CN111505340A - 一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器 - Google Patents

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梁磊
郭会勇
江轲
徐刚
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Zhongshan Jingliang Optoelectronic Technology Co ltd
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Wuhan University Of Technology Advanced Engineering Technology Research Institute Of Zhongshan City
Zhongshan Jingliang Optoelectronic Technology Co ltd
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Abstract

本发明提供一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器，其包括壳体、四条光纤和设于壳体中的传感单元，传感单元包括基座和对称设置于基座两侧的第一质量块和第二质量块，第一质量块通过两个上下对称设置的第一柔性铰链与基座连接，第二质量块通过两个左右对称设置的第二柔性铰链与基座连接，四条光纤周向均布于第一质量块和第二质量块上，光纤上设有光纤光栅。本发明采用柔性铰链代替传统悬臂梁、弹性片和其他弹性体结构，并且传感单元采取一体化设计，增大了传感器整体谐振频率。质量块，光纤光栅对称式分布，倍增传感器的灵敏度且不受温度影响。基座两侧传感单可以分别测量两个维度的加速度值和温度值，具有结构简单、易封装等优点。

Description

一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器
【技术领域】
本发明涉及一种机械振动测量传感器，属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器。
【背景技术】
近年来，光纤光栅传感作为一种比较热门的高新技术在国内外开启了广泛的应用和发展，与传统的机械式检测的传感器相比，光纤光栅具有一系列的独特优点，比如其具有质量轻，体积小，测量精度高，无源，抗电磁干扰能力强，稳定性好，耐高温腐蚀，并且借助光纤载体可进行远距离传输信号等。其在国防、国民经济、航空航天，工业能源、地质勘测等领域的应用也越来越广泛。同时，在一些特殊领域已经可以见到光纤光栅传感器构成的健康监测网络。比如航空领域的飞行器结构中，军事领域对远程导弹的控制，汽车安全系统的检测和防护工作等等。光纤光栅传感器凭借其高精度，小体积，可以在恶劣环境工作等优势，获得了极大的应用范围，具有很好的应用前景。
目前光纤光栅加速度传感器主要是弹性片、弹性梁等结构来承受加速度带来的外力，从而使光纤光栅中心波长产生漂移，再利用解调软件分析波长漂移得出加速度值。虽然以弹性梁、弹性片结构的加速度传感器可满足低频振动需求；但制作的传感器体积整体偏大，并不适用在小空间安装和检测；此外，大多数光纤光栅加速度传感器并不能实现振动与温度同时检测，而且灵敏度不高。
【发明内容】
本发明的目的是克服现有技术中存在的精确度较差、体积较大、温度与振动不能同时测量等问题，提供的一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器，其具有精确度高、体积较小、能实现测量温度与振动多参数测量的优点。
为实现上述目的，本发明提供了一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器，其包括壳体、四条光纤和设于壳体中的传感单元，所述传感单元包括基座和对称设置于基座两侧的第一质量块和第二质量块，第一质量块通过两个上下对称设置的第一柔性铰链与基座连接，第二质量块通过两个左右对称设置的第二柔性铰链与基座连接，所述四条光纤周向均布于第一质量块和第二质量块上，光纤上设有光纤光栅。
于一个或多个实施例中，所述光纤光栅位于第一质量块与第二质量块之间。
于一个或多个实施例中，所述光纤光栅的栅区长度为5-10mm。
于一个或多个实施例中，所述光纤光栅为FBG。
于一个或多个实施例中，所述第一质量块和第二质量块开有用于安装光纤的光纤槽。
于一个或多个实施例中，所述光纤通过胶结剂粘接固定于光纤槽中。
于一个或多个实施例中，所述基座通过螺丝固定于外壳上。
于一个或多个实施例中，所述外壳开有供光纤穿过的孔位。
于一个或多个实施例中，所述四条光纤中的其中两条上下对称设置，剩余的两条的左右对称设置。
于一个或多个实施例中，所述第一柔性铰链和第二柔性铰链均为圆柱形的柔性铰链。
本发明同背景技术相比存在的效果是：
1、本发明采用柔性铰链代替传统悬臂梁、弹性片和其他弹性体结构，并且传感单元采取一体化设计，增大了传感器整体谐振频率。质量块，光纤光栅对称式分布，倍增传感器的灵敏度且不受温度影响。基座两侧传感单可以分别测量两个维度的加速度值和温度值。
2、本发明传感单元一体化设计，通过基座与壳体连接，结构简单，体积小，易于封装且成品可根据需要在不同场合安装测量，长期可靠性好。
【附图说明】
图1为本发明光纤光栅二维加速度传感器的结构示意图；
图2为本发明光纤光栅二维加速度传感器的内部结构示意图。
【具体实施方式】
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的保护范围的限定。
请参看附图1-2，本发明提供了一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器，其包括壳体1、四条光纤2和设于壳体1中的传感单元，所述传感单元包括基座3和对称设置于基座3两侧的第一质量块4和第二质量块5，第一质量块4通过两个上下对称设置的第一柔性铰链6与基座3连接，第二质量块5通过两个左右对称设置的第二柔性铰链7与基座3连接，所述四条光纤2周向均布于第一质量块4和第二质量块5上，光纤2上设有光纤光栅，优选的，所述光纤光栅位于第一质量块4与第二质量块5之间。第一质量块4绕着第一柔性铰链6发生相对位移，第二质量块5绕着第二柔性铰链7发生相对位移，从而使光纤光栅产生应变，本发明具有结构简单、体积小、易于封装、成本低、抗电磁干扰、长期可靠性高等优点，还具有较高的频率测量范围和不受温度影响等性能，并且通过对称式分布提高了传感器的灵敏度。
优选的，本实施例中光纤光栅的栅区长度为5-10mm，且光纤光栅为FBG。
优选的，所述第一质量块4和第二质量块5开有用于安装光纤2的光纤槽，光纤通2通过胶结剂粘接于光纤槽中，本实施例中采用353ND进行粘结。
优选的，所述基座3通过螺丝固定于外壳1上，基座3的底部开有螺丝孔，外壳1的底板上也开有螺丝孔，在外壳1的外部通过螺丝将基座3固定在外壳1的底板上。
本实施例中，外壳1开有供光纤2穿过的孔位8。
优选的，所述四条光纤2中的其中两条上下对称设置，剩余的两条的左右对称设置，以提高对应维度测量的灵敏度。
优选的，本实施例所中的第一柔性铰链6和第二柔性铰链7均为用圆柱形的柔性铰链。
工作时，把传感器固定在待测物体上，当外界有激励源时，传感器会随着待测物体一起振动，其中的光纤光栅能够随着质量块的振动，产生轴向应变，轴向应变的变化会使光纤光栅的中心波长发生变化，从而将外加加速度信号转化为光纤光栅的中心波长漂移量。通过建立中心波长的漂移量与加速度大小的线性关系，当解调到光纤光栅的中心波长漂移量时即可确定加速度的大小，也可进行振动频谱分析。具体的，当外界激励在第一质量块4振动时，第一质量块4绕第一柔性铰链6产生相对位移，左右对称的两根光纤2发生应变，因两根光纤光栅是对称分布的，故应变方向是相反的，即一根是拉伸的，一根是压缩的，因此可抵消温度对中心波长漂移量与加速度大小关系的影响，并且提高传感灵敏度达一倍；当外界激励在第二质量块5振动时，第二质量块5绕第二柔性铰链7产生相对位移，上下对称的两根光纤2发生应变，因两根光纤光栅是对称分布的，故应变方向是相反的，即一根是拉伸的，一根是压缩的，因此可抵消温度对中心波长漂移量与加速度大小的关系的影响，并且提高传感灵敏度达一倍。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于：包括壳体(1)、四条光纤(2)和设于壳体(1)中的传感单元，所述传感单元包括基座(3)和对称设置于基座(3)两侧的第一质量块(4)和第二质量块(5)，第一质量块(4)通过两个上下对称设置的第一柔性铰链(6)与基座(3)连接，第二质量块(5)通过两个左右对称设置的第二柔性铰链(7)与基座(3)连接，所述四条光纤(2)周向均布于第一质量块(4)和第二质量块(5)上，光纤(2)上设有光纤光栅。
2.根据权利要求1所述的一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于：所述光纤光栅位于第一质量块(4)与第二质量块(5)之间。
3.根据权利要求2所述的一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于：所述光纤光栅的栅区长度为5-10mm。
4.根据权利要求1所述的一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于：所述光纤光栅为FBG。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于：所述第一质量块(4)和第二质量块(5)开有用于安装光纤(2)的光纤槽。
6.根据权利要求5任一项所述的一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于：所述光纤通(2)过胶结剂粘接固定于光纤槽中。
7.根据权利要求1-4任一项所述的一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于：所述基座(3)通过螺丝固定于外壳(1)上。
8.根据权利要求1-4任一项所述的一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于：所述外壳(1)开有供光纤(2)穿过的孔位(8)。
9.根据权利要求1-4任一项所述的一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于：所述四条光纤(2)中的其中两条上下对称设置，剩余的两条的左右对称设置。
10.根据权利要求1-4任一项所述的一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于：所述第一柔性铰链(6)和第二柔性铰链(7)均为圆柱形的柔性铰链。
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