CN111693735B - 一种具有高灵敏度高固有频率的二维fbg加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种具有高灵敏度高固有频率的二维FBG加速度计，包括有基底、敏感结构和质量块，所述敏感结构为柔性铰链结构；在质量块外周的基底上设有两第一固定支架、两第二固定支架，并在其顶部分别开设有第一导纤槽和第二导纤槽，且在质量块的顶部开设有两段互相垂直的第三导纤槽和第四导纤槽，沿第三导纤槽和两第一导纤槽内粘贴有一光纤布拉格光栅，沿第四导纤槽和两第二导纤槽内粘贴有一光纤布拉格光栅。本发明为抛物线型柔性铰链作为敏感结构的二维加速度计，可增大其灵敏度并减小其体积，从而实现提高固有频率，且由于两根光纤布拉格光栅相互垂直，从而满足监测两个方向振动信号的需求。

Description

一种具有高灵敏度高固有频率的二维FBG加速度计
【技术领域】
本发明属于光纤传感技术领域，尤其是指一种具有高灵敏度高固有频率的二维FBG加速度计。
【背景技术】
随着国民经济及机械行业的快速发展，工程设备朝着大型化、自动化与智能化方向发展，结构健康监测与损伤评估在其中起着重要作用，如何实现长期实时监测是目前热门且重要的研究方向。对结构进行振动信号的实时监测，既可识别结构受承受外界荷载的大小，又可以得到结构的固有频率，若固有频率出现明显的降低，则可判定结构出现了损伤。光纤布拉格光栅(FBG)传感器可实现对应变、温度、压力以及加速度等物理量的精确测量，且具有抗电磁干扰、灵敏度高、成本低、远距离传输以及稳定性强等优点，因此目前多采用FBG加速度计进行实时监测。以大型风机与直升机浆叶等旋转设备为例，若加速度计传输异常的振动信号，意味着出现转动质量的不均匀分布等问题。目前常用的FBG加速度计形式有悬臂梁式与膜片式，这两种结构不仅灵敏度低，而且固有频率小，易发生啁啾现象，不能应用于高频振动下测量。
针对上述问题，申请人提出了一种解决方案。
【发明内容】
本发明的目的是在于克服现有技术的不足，提供了一种具有高灵敏度高固有频率的二维FBG加速度计。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种具有高灵敏度高固有频率的二维FBG加速度计，包括有基底，在基底上方设有质量块，在所述质量块与基底之间通过敏感结构连接，所述敏感结构为柔性铰链结构；在质量块外周的基底上均匀分布有四个固定支架，其中分设于左右两侧的固定支架为第一固定支架，在其顶部分别开设有第一导纤槽，分设于前后两侧的固定支架为第二固定支架，在其顶部分别开设有第二导纤槽，在质量块的顶部开设有两段互相垂直的第三导纤槽和第四导纤槽，且第三导纤槽和第四导纤槽均前后贯穿质量块的顶部并在中点交汇，所述第一导纤槽、第二导纤槽、第三导纤槽和第四导纤槽均处于同一水平高度；沿第三导纤槽和两第一导纤槽内粘贴有一光纤布拉格光栅，沿第四导纤槽和两第二导纤槽内粘贴有一光纤布拉格光栅，两根光纤布拉格光栅相互垂直，且位于两端非光栅区域的光纤粘贴固定于第一导纤槽和第二导纤槽中，位于质量块的非光栅区域光纤粘贴固定于第三导纤槽和第四导纤槽中。
在进一步的改进方案中，所述敏感结构为双轴抛物线型的柔性铰链结构。
在进一步的改进方案中，所述第三导纤槽和第四导纤槽的中间交汇点与质量块的轴心重合。
在进一步的改进方案中，所述第一导纤槽、第二导纤槽、第三导纤槽和第四导纤槽的高度和宽度均为1～2mm。
在进一步的改进方案中，所述四个固定支架均为变截面结构，其靠近基底的截面面积大于靠近其顶部的截面面积。
在进一步的改进方案中，所述两根光纤布拉格光栅均为阵列波导光栅，在任意一根光纤上刻有两个布拉格光栅，且两布拉格光栅的间距为常数。
在进一步的改进方案中，所述基底为金属基底，且其与敏感结构、质量块为一体化结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明为双轴抛物线型铰链作为敏感结构的二维加速度计，当存在外界激励振动时，质量块将在惯性力的作用下绕着铰链结构做转角运动，进而使得粘贴在第一导纤槽、第二导纤槽、第三导纤槽和第四导纤槽中的光纤布拉格光栅伸长或缩短，导致光纤布拉格光栅的中心波长量发生偏移，同时由于两根光纤布拉格光栅相互垂直，从而满足监测两个方向振动信号的需求，另外采用双轴抛物线型的柔性铰链结构作为敏感结构，可以增大其灵敏度并减小其体积，从而实现提高固有频率，解决了现有FBG加速度计难以实现高频振动测量的问题。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细描述：
【附图说明】
图1为本发明实施例的三维立体示意图；
图2为本发明实施例的变形剖面图；
图3为本发明在X方向上施加一定的振动信号时，X方向FBG的偏移量；
图4为本发明在Z方向上施加一定的振动信号时，Z方向FBG的偏移量。
【具体实施方式】
下面详细描述本发明的实施例，所述的实施例示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
附图所显示的方位不能理解为限制本发明的具体保护范围，仅供较佳实施例的参考理解，可以图中所示的产品部件进行位置的变化或数量增加或结构简化。
说明书中所述的“连接”及附图中所示出的部件相互“连接”关系，可以理解为固定地连接或可拆卸连接或形成一体的连接；可以是直接相连或通过中间媒介相连，本领域普通技术人员可以根据具体情况理解连接关系而可以得出螺接或铆接或焊接或卡接或嵌接等方式以适宜的方式进行不同实施方式替用。
说明书中所述的上、下、左、右、顶、底等方位词及附图中所示出方位，各部件可直接接触或通过它们之间的另外特征接触；如在上方可以为正上方和斜上方，或它仅表示高于其他物；其他方位也可作类推理解。
说明书及附图中所表示出的具有实体形状部件的制作材料，可以采用金属材料或非金属材料或其他合成材料；凡涉及具有实体形状的部件所采用的机械加工工艺可以是冲压、锻压、铸造、线切割、激光切割、铸造、注塑、数铣、三维打印、机加工等等；本领域普通技术人员可以根据不同的加工条件、成本、精度进行适应性地选用或组合选用，但不限于上述材料和制作工艺。
本发明为一种具有高灵敏度高固有频率的二维FBG加速度计，如图1、2所示，包括有基底10，在基底10上方设有质量块30，在所述质量块30与基底10之间通过敏感结构20连接，所述敏感结构20为双轴抛物线型的柔性铰链结构，所述基底10为金属基底，且其与敏感结构20、质量块30为一体化结构；在质量块30外周的基底10上均匀分布有四个等强度梁形式的固定支架，其中分设于左右两侧的固定支架为第一固定支架40，在其顶部分别开设有第一导纤槽50，分设于前后两侧的固定支架为第二固定支架60，在其顶部分别开设有第二导纤槽70，四个固定支架均为变截面结构，其靠近基底10的截面面积大于靠近其顶部的截面面积，在质量块30的顶部开设有两段互相垂直的第三导纤槽80和第四导纤槽90，且第三导纤槽80和第四导纤槽90均前后贯穿质量块30的顶部并在中点交汇，该交汇点与质量块30的轴心重合；所述第一导纤槽50、第二导纤槽70、第三导纤槽80和第四导纤槽90均处于同一水平高度，且高度和宽度均为1～2mm；沿第三导纤槽80和两第一导纤槽50内粘贴有一光纤布拉格光栅100，沿第四导纤槽90和两第二导纤槽70内粘贴有一光纤布拉格光栅100，所述两根光纤布拉格光栅100均为阵列波导光栅，在任意一根光纤上刻有两个布拉格光栅，且两布拉格光栅的间距为常数，两根光纤布拉格光栅相互垂直，且位于两端非光栅区域的光纤粘贴固定于第一导纤槽50和第二导纤槽70中，位于质量块30的非光栅区域光纤粘贴固定于第三导纤槽80和第四导纤槽90中，在实施例中，两根光纤布拉格光栅100使用夹具令其达到预拉伸量，再将其放置在第一导纤槽50、第二导纤槽70、第三导纤槽80和第四导纤槽90中，将熔融状态的焊锡(锡银铜无铅焊丝)滴入，待冷却后释放夹具即完成粘贴固定。
下面结合图3、图4进行进一步说明，图3为本发明在X方向上施加一定的振动信号时，X方向FBG的偏移量，图4为本发明在Z方向上施加一定的振动信号时，Z方向FBG的偏移量。
本发明为双轴抛物线型铰链作为敏感结构的二维加速度计，当存在外界激励振动时，质量块30将在惯性力的作用下绕着铰链结构做转角运动，进而使得粘贴在第一导纤槽50、第二导纤槽70、第三导纤槽80和第四导纤槽90中的光纤布拉格光栅100伸长或缩短，导致光纤布拉格光栅100的中心波长量发生偏移，同时由于两根光纤布拉格光栅100相互垂直，从而满足监测两个方向振动信号的需求，另外采用双轴抛物线型的柔性铰链结构作为敏感结构，可以增大其灵敏度并减小其体积，从而实现提高固有频率，解决了现有FBG加速度计难以实现高频振动测量的问题，其将阵列波导光栅的两个布拉格短光栅粘贴于质量块30与固定支架之间，实现了两倍增敏效果。
尽管参照上面实施例详细说明了本发明，但是通过本公开对于本领域技术人员显而易见的是，而在不脱离所述的权利要求限定的本发明的原理及精神范围的情况下，可对本发明做出各种变化或修改。因此，本公开实施例的详细描述仅用来解释，而不是用来限制本发明，而是由权利要求的内容限定保护的范围。

Claims (7)

1.一种具有高灵敏度高固有频率的二维FBG加速度计，其特征在于，包括有基底，在基底上方设有质量块，在所述质量块与基底之间通过敏感结构连接，所述敏感结构为柔性铰链结构；在质量块外周的基底上均匀分布有四个固定支架，其中分设于左右两侧的固定支架为第一固定支架，在其顶部分别开设有第一导纤槽，分设于前后两侧的固定支架为第二固定支架，在其顶部分别开设有第二导纤槽，在质量块的顶部开设有两段互相垂直的第三导纤槽和第四导纤槽，且第三导纤槽和第四导纤槽均前后贯穿质量块的顶部并在中点交汇，所述第一导纤槽、第二导纤槽、第三导纤槽和第四导纤槽均处于同一水平高度；沿第三导纤槽和两第一导纤槽内粘贴有一光纤布拉格光栅，沿第四导纤槽和两第二导纤槽内粘贴有一光纤布拉格光栅，两根光纤布拉格光栅相互垂直，且位于两端非光栅区域的光纤粘贴固定于第一导纤槽和第二导纤槽中，位于质量块的非光栅区域光纤粘贴固定于第三导纤槽和第四导纤槽中。
2.根据权利要求1所述的一种具有高灵敏度高固有频率的二维FBG加速度计，其特征在于，所述敏感结构为双轴抛物线型的柔性铰链结构。
3.根据权利要求1所述的一种具有高灵敏度高固有频率的二维FBG加速度计，其特征在于，所述第三导纤槽和第四导纤槽的中间交汇点与质量块的轴心重合。
4.根据权利要求1所述的一种具有高灵敏度高固有频率的二维FBG加速度计，其特征在于，所述第一导纤槽、第二导纤槽、第三导纤槽和第四导纤槽的高度和宽度均为1～2mm。
5.根据权利要求1所述的一种具有高灵敏度高固有频率的二维FBG加速度计，其特征在于，所述四个固定支架均为变截面结构，其靠近基底的截面面积大于靠近其顶部的截面面积。
6.根据权利要求1所述的一种具有高灵敏度高固有频率的二维FBG加速度计，其特征在于，所述两根光纤布拉格光栅均为阵列波导光栅，在任意一根光纤上刻有两个布拉格光栅，且两布拉格光栅的间距为常数。
7.根据权利要求1所述的一种具有高灵敏度高固有频率的二维FBG加速度计，其特征在于，所述基底为金属基底，且其与敏感结构、质量块为一体化结构。
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