CN111579817A - 基于多铰链的光纤光栅二维加速度传感器及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于多铰链光纤光栅二维加速度传感器及其制作工艺，传感器包括传感器外壳、传感弹性体与单根光纤光栅，传感弹性体为圆柱体，位于所述传感器外壳形成的空间内部，柔性铰链包含X向双铰链和Y向双铰链，过渡圆环存在于两个双铰链中间部分，单根光纤光栅的一端位于传感器外壳的外部，另一端依次经过一号出纤孔、Y基沟槽、X铰沟槽、Y质沟槽、X质沟槽、Y铰沟槽、X基沟槽、Z向孔槽、二号出纤孔后延伸至传感器外壳外部。本发明利用圆柱形和多铰链传感结构单元，极大的降低了传感器的体积和重量，且可有效去除温度影响。

Description

基于多铰链的光纤光栅二维加速度传感器及其制造工艺

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于多铰链的光纤光栅二维加速度传感器及其制造工艺。

背景技术

光纤光栅加速度传感器以其不受电磁干扰、长距离传输、本质安全、易于大范围组网等优点常被用在航空航天、石油管道、地铁隧道、大型桥梁等严酷环境的大型设备和工程在线健康监测中。光纤光栅加速度传感器核心敏感组件为光纤光栅，利用光纤光栅对应变的感应，结合附加的机械结构组成对加速度幅值、频率测量单元。同时，在如航空航天领域的飞行器、军事领域中对远程导弹制导控制、汽车安全检测、汽车的安全防护系统、机器人等特殊的领域等需要多维的加速度信息，相应提出了对多维加速度传感器的需求，以实现对系统的可靠控制。光纤光栅多维加速度传感器通过一个或者几个传感器模块获得多个轴向的加速度，实现对加速度实时、高精度的检测，具有很好的应用前景。

但是，目前市场上现有的光纤光栅二、三维加速度传感器多为组合形式，存在结构复杂、体积较大、灵敏度低、制作工艺复杂等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有光纤光栅多维加速度传感器存在的上述不足，提出了一种基于多铰链的光纤光栅二维加速度传感器，利用圆柱形和多铰链传感结构单元，形成一体式二维光纤光栅加速度测量体，极大的降低了传感器的体积和制作工艺；采用的含三个光纤光栅测点的单根光纤的一体化封装方式，有效去除温度影响，便于后续多传感器组网，形成智能传感网络。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于多铰链的光纤光栅二维加速度传感器，它包括传感器外壳、传感弹性体与单根光纤光栅；所述传感器外壳包括壳体、底座和壳盖，所述传感弹性体为圆柱体，位于所述传感器外壳形成的空间内部，固定于传感器外壳底座上，其特征在于：

所述传感弹性体包括依次连接的惯性质量块、X向双铰链、过渡圆环、Y向双铰链和基座，X向双铰链和Y向双铰链不在同一水平面内，X向双铰链呈180°关于惯性质量块对称分布，Y向双铰链同样呈180°关于惯性质量块对称分布且与X向双铰链呈90°平行分布，所述过渡圆环存在于两个双铰链中间部分；所述惯性质量块、X向双铰链、过渡圆环、Y向双铰链和基座的外侧部上都开有对应的X质沟槽、X铰沟槽、X基沟槽、Y质沟槽、Y铰沟槽、Y基沟槽、Z向孔槽；

所述的单根光纤光栅包含有第一光纤光栅点，第二光纤光栅点，第三光纤光栅点，所述的第一光纤光栅点、第二光纤光栅点和第三光纤光栅点的两端分别固定在惯性质量块和基座上；所述的第一光纤光栅点与第二光纤光栅点以及第三光纤光栅点均是互相平行关系；且单根光纤光栅的一端位于传感器外壳的外部，另一端依次经过一号出纤孔、Y基沟槽、X铰沟槽、Y质沟槽、X质沟槽、Y铰沟槽、X基沟槽、Z向孔槽、二号出纤孔后延伸至传感器外壳外部，且在传感器外壳的单侧面开设有一号出纤孔和二号出纤孔。

按上述方案，所述单根光纤光栅是FBG，其栅区长度为5-10mm。

按上述方案，所述传感弹性体柔性铰链为圆弧或椭圆弧或抛物线弧或球弧形等其中的一种铰链，且各个铰链参数特征一致。

按上述方案，所述光纤光栅两端与传感弹性体所开沟槽之间的连接方式为胶粘。

按上述方案，所述传感弹性体基座与传感器外壳底座之间连接方式为螺栓连接。

本发明还提供了一种上述的基于多铰链的光纤光栅二维加速度传感器的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)先加工制作出传感弹性体的金属传感芯体，其中，X向双铰链与Y向双铰链互相平行，且不在同一水平面内；

2)接着对传感弹性体进行清洗、晾干，再在晾干后的传感弹性体上穿绕单根光纤光栅，并将光纤光栅与Y基沟槽、X铰沟槽、Y质沟槽、X质沟槽、Y铰沟槽、X基沟槽、Z向孔槽进行粘接(一般利用粘结金属与光纤材料性能较好的环氧树脂胶类型)。

3)然后将传感弹性体与传感器外壳底座的顶面相连接，再将光纤光栅的首尾两端分别从一号出纤孔、二号出纤孔中穿出，并在穿出后与出纤保护接头相连接。

4)最后将传感器壳盖与传感器壳体的顶部相连接以得到毛坯，再对毛坯进行温度循环实验，以得到可长期应用的加速度传感器。

按上述制作工艺方案，所述对传感弹性体进行清洗、晾干是指：将传感弹性体置于清洗液中，并用超声波机进行清洗，后晾干。

按上述制作工艺方案，所述将光纤光栅与Y基沟槽、X铰沟槽、Y质沟槽、X质沟槽、Y铰沟槽、X基沟槽、Z向孔槽进行粘接，具体是指：先将传感弹性体放置于加热台上加热，再将光纤光栅悬空于Y基沟槽、X铰沟槽、Y质沟槽、X质沟槽、Y铰沟槽、X基沟槽，使用夹具使得光纤光栅具备预拉伸量；同时，在Z向孔槽进行光纤光栅固定时保持第三光纤光栅点悬空；再在光纤光栅固定端点上胶水，然后等待胶水干透即可。按上述制作工艺方案，所述对传感器毛坯进行循环实验是进行加热、自然冷却、加热、自然冷却……加热、自然冷却。

按上述制作工艺方案，所述清洗液依次是酸类溶液(乙醚、醋酸等)——肥皂水——纯净水清洗传感弹性体加工时留存的各类污染源。

本发明的有益效果为：

1、利用圆柱形和多铰链传感结构单元，形成一体式二维光纤光栅加速度测量体，极大的降低了传感器的体积和重量；

2、采用的含三个光纤光栅测点的单根光纤的一体化封装方式，便于后续多传感器组网，形成智能传感网络。

3、利用特制的类似于显微镜装置的加热台和夹具，使制作工艺操作简单，方便快捷，为后期产品的开发提供良好的基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，其中：

图1是本发明实施例结构示意图；

图2是本发明具体实施例结构变形剖面图；

图3是本发明在X方向施加一定的振动信号时，X、Y、Z三个方向光纤光栅的波长偏移量；

图4是本发明在Y方向施加一定的振动信号时，X、Y、Z三个方向光纤光栅的波长偏移量。

图中：传感器外壳1、壳体11、底座12、壳盖13、传感弹性体2、惯性质量块21、X向铰链22a、X向铰链22b、过渡圆环23、Y向铰链24a、Y向铰链24b、基座25、X质沟槽26a、X铰沟槽26b、X基沟槽26c、Y质沟槽27a、Y铰沟槽27b、Y基沟槽27c、Z向孔槽28、单根光纤光栅3、第一光栅点31、第二光栅点32、第三光栅点33、螺栓4、一号出纤孔5、二号出纤孔6。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明的原理和特征进一步的描述。

请参阅附图1-附图4，一种基于多铰链的光纤光栅二维加速度传感器，它包括传感器外壳1、传感弹性体2与单根光纤光栅3；传感器外壳1包括壳体11、底座12和壳盖13，传感弹性体2为圆柱体，位于传感器外壳1形成的空间内部，固定于传感器外壳底座12上。

传感弹性体2包括依次连接的惯性质量块21、X向双铰链22(22a和22b)、过渡圆环23、Y向双铰链24(24a和24b)、基座25，X向双铰链22和Y向双铰链24不在同一水平面内，X向双铰链22呈180°关于惯性质量块对称分布，Y向双铰链24同样呈180°关于惯性质量块对称分布且与X向双铰链22呈90°平行分布，过渡圆环23存在于两个双铰链中间部分；惯性质量块21、X向双铰链22、过渡圆环23、Y向双铰链24和基座25的外侧部上都开有对应的X质沟槽26a、X铰沟槽26b、X基沟槽26c、Y质沟槽27a、Y铰沟槽27b、Y基沟槽27c、Z向孔槽28；

单根光纤光栅3包含有第一光纤光栅点31，第二光纤光栅点32，第三光纤光栅点33，的第一光纤光栅点31、第二光纤光栅点32和第三光纤光栅点33的两端分别固定在惯性质量块21和基座25上；的第一光纤光栅点31与第二光纤光栅点32以及第三光纤光栅点33均是互相平行关系；且单根光纤光栅3的一端位于传感器外壳1的外部，另一端依次经过一号出纤孔5、Y基沟槽27c、X铰沟槽26b、Y质沟槽27a、X质沟槽26a、Y铰沟槽27b、X基沟槽26c、Z向孔槽28、二号出纤孔6后延伸至传感器外壳1外部，且在传感器外壳1的单侧面开设有一号出纤孔5和二号出纤孔6。

单根光纤光栅3是FBG，其栅区长度为5-10mm。

传感弹性体柔性铰链22a、22b、24a及24b为圆弧或椭圆弧或抛物线弧或球弧形等其中的一种铰链，且各个铰链参数特征一致。

光纤光栅8两端与传感弹性体2所开沟槽之间的连接方式为胶粘。

传感弹性体基座25与传感器外壳底座12之间连接方式为螺栓连接。

本发明实施例基于多铰链的光纤光栅二维加速度传感器的制作工艺，包括以下步骤：

1)先加工制作出传感弹性体的金属传感芯体2，其中，X向双铰链22与Y向双铰链24互相平行，且不在同一水平面内；

2)接着对传感弹性体2进行清洗、晾干，再在晾干后的传感弹性体2上穿绕单根光纤光栅3，并将光纤光栅3与Y基沟槽27c、X铰沟槽26b、Y质沟槽27a、X质沟槽26a、Y铰沟槽27b、X基沟槽26c、Z向孔槽28进行粘接(一般利用粘结金属与光纤材料性能较好的环氧树脂胶类型)。

3)然后将传感弹性体2与传感器外壳底座12的顶面相连接，再将光纤光栅3的首尾两端分别从一号出纤孔5、二号出纤孔6中穿出，并在穿出后与出纤保护接头相连接。

4)最后将传感器壳盖13与传感器壳体11的顶部相连接以得到毛坯，再对毛坯进行温度循环实验，以得到可长期应用的加速度传感器。

对传感弹性体2进行清洗、晾干是指：将传感弹性体2置于清洗液中，并用超声波机进行清洗，后晾干。

将光纤光栅3与Y基沟槽27c、X铰沟槽26b、Y质沟槽27a、X质沟槽26a、Y铰沟槽27b、X基沟槽26c、Z向孔槽28进行粘接，具体是指：先将传感弹性体放置于加热台上加热，再将光纤光栅悬空于Y基沟槽27c、X铰沟槽26b、Y质沟槽27a、X质沟槽26a、Y铰沟槽27b、X基沟槽26c，使用夹具使得光纤光栅具备预拉伸量；同时，在Z向孔槽28进行光纤光栅固定时保持第三光纤光栅点悬空；再在光纤光栅固定端点上胶水，然后等待胶水干透即可。

对传感器毛坯进行温度循环实验是进行加热至80—100℃、自然冷却、加热至80℃、自然冷却……加热至80℃、自然冷却。

清洗液依次是酸类溶液(乙醚、醋酸等)——肥皂水——纯净水清洗传感弹性体加工时留存的各类污染源。

本发明设计了一种基于多铰链的光纤光栅二维加速度传感器及其制作工艺，利用圆柱形和多铰链传感结构单元，形成一体式二维光纤光栅加速度测量体，极大的降低了传感器的体积和重量；采用的含三个光纤光栅测点的单根光纤的一体化封装方式，便于后续多传感器组网，形成智能传感网络。可有效解决现有光纤光栅加速度传感器的体积大和工艺复杂等缺点，

本发明中的FBG的全称为Fiber Bragg Grating(光纤布拉格光栅)，是周期性分布的一种短光栅。

具体实施例1：

参阅附图1-附图4，一种基于多铰链的光纤光栅二维加速度传感器，它包括传感器外壳1、传感弹性体2与单根光纤光栅3；传感器外壳1包括壳体11、底座12和壳盖13，传感弹性体2为圆柱体，位于传感器外壳1形成的空间内部，固定于传感器外壳底座12上，其特征在于：传感弹性体2包括依次连接的惯性质量块21、X向双铰链22(22a和22b)、过渡圆环23、Y向双铰链24(24a和24b)、基座25，X向双铰链22和Y向双铰链24不在同一水平面内，X向双铰链22呈180°关于惯性质量块对称分布，Y向双铰链24同样呈180°关于惯性质量块对称分布且与X向双铰链22呈90°平行分布，过渡圆环23存在于两个双铰链中间部分；惯性质量块21、X向双铰链22、过渡圆环23、Y向双铰链24和基座25的外侧部上都开有对应的X质沟槽26a、X铰沟槽26b、X基沟槽26c、Y质沟槽27a、Y铰沟槽27b、Y基沟槽27c、Z向孔槽28；的单根光纤光栅3本案例选用长度为5mm的FBG(短周期性光纤光栅)，包含有第一光纤光栅点31，第二光纤光栅点32，第三光纤光栅点33，的第一光纤光栅点31、第二光纤光栅点32和第三光纤光栅点33的两端分别固定在惯性质量块21和基座25上；的第一光纤光栅点31与第二光纤光栅点32以及第三光纤光栅点33均是互相平行关系；且单根光纤光栅3的一端位于传感器外壳1的外部，另一端依次经过一号出纤孔5、Y基沟槽27c、X铰沟槽26b、Y质沟槽27a、X质沟槽26a、Y铰沟槽27b、X基沟槽26c、Z向孔槽28、二号出纤孔6后延伸至传感器外壳1外部，且在传感器外壳1的单侧面开设有一号出纤孔5和二号出纤孔6。

制作上述基于多铰链的光纤光栅二维加速度传感器的制作工艺，包括以下步骤：先加工制作出传感弹性体的金属传感芯体2(本案例采用是304不锈钢金属材料)，其中，X向双铰链22与Y向双铰链24互相平行，且不在同一水平面内；接着对传感弹性体2进行清洗、晾干，再在晾干后的传感弹性体2上穿绕单根光纤光栅3，并将光纤光栅3与Y基沟槽27c、X铰沟槽26b、Y质沟槽27a、X质沟槽26a、Y铰沟槽27b、X基沟槽26c、Z向孔槽28进行粘接(本案例利用粘结金属与光纤材料性能较好的353ND胶)；然后将传感弹性体2与传感器外壳底座12的顶面相连接，再将光纤光栅3的首尾两端分别从一号出纤孔5、二号出纤孔6中穿出，并在穿出后与出纤保护接头相连接；最后将传感器壳盖13与传感器壳体11的顶部相连接以得到毛坯，再对毛坯进行温度循环实验，以得到可长期应用的加速度传感器。

其中，光纤光栅的首尾两端分别从一号出纤孔5、二号出纤孔6中穿出，并与出纤保护接头相连接，保护接头与传感器外壳壳体11之间为螺纹连接，出纤保护接头的内径与带套管的光纤光栅的外径尺寸相接近，以保护光纤光栅。

本发明加速度传感器在制作完毕之后，先将制作好的加速度计采用螺接或者胶接的方式与被测基体表面连接，出纤的端部接解调仪器及电脑，质量块在惯性力的作用下绕铰链转动，带动FBG拉伸产生波长漂移量，即可得二个垂直方向上的加速度分量(参见图3―图4)。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之类，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多铰链的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，包括传感器外壳（1）、传感弹性体（2）与单根光纤光栅（3）；

所述传感器外壳（1）包括壳体（11）、底座（12）和壳盖（13）；

所述传感弹性体（2）为圆柱体，位于所述传感器外壳（1）形成的空间内部，固定于传感器外壳底座（12）上；

所述传感弹性体（2）包括依次连接的惯性质量块（21）、X向双铰链（22）、过渡圆环（23）、Y向双铰链（24）、基座（25），X向双铰链（22）与Y向双铰链（24）不在同一水平面内，X向双铰链（22）呈180°关于惯性质量块对称分布，Y向双铰链（24）同样呈180°关于惯性质量块对称分布且与X向双铰链（22）呈90°平行分布，所述过渡圆环（23）存在于两个双铰链中间部分；所述惯性质量块（21）、X向双铰链（22）、过渡圆环（23）、Y向双铰链（24）和基座（25）的外侧部上都开有对应的X质沟槽（26a）、X铰沟槽（26b）、X基沟槽（26c）、Y质沟槽（27a）、Y铰沟槽（27b）、Y基沟槽（27c）、Z向孔槽（28）；

所述单根光纤光栅（3）包含有第一光纤光栅点（31），第二光纤光栅点（32），第三光纤光栅点（33），所述的第一光纤光栅点（31）、第二光纤光栅点（32）和第三光纤光栅点（33）的两端分别固定在惯性质量块（21）和基座（25）上；所述的第一光纤光栅点（31）与第二光纤光栅点（32）以及第三光纤光栅点（33）均是互相平行关系；且单根光纤光栅（3）的一端位于传感器外壳（1）的外部，另一端依次经过一号出纤孔（5）、Y基沟槽（27c）、X铰沟槽（26b）、Y质沟槽（27a）、X质沟槽（26a）、Y铰沟槽（27b）、X基沟槽（26c）、Z向孔槽（28）、二号出纤孔（6）后延伸至传感器外壳（1）外部，一号出纤孔（5）和二号出纤孔（6）开设在传感器外壳（1）的单侧面。

2.根据权利要求1所述的基于多铰链的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，所述单根光纤光栅（3）是FBG，其栅区长度为5-10mm。

3.根据权利要求1所述的基于多铰链的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，X向双铰链（22）、Y向双铰链（24）为圆弧、椭圆弧、抛物线弧或球弧形中的一种，且各个铰链参数特征一致。

4.根据权利要求1所述的基于多铰链的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，所述光纤光栅（8）两端与传感弹性体（2）所开沟槽之间的连接方式为胶粘。

5.根据权利要求1所述的基于多铰链的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，所述传感弹性体基座（25）与传感器外壳底座（12）之间连接方式为螺栓连接。

6.一种根据权利要求1~5中任一项所述的基于多铰链的光纤光栅二维加速度传感器的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1）加工制作出传感弹性体的金属传感芯体，其中，X向双铰链与Y向双铰链互相平行，且不在同一水平面内；

2）对传感弹性体进行清洗、晾干，再在晾干后的传感弹性体上穿绕单根光纤光栅，并将光纤光栅与Y基沟槽、X铰沟槽、Y质沟槽、X质沟槽、Y铰沟槽、X基沟槽、Z向孔槽进行粘接；

3）将传感弹性体与传感器外壳底座的顶面相连接，再将光纤光栅的首尾两端分别从一号出纤孔、二号出纤孔中穿出，并在穿出后与出纤保护接头相连接；

4）将传感器壳盖与传感器壳体的顶部相连接以得到毛坯，再对毛坯进行温度循环实验，以得到可长期应用的加速度传感器。

7.根据权利要求6所述的制造工艺，其特征在于，对传感弹性体进行清洗、晾具体为：将传感弹性体置于清洗液中，并用超声波机进行清洗，后晾干。

8.根据权利要求6所述的制造工艺，其特征在于，将光纤光栅与Y基沟槽、X铰沟槽、Y质沟槽、X质沟槽、Y铰沟槽、X基沟槽、Z向孔槽进行粘接，具体是指：先将传感弹性体放置于加热台上加热，再将光纤光栅悬空于Y基沟槽、X铰沟槽、Y质沟槽、X质沟槽、Y铰沟槽、X基沟槽，使用夹具使得光纤光栅具备预拉伸量；同时，在Z向孔槽进行光纤光栅固定时保持第三光纤光栅点悬空；再在光纤光栅固定端点上胶水，然后等待胶水干透即可。

9.根据权利要求6所述的制造工艺，其特征在于，对传感器毛坯进行温度循环实验是进行加热、自然冷却、加热、自然冷却……加热、自然冷却。

10.根据权利要求7所述的制造工艺，其特征在于，清洗液依次是酸类溶液——肥皂水——纯净水清洗传感弹性体加工时留存的各类污染源。

Images