干扰。本发明具有结构简单、体积小、成本低、抗电磁干扰、还具有温度补偿等优点；有利于分布式(多点)测量。
附图说明
图1是本发明传感器的结构示意图；
图2是传感器中上支柱的结构示意图；
图3是传感器中弹性体结构示意图；
图4是1号光栅#1FBG受力变形的示意图；
图5是传感器中弹性体—光纤光栅等效刚度示意简图；
图6是传感器中下支柱的结构示意图；
图中：1-上盖；2-螺钉；3-上支柱；4-弹性体；5-下支柱；6-底座；7-光纤；8-光栅；9-胶；3-1凸台；3-2螺纹孔；3-3光纤槽A；4-1.弹性板；4-2.质量块；4-3光纤槽B；5-1凹槽；5-2螺纹孔；5-3光纤槽C
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，如图1-6所示，一种小型弹性板结构的光纤光栅加速度传感器，包括上盖1、底座6，连接上盖和底座的上下支柱，位于中部的弹性体4和若干光纤光栅，弹性体4包括质量块4-2和连接在质量块中部两侧的弹性板4-1，弹性板4-1外侧边缘设置在上下支柱之间，通过上下支柱夹紧固定，上支柱3顶部和下支柱5底部分别开设有光纤槽A3-3和光纤槽C5-3，质量块4-2的上下表面开设有光纤槽B4-3，两根光纤7通过一定预应力依次固定在质量块与上下支柱的光纤槽中，光栅8处于支柱与质量块4-2的空隙中，刻在在上下两根光纤上，测量时通过建立起加速度与光纤光栅波长漂移量之间的关系，借助解调仪得到光纤光栅中心波长变化，获得振动信号的振动信息。
弹性体为一体成型结构，采用304不锈钢材料制得，弹性体中部为矩形柱状质量块4-2，矩形柱块中段两侧对称设有一对片状矩形弹性板4-1。
上盖1底部两端对称设有一对上支柱3，底座6顶部两端对称设有一对下支柱5，两侧上下支柱分别配合连接，上支柱3底部设有凸台3-1与下支柱顶部开设的凹槽5-1相配合，弹性板4-1外端边缘设在下支柱上凹槽内，通过上下支柱压紧固定。
两侧上支柱3上开设的光纤槽A3-3的连线走向、两侧下支柱5上开设的光纤槽C5-3的连线走向，与位于质量块4-2上下的两个光纤槽B4-3的走向一致，且相隔一定的距离，用于将两根光纤分别固定在质量块和上下支柱的光纤槽中，实现温度补偿。
上支柱与上盖之间，下支柱与底座之间，以及上下支柱之间均通过螺钉连接固定。
一种小型弹性板结构的光纤光栅加速度传感器的测量方法，包括如下过程：测量时，将传感器安装在被测体表面，保持其底座处于水平位置，当被测体产生沿传感器竖直方向的振动时，在惯性力作用下，质量块4-2上下移动使得弹性板4-1产生变形量，使得与质量块4-2连接的光纤光栅8拉伸或压缩而获得中心波长的漂移，通过建立质量块、弹性板和光纤光栅所受作用力的相互关系得到振动加速度与光纤光栅应变的关系，进而建立起加速度与光纤光栅波长漂移量之间的关系，从而得到加速度的振动信号。
本发明的测量原理如下：
当被测物体发生振动时，传感器受到竖直方向的振动加速度a的激励，质量块在惯性力ma的作用下使得弹性板产生形变，从而使得质量块在竖直方向上下微小移动，当被测物体振动的频率在传感器的工作频率范围内时，待测物体的振动加速度a引起的质量块的位移量，即弹性板的变形量的表达式为：
其中，Δy为弹性板的变形量或者质量块的位移量；a为待测物体的加速度；wn为传感器的固有频率。
由图1可知，上方1号光栅为#1FBG、下方2号光栅#2FBG对称地布置在弹性体的上下侧，根据结构的对称性，传感器在受到竖直方向的振动加速度激励时，两个光纤终点沿横向的位移量相同，且与质量块的位移量相等。以#1FBG作为分析对象，#1FBG受力变形图如图4所示，在静态时，光纤和质量块的固定点到光纤两固定端点的竖直位移与光纤生成应变之间的关系为：
其中，l为光纤一端固定点到光纤和质量块的固定点的水平距离；y0为光纤和质量块的固定点到光纤两固定端点的竖直位移；ε0为在传感器静态时通过施加一定预应力使得光纤生成的初始应变。
由光纤的轴向刚度可知，该传感器中光纤的刚度的表达式为：
其中，Ef为光纤的杨氏模量，Af为光纤的横截面积。
由(2)式可知，在动态时，光纤和质量块的固定点到光纤两固定端点的竖直位移与光纤生成应变之间的关系为：
联立(2)、(4)式，传感器在受到竖直方向的振动加速度激励时，光纤中点产生沿光纤横向的位移变化量与应变之间的关系为：
其中，Δy为光纤和质量块的固定点到光纤两固定端点的竖直位移的变化量；y1为传感器在动态时光纤和质量块的固定点到光纤两固定端点的竖直位移；ε1为传感器在动态时光纤相对于光纤处于水平位置时的应变量。
联立(1)、(5)式，其表达式为：
从(6)式可知，传感器受到的振动加速度a与光纤的轴向应变变化量之间是非线性的，但是在较小的振动区间内，两者之间是线性，依据泰勒公式可得，振动加速度a与光纤轴向应变变化量之间的关系表达式为：
其中，Δε1为传感器在受到振动加速度激励时光纤沿其轴向的应变变化量。
依据光纤的传感机理可知，光纤光栅的波长漂移量与应变、温度变化的关系为：
其中，λ为光纤光栅的中心波；Δλ为光纤光栅的波长漂移量；pe为光纤的弹光系数，αf为光纤的热膨胀系数、ξf为光纤的热光系数、Δt为温度变化。
由(8)式可得，当传感器在受到竖直方向的振动加速度激励时，#1FBG中心波长变化量与其应变变化量之间的表达式为：
其中，λ1为光纤光栅的中心波；Δλ1为光纤光栅的波长漂移量。
当传感器在受到竖直方向的振动加速度激励时，#1FBG与#2FBG的位移变化情况相反，即#1FBG拉伸时，#2FBG收缩，则#1FBG与#2FBG产生的应变变化量相反，则Δε1＝-Δε2。
同理，对于#2FBG，其光纤中心波长变化量与应变变化量的关系表达式为：
其中，λ2为光纤光栅的中心波；Δλ2为光纤光栅的波长漂移量。由于λ1≈λ2＞＞Δλ1、Δλ2，联立(9)、(10)式有：
联立(7)、(11)式可得：
由图5可知，传感器的总刚度为：
k＝2kf+2kb (13)
其中，kb为弹性板的刚度，其表达式为：
其中，E为弹性板材料的弹性模量；b为弹性板的宽度；h为弹性板的厚度；lb为弹性板的长度。
由(13)、(14)式可得，传感器的固有频率为：
其中，m为质量块的质量。
联立(12)、(15)式可得：
根据式(16)式即可由两个光纤光栅的波长漂移量得到被测物体加速度的变化，从而得到振动信号。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (6)

1.一种小型弹性板结构的光纤光栅加速度传感器，包括上盖、底座，连接上盖和底座的上下支柱，位于中部的弹性体和若干光纤光栅，其特征在于：所述弹性体包括质量块和连接在质量块中部两侧的弹性板，弹性板外侧边缘设置在上下支柱之间，通过上下支柱夹紧固定，上支柱顶部和下支柱底部分别开设有光纤槽A和光纤槽C，质量块的上下表面开设有光纤槽B，两根光纤通过一定预应力依次固定在质量块与上下支柱的光纤槽中，光栅处于支柱与质量块的空隙中，刻在在上下两根光纤上，测量时通过建立起加速度与光纤光栅波长漂移量之间的关系，借助解调仪得到光纤光栅中心波长变化，获得振动信号的振动信息。
2.如权利要求1所述的一种小型弹性板结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述弹性体为一体成型结构，采用304不锈钢材料制得，弹性体中部为矩形柱状质量块，矩形柱块中段两侧对称设有一对片状矩形弹性板。
3.如权利要求1所述的一种小型弹性板结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述上盖底部两端对称设有一对上支柱，底座顶部两端对称设有一对下支柱，两侧上下支柱分别配合连接，上支柱底部设有凸台与下支柱顶部开设的凹槽相配合，弹性板外端边缘设在下支柱上凹槽内，通过上下支柱压紧固定。
4.如权利要求1所述的一种小型弹性板结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述两侧上支柱上开设的光纤槽A的连线走向、两侧下支柱上开设的光纤槽C的连线走向，与位于质量块上下的两个光纤槽B的走向一致，且相隔一定的距离，用于将两根光纤分别固定在质量块和上下支柱的光纤槽中，实现温度补偿。
5.如权利要求1所述的一种小型弹性板结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述上支柱与上盖之间，下支柱与底座之间，以及上下支柱之间均通过螺钉连接固定。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种小型弹性板结构的光纤光栅加速度传感器的测量方法，其特征在于，包括如下过程：测量时，将传感器安装在被测体表面，保持其底座处于水平位置，当被测体产生沿传感器竖直方向的振动时，在惯性力作用下，质量块上下移动使得弹性板产生变形量，使得与质量块连接的光纤光栅拉伸或压缩而获得中心波长的漂移，通过建立质量块、弹性板和光纤光栅所受作用力的相互关系得到振动加速度与光纤光栅应变的关系，进而建立起加速度与光纤光栅波长漂移量之间的关系，从而得到加速度的振动信号。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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