CN110531110A - 一种基于u型槽结构的fbg二维加速度传感器及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于U型槽结构的FBG二维加速度传感器及其测量方法，包括上壳体和下壳体、位于上下壳体中部的芯体和若干光纤、光栅，所述芯体包括上下依次连接的上部惯性体，中部主体和下部底座，芯体的中部主体上下分别开设有两对背向设置的U型槽结构，上下两对U型槽的开口方向垂直，底座和上下两对U型槽的轴线位置开有竖直设置的方形通孔，惯性体和底座周向外表面都均匀地开设有四个光纤槽，四根光纤通过施加一定的预应力安装到光纤槽内，四根光纤内均刻有光栅，四根光栅处于相邻两两垂直的方向，方便用于检测两个垂直方向上的振动。该传感器具有温度补偿的效果、精确测量合加速度、抗电磁干扰、结构简单、体积小、分布式测量等优点。

Description

一种基于U型槽结构的FBG二维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，具体涉及一种基于U型槽结构的FBG(光纤光栅)二维加速度传感器及其测量方法。
背景技术
光纤光栅传感器因其显著的优点而得到广泛的关注，例如轻便安全，抗电磁干扰，耐腐蚀、远距离测量。现有的光纤光栅二维振动加速度传感器主要有以下两类，一是弹性梁等结构的加速度传感器，该类型的传感器灵敏度小、结构尺寸偏大，难以保证各个方向灵敏度相同，使得合成的总加速度测量不够精确；二是直接采用光纤光栅作为弹性元件制作成的加速度传感器，此类加速度传感器虽然结构简单，体积小，但两个测量方向的工作频率范围、灵敏度相差较大，且光纤自身比较脆弱，易损坏，导致此类传感器的重复性较差。
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：
一种基于U型槽结构的FBG二维加速度传感器，包括上壳体和下壳体、位于上下壳体中部的芯体和若干光纤、光栅，其特征在于：所述芯体包括上下依次连接的上部惯性体，中部主体和下部底座，芯体的中部主体上下分别开设有两对背向设置的U型槽结构，上下两对U型槽的开口方向垂直，底座和上下两对U型槽的轴线位置开有竖直设置的方形通孔，下壳体通过其内部轴线上的长方柱与底座内的方形孔配合固定，上壳体与下壳体通过螺纹固定，上壳体的表面设置有四个小孔，惯性体和底座周向外表面都均匀地开设有四个光纤槽，四根光纤通过施加一定的预应力安装到光纤槽内，光纤通过上壳体表面的小孔穿出，四根光纤内均刻有光栅，光栅处在惯性体和底座的之间空隙处，四根光栅处于相邻两两两垂直的方向，方便用于检测两个垂直方向上的振动。
为了进一步使得芯体与下壳体固定，所述下壳体底部和底座上分别设有四个相配合的螺纹孔，借助螺钉将两者连接固定。
所述芯体采用304不锈钢材料制得。
所述芯体为一体成型结构，其中惯性体包括上方圆柱体和下方向下收缩的锥型圆台，芯体中部主体上端与锥型圆台底部衔接，下端与底座衔接。
所述光纤嵌设在光纤槽内后通过胶体4进一步固定。
所述四根光栅包括位于X轴连线方向的两根光栅：1号光栅-#1FBG、3号光栅#3FBG，用于检测X轴方向的振动，位于Y轴连线方向的两根光栅：2号光栅-#2FBG、4号光栅#4FBG，用于检测Y轴方向的振动。
一种基于U型槽结构的FBG二维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，将传感器固定在待测物体的表面，并且保持传感器的底面处于水平位置，当传感器受到外界的振动激励时，在惯性作用之下，传感器的惯性体绕着U型槽微小转动，惯性体产生的竖直位移量使得与惯性体的光纤槽固定的光纤发生拉伸或者压缩，引起光栅中心波长漂移，通过解调仪测出光栅中心波长的漂移量，从而建立外界激励加速度和光栅中心波长漂移量的对应关系，由此得到振动加速度的振动信息。
本发明具有如下优点：
本发明不同于以往的弹性梁式、光纤光栅式等振动传感器，本发明采用了U型槽结构作为弹性元件，在具有高的固有频率的同时提高灵敏度，在所选择的频率范围内，各向灵敏度相同，能够精确测量两相加速度；本发明结构简单，采用光纤光栅作为传感元件，易于实现遥测，具有抗电磁干扰、体积小、分布式测量，还具有温度补偿的效果等优点。
附图说明
图1是本发明传感器的整体结构示意图；
图2是本发明传感器中芯体的结构示意图；
图3是图1中芯体-光纤光栅的在X轴方向受力变形示意图；
图4是图1中芯体上侧U型槽的尺寸示意图；
图5是图1中芯体-光纤光栅的在Y轴方向受力变形示意图；
图6是图1中芯体下侧U型槽的尺寸示意图；
图中：1-光纤；2-上壳体；3-芯体；4-胶体；5-下壳体；6-光栅；3-1.惯性体；3-2.光纤槽；3-3.上侧U型槽；3-4.下侧U型槽；3-5底座；3-6方形孔。
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，一种基于U型槽结构的FBG二维加速度传感器，包括上壳体2和下壳体5、位于上下壳体中部的芯体3和若干光纤、光栅，芯体3包括上下依次连接的上部惯性体3-1，中部主体和下部底座3-5，芯体3的中部主体上下分别开设有两对背向设置的U型槽结构，上下两对U型槽的开口方向垂直，底座3-5和上下两对U型槽的轴线位置开有竖直设置的方形通孔3-6，下壳体5通过其内部轴线上的长方柱与底座3-5内的方形孔3-6配合固定，上壳体2与下壳体5通过螺纹固定，上壳体2的表面设置有四个小孔，惯性体3-1和底座3-5周向外表面都均匀地开设有四个光纤槽3-2，四根光纤1通过施加一定的预应力安装到光纤槽内3-2，光纤1通过上壳体2表面的小孔穿出，四根光纤内均刻有光栅，光栅6处在惯性体3-1和底座3-5的之间空隙处，四根光栅6处于相邻两两两垂直的方向，方便用于检测两个垂直方向上的振动。
为了进一步使得芯体3与下壳体5固定，下壳体5底部和底座3-5上分别设有4个相配合的螺纹孔，借助螺钉将两者连接固定。
芯体采用304不锈钢材料制得。芯体为一体成型结构，其中惯性体包括上方圆柱体和下方向下收缩的锥型圆台，芯体中部主体上端与锥型圆台底部衔接，下端与底座衔接。
光纤嵌设在光纤槽内后通过胶体4进一步固定。
四根光栅包括位于X轴连线方向的两根光栅：1号光栅-#1FBG、3号光栅#3FBG，用于检测X轴方向的振动，位于Y轴连线方向的两根光栅：2号光栅-#2FBG、4号光栅#4FBG，用于检测Y轴方向的振动。
一种基于U型槽结构的FBG二维加速度传感器的测量方法，包括如下过程：测量时，将传感器固定在待测物体的表面，并且保持传感器的底面处于水平位置，当传感器受到外界的振动激励时，在惯性作用之下，传感器的惯性体绕着U型槽微小转动，惯性体产生的竖直位移量使得与惯性体的光纤槽固定的光纤发生拉伸或者压缩，引起光栅中心波长漂移，通过解调仪测出光栅中心波长的漂移量，从而建立外界激励加速度和光栅中心波长漂移量的对应关系，由此得到振动加速度的振动信息。
本发明的测量原理如下：
一、传感器X轴灵敏度
当传感器在X轴方向受到振动加速度aX时，惯性体绕着上侧U型槽结构微小转动；在该传感器中，U型槽结构可以视为一种圆形铰链结构，依据铰链结构的刚度理论计算公式，铰链结构沿厚度的转动刚度远大于沿其宽度的转动刚度，忽略下侧U型槽结构沿X轴方向的振动对上侧U型槽转动的影响，传感器的受力变形图如图3所示。传感系统在惯性力、铰链回复力、光纤拉力作用之下满足力矩平衡，其表达式为：
maxd1-2k1θ1-kf(Δl3-Δl1)r1＝0 (1)
式中，m为惯性体的质量；aX为传感器X轴方向的振动加速度；d1为惯性体的质心到上铰链转动中心的距离；k1为铰链绕Y轴的转动刚度；θ1为惯性体绕着铰链转动角；kf为光纤的刚度系数；Δl1、Δl3分别为X轴方向上光栅#1FBG、#3FBG跨距的变形量；r1为惯性体中圆柱体的半径。
由图3、图4可知，X轴方向上光栅#1FBG、#3FBG跨距的变形量Δl1、Δl3的表达式分别为：
Δl1＝l[cos(θ1+φ)-cos(φ)] (2)
Δl3＝l[cos(φ-θ1)-cos(φ)] (3)
联立(2)、(3)式有
Δl3-Δl1＝2lsin(θ1)φ (4)
式中，l为惯性体上光纤固定点到上铰链转动中心的距离；φ为惯性体上光纤固定点到上铰链转动中心的连接线与芯体中心轴线的夹角。
当光纤光栅的跨距产生变形量时，X轴方向上光栅#1FBG、#3FBG对应的应变量Δε1、Δε3的表达式为：
式中，l1、l3分别为X轴方向上光栅#1FBG、#3FBG在惯性体与底座光纤槽的间距。
传感器X轴方向的结构尺寸图如图3所示，设芯体的材料密度为ρ，惯性体的质量m为：
m＝m1+m2 (7)
m1＝πr1 2eρ (8)
式中，r1为惯性体中圆柱体的半径；r2为惯性体中圆台的底面半径；e为惯性体中圆柱体的高度；h1为惯性体中圆台的高；m1为惯性体的圆柱体的质量；m2为惯性体的圆台的质量。
联立上面三式可知，惯性体的质心到上铰链转动中心的距离为：
式中，d2为圆台质心到其底面的距离，其表达式为：
R1为上铰链的切割半径，铰链作为该传感器的弹性元件，其刚度特性对传感器的性能有很大的影响，依据相关文献可以计算得到铰链的刚度，即为：
式中，qm为铰链的圆心角；E为柔性铰链材料的弹性模量；b为铰链的宽度；R为铰链的切割半径；f2为中间变量，其表达式为：
式中，i＝R/t，t为铰链结构的厚度。
X轴方向上的光栅#1FBG、#3FBG在惯性体与底座光纤槽的间距l1、l3相等，其表达式为：
lf＝l1＝l3＝h1+2R1+h2+2R2 (14)
式中，lf为光纤光栅在芯体上两端固定点的间距；h2为芯体中连接体的厚度；R2为下铰链的切割半径。
传感器结构中光纤可看作为一根刚度为kf弹簧，结合光纤轴向刚度系数与光纤在芯体上两端固定端点间距的关系，可得
式中，Ef光纤拉伸弹性模量；Af为光纤横截面面积。
依据光纤光栅中心波长的漂移量与应变以及温度的关系，其表达式为：
其中，λ为光栅的中心波长；Δλ为光栅的中心波长漂移量；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为温度变化量，ε为光栅的应变量。
当传感器受到X轴方向的振动加速度时，由(16)可知，#1FBG在温度和振动作用下其表达式为：
式中，Δλ1为1号光栅#1FBG在温度和振动作用下其中心波长漂移量；Δt为环境温度的变化量，ε1为1号光栅#1FBG的应变量。同理，对于#3FBG，其表达式为：
式中，Δλ3为有温度和振动加速度时3号光栅#3FBG中心波长漂移量；Δt为环境温度的变化量，ε3为3号光栅#3FBG的应变量。
由于λ1≈λ3＞＞Δλ1、Δλ3，联立(17)、(18)式有：
Δλ3-Δλ1＝λ3(1-pe)(Δε3-Δε1) (19)
联立(4)、(5)、(6)以及(19)可得，
Δl3-Δl1＝λ3(1-pe)(ε3-ε1)＝2lsin(θ1)φ (20)
式中，l为惯性体上光纤固定点到上铰链转动中心的距离；由于θ1的值很小，取θ1≈sin(θ1)＝r1/l，
在受到X轴的振动激励时，联立(1)、(20)式，传感器X轴方向的灵敏度为：
从(19)、(20)以及(21)式可以得知，相对于单根光纤光栅的传感器，该传感器不仅可以实现温度的自补偿，而且可以实现灵敏度加倍。
二、传感器Y轴灵敏度
当传感器受到Y轴方向的振动加速度时，传感器的受力变形图和Y轴正方向的结构尺寸如图5以及图6所示，其力矩平衡方程为：
MaYd3-2k2ψ-kf(Δl4-Δl2)r1＝0 (22)
式中，M为惯性体、连接体、U型槽的整体质量；k2为下侧U型槽的等效转动刚度，可由(12)、(13)式得到，为下侧U型槽的转动角，Δl2、Δl4分别Y轴方向上为2号光栅#2FBG、4号光栅#4FBG在惯性体与底座之间光纤长度的变化量。
l′为惯性体上光纤固定端点到下侧U型槽转动中心的距离，其表达式为：
式中，R2为下侧U型槽口的切割半径。
当传感器在Y轴方向受到振动加速度激励时，惯性体、上侧U型槽及连接体绕着下侧U型槽微小转动，其质心相对于下侧U型槽转动中心的距离为：
式中，d2为惯性体中圆台部分的质心到期底面的距离；m5为上下侧U型槽及连接体的等效质量，其表达式为：
依据传感器X轴方向灵敏度的推导过程，传感器Y轴方向灵敏度为：
式中，λ2为2号光栅#2FBG在施加一定预应力后的中心波长。从上式可知，传感器在Y轴方向存在振动加速度时，测量结果与温度变化无关。
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 (7)

1.一种基于U型槽结构的FBG二维加速度传感器，包括上壳体和下壳体、位于上下壳体中部的芯体和若干光纤、光栅，其特征在于：所述芯体包括上下依次连接的上部惯性体，中部主体和下部底座，芯体的中部主体上下分别开设有两对背向设置的U型槽结构，上下两对U型槽的开口方向垂直，底座和上下两对U型槽的轴线位置开有竖直设置的方形通孔，下壳体通过其内部轴线上的长方柱与底座内的方形孔配合固定，上壳体与下壳体通过螺纹固定，上壳体的表面设置有四个小孔，惯性体和底座周向外表面都均匀地开设有四个光纤槽，四根光纤通过施加一定的预应力安装到光纤槽内，光纤通过上壳体表面的小孔穿出，四根光纤内均刻有光栅，光栅处在惯性体和底座的之间空隙处，四根光栅处于相邻两两两垂直的方向，方便用于检测两个垂直方向上的振动。
2.如权利要求1所述的一种基于U型槽结构的FBG二维加速度传感器，其特征在于：为了进一步使得芯体与下壳体固定，所述下壳体底部和底座上分别设有四个相配合的螺纹孔，借助螺钉将两者连接固定。
3.如权利要求1所述的一种基于U型槽结构的FBG二维加速度传感器，其特征在于：所述芯体采用304不锈钢材料制得。
4.如权利要求1所述的一种基于U型槽结构的FBG二维加速度传感器，其特征在于：所述芯体为一体成型结构，其中惯性体包括上方圆柱体和下方向下收缩的锥型圆台，芯体中部主体上端与锥型圆台底部衔接，下端与底座衔接。
5.如权利要求1所述的一种基于U型槽结构的FBG二维加速度传感器，其特征在于：所述光纤嵌设在光纤槽内后通过胶体4进一步固定。
6.如权利要求1所述的一种基于U型槽结构的FBG二维加速度传感器，其特征在于：所述四根光栅包括位于X轴连线方向的两根光栅：1号光栅-#1FBG、3号光栅#3FBG，用于检测X轴方向的振动，位于Y轴连线方向的两根光栅：2号光栅-#2FBG、4号光栅#4FBG，用于检测Y轴方向的振动。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种基于U型槽结构的FBG二维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，将传感器固定在待测物体的表面，并且保持传感器的底面处于水平位置，当传感器受到外界的振动激励时，在惯性作用之下，传感器的惯性体绕着U型槽微小转动，惯性体产生的竖直位移量使得与惯性体的光纤槽固定的光纤发生拉伸或者压缩，引起光栅中心波长漂移，通过解调仪测出光栅中心波长的漂移量，从而建立外界激励加速度和光栅中心波长漂移量的对应关系，由此得到振动加速度的振动信息。
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