CN111879968A - 铰链式高频fbg加速度传感器、测试装置及方法 - Google Patents

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CN111879968A CN202010895437.1A CN202010895437A CN111879968A CN 111879968 A CN111879968 A CN 111879968A CN 202010895437 A CN202010895437 A CN 202010895437A CN 111879968 A CN111879968 A CN 111879968A
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蔡建羡
洪利
姚振静
刘淑聪
吴燕雄
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Abstract

本发明公开了铰链式高频FBG加速度传感器、测试装置及方法，传感器包括：L型基座，所述L型基座的第一端与柔性铰链的第一端连接，柔性铰链的第二端与质量块的第一端连接；所述L型基座的第二端与光纤支架的第一端固定连接；其中，光纤支架的第一端通过第一根光纤布拉格光栅加速度传感器与质量块的第二端连接；光纤支架的第二端通过第二根光纤布拉格光栅加速度传感器与质量块的第二端连接；所述第一根光纤布拉格光栅加速度传感器的轴线方向和第二根光纤布拉格光栅加速度传感器的轴线方向，均与柔性铰链的轴线方向垂直。

Description

铰链式高频FBG加速度传感器、测试装置及方法
技术领域
本申请涉及光纤布拉格光栅加速度传感器技术领域，特别是涉及铰链式高频FBG加速度传感器、测试装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本申请相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
振动信号测量是微地震裂缝检测、结构健康和机械状态监测等领域中一项基础且重要的环节，通过对振动信号进行实时监测，能及时了解到设备、环境和工程等实时状态，有效避免了安全事故的发生。
传统的振动传感器大多基于压电效应，但是这些电磁传感元件输出的电压信号很弱，容易受到外界磁场干扰、接线繁琐、零温漂和长导线的快速信号衰减。这些缺点限制了它们在长期、远距离监测中的实际应用，特别是在野外等恶劣环境中的应用。
光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)作为一类特殊的光纤传感器，具有抗电磁干扰、抗光功率波动、体积小、重量轻等优点，已经被应用到各个领域之中。
作为FBG传感器的一个分支，FBG加速度传感器近年来取得了较大的发展。现有技术中的一种弹性钢管结构的光纤光栅加速度，传感器能在0～1200Hz有良好的线性响应，灵敏度能达到4.01pm/g。现有技术中的一种灯笼形金属外壳的双光纤光栅加速度传感器，该传感器具有较强的抗横向干扰能力，其谐振频率约为1175Hz，灵敏度为9.4pm/g。现有技术中的一种谐振频率约为3000Hz的双铰链加速度计，可用于中高频的测量。然而，发明人发现虽然上述传感器能测量高振动频率信号，但还存在加速度传感器灵敏度低的问题。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本申请提供了铰链式高频FBG加速度传感器、测试装置及方法；
第一方面，提供了铰链式高频FBG加速度传感器；
铰链式高频FBG加速度传感器，包括：
L型基座，所述L型基座的第一端与柔性铰链的第一端连接，柔性铰链的第二端与质量块的第一端连接；所述L型基座的第二端与光纤支架的第一端固定连接；其中，光纤支架的第一端通过第一根光纤布拉格光栅加速度传感器与质量块的第二端连接；光纤支架的第二端通过第二根光纤布拉格光栅加速度传感器与质量块的第二端连接；所述第一根光纤布拉格光栅加速度传感器的轴线方向和第二根光纤布拉格光栅加速度传感器的轴线方向，均与柔性铰链的轴线方向垂直。
第二方面，提供了铰链式高频FBG加速度传感器的性能分析方法；
铰链式高频FBG加速度传感器的性能分析方法，包括：
根据弹光系数、第一根光纤布拉格光栅加速度传感器的中心波长、第二根光纤布拉格光栅加速度传感器的中心波长、光纤应变、质量块的重心、质量块的长度、柔性铰链的半径和柔性铰链的刚度，计算铰链式高频FBG加速度传感器的灵敏度；判断铰链式高频FBG加速度传感器的灵敏度是否在设定范围内，如果是，就进入下一步；
根据质量块绕柔性铰链中心转动的转动惯量和动力学方程，计算铰链式高频FBG加速度传感器的传感器谐振频率；判断铰链式高频FBG加速度传感器的传感器谐振频率是否在设定范围内，如果是，就进入下一步；
分析质量块的长度对铰链式高频FBG加速度传感器灵敏度和谐振频率的影响、分析质量块的高度对铰链式高频FBG加速度传感器灵敏度和谐振频率的影响、分析柔性铰链的厚度对铰链式高频FBG加速度传感器灵敏度和谐振频率的影响；综合分析结果，得到质量块的长度、质量块的高度和柔性铰链的厚度。
第三方面，提供了基于铰链式高频FBG加速度传感器的性能测试装置；
基于铰链式高频FBG加速度传感器的性能测试装置，包括：振动测试模块和波长解调模块；
所述振动测试模块，包括：依次连接的信号发生器、功率放大器和激振台；
波长解调模块，包括：依次连接的光源、光纤光栅波长解调仪、基于铰链式高频FBG加速度传感器和计算机；
其中，基于铰链式高频FBG加速度传感器固定安装在激振台上。
进一步地，所述信号发生器发生的信号经过功率放大器放大后，驱动激振台输出相应的振动信号，基于铰链式高频FBG加速度传感器接收到振动信号后，振动信号使基于铰链式高频FBG加速度传感器的反射光谱发生变化，光纤光栅波长解调仪将发生变化的反射光谱转换成电信号，在计算机上显示出来。
第四方面，供了基于铰链式高频FBG加速度传感器的性能测试方法；
基于铰链式高频FBG加速度传感器的性能测试方法，包括：
对基于铰链式高频FBG加速度传感器进行幅频响应测试；
对基于铰链式高频FBG加速度传感器进行灵敏度系数测试；
对基于铰链式高频FBG加速度传感器进行横向抗干扰能力测试；
只有幅频响应测试结果、灵敏度系数测试结果和横向抗干扰能力测试结果均达到设定阈值的基于铰链式高频FBG加速度传感器，才属于性能合格的加速度传感器。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：
铰链式高频FBG加速度传感器在微地震裂缝检测、机械状态和结构健康监测等领域具有广泛的应用。本申请针对现有光纤布拉格光栅加速度传感器测量高频信号时灵敏度低的问题，提出铰链式高频FBG加速度传感器。通过光纤支架把两根光纤光栅以差分排列的方式放置，提高传感器的灵敏度，并能剔除温度变化带来的影响；对传感器进行理论分析并给出传感器的灵敏度和谐振频率公式，讨论结构参数对传感器灵敏度和谐振频率的影响，利用有限元法分析了传感器的静态和动态特性。研制传感器，并进行传感器标定实验，结果表明，传感器在50-1000Hz的平坦范围内具有较好的线性度，灵敏度可达到18.9pm/g，为高频振动信号的测量提供了一种新的思路。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为第一个实施例的装置结构示意图；
图2为第一个实施例的FBG拉伸量放大原理图；
图3为第一个实施例的传感器振动模型；
图4为第一个实施例的e对传感器灵敏度、谐振频率的影响；
图5为第一个实施例的h对传感器灵敏度、谐振频率的影响；
图6为第一个实施例的t对传感器灵敏度、谐振频率的影响；
图7(a)为第一个实施例的传感器一阶模态分析示意图；
图7(b)为第一个实施例的传感器二阶模态分析示意图；
图8为第一个实施例的传感器振动实验系统示意图；
图9为第一个实施例的传感器幅频特性图；
图10为第一个实施例的传感器灵敏度线性图；
图11为第一个实施例的传感器交叉干扰特性图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例提供了铰链式高频FBG加速度传感器；
如图1所示，铰链式高频FBG加速度传感器，包括：
L型基座，所述L型基座的第一端与柔性铰链的第一端连接，柔性铰链的第二端与质量块的第一端连接；所述L型基座的第二端与光纤支架的第一端固定连接；其中，光纤支架的第一端通过第一根光纤布拉格光栅加速度传感器与质量块的第二端连接；光纤支架的第二端通过第二根光纤布拉格光栅加速度传感器与质量块的第二端连接；所述第一根光纤布拉格光栅加速度传感器的轴线方向和第二根光纤布拉格光栅加速度传感器的轴线方向，均与柔性铰链的轴线方向垂直。
进一步地，所述柔性铰链为正圆柔性铰链。
进一步地，所述光纤支架上设有光纤沟槽，所述第一根光纤布拉格光栅加速度传感器和第二根光纤布拉格光栅加速度传感器，均安装在光纤支架的光纤沟槽内。
进一步地，所述铰链式高频FBG加速度传感器，L型基座、柔性铰链、质量块和光纤支架是由一整块弹簧钢经过线切割和热处理加工而成，形成一个不可分割的整体。
进一步地，所述光纤支架包括支架主体，所述支架主体为长方体结构，所述支架主体的两端分别连接对应的折弯部，所述折弯部为直角型结构，所述折弯部的外侧设有光纤沟槽。
进一步地，所述第一根光纤布拉格光栅加速度传感器的两端是通过胶结剂粘贴在质量块和光纤支架的光纤沟槽内。
进一步地，所述第二根光纤布拉格光栅加速度传感器的两端是通过胶结剂粘贴在质量块和光纤支架的光纤沟槽内。
应理解的，所述第一根光纤布拉格光栅加速度传感器和第二根光纤布拉格光栅加速度传感器，均有设定的预拉量。
进一步地，所述质量块长度e为5毫米，质量块高度h为6毫米，柔性铰链厚度t为2毫米。
铰链式高频FBG加速度传感器的工作原理：
当铰链式高频FBG加速度传感器敏感方向受到外力产生振动时，质量块在惯性力的作用下绕着柔性铰链中心上下微幅转动，带动第一根光纤布拉格光栅加速度传感器和第二根光纤布拉格光栅加速度传感器发生轴向的微小伸缩形变，质量块上下两端的第一根光纤布拉格光栅加速度传感器和第二根光纤布拉格光栅加速度传感器一端拉伸一端收缩；
因第一根光纤布拉格光栅加速度传感器和第二根光纤布拉格光栅加速度传感器的中心波长相近，各项特性均相同，所以第一根光纤布拉格光栅加速度传感器和第二根光纤布拉格光栅加速度传感器由轴向应变产生的波长变化量大小相同，方向相反；
将第一根光纤布拉格光栅加速度传感器和第二根光纤布拉格光栅加速度传感器的反射谱差分运算，得到铰链式高频FBG加速度传感器的灵敏度；铰链式高频FBG加速度传感器的灵敏度，变为单根光纤布拉格光栅加速度传感器的两倍，并能消除温度变化带来的不利影响。
提高光纤光栅加速度传感器的灵敏度的关键是提高光纤光栅中心波长变化量，现有技术一般基于柔性铰链的光纤光栅加速度传感器都是水平放置光纤光栅。本申请提出一种基于柔性铰链的新型光纤光栅加速度传感器结构，通过在光纤支架竖直放置FBG的方式增加光纤光栅的拉伸量以增大光纤光栅中心波长变化量，设计的原理图如图2所示。
如图2所示，水平放置的光纤光栅AB长度为l1，竖直放置的光纤光A'B长度为l2，A点与A'固定且l1＝l2。当传感器受到加速度影响时质量块发生振动，光纤固定点从B点移动到B'点，此时光纤光栅AB'的长度为l'1，转动的角度为α，光纤光栅A'B'为l'2，转动的角度为β，B'B＝Δx。由余弦定理可知
Figure BDA0002658311420000081
Figure BDA0002658311420000082
则光纤光栅的拉伸量
Figure BDA0002658311420000083
Figure BDA0002658311420000084
由于传感器信号为微幅振动信号，β<α且l1＝l2，所以Δl2>Δl1，实现增敏效果。
实施例二
本实施例提供了铰链式高频FBG加速度传感器的性能分析方法；
铰链式高频FBG加速度传感器的性能分析方法，包括：
S201：根据弹光系数、第一根光纤布拉格光栅加速度传感器的中心波长、第二根光纤布拉格光栅加速度传感器的中心波长、光纤应变、质量块的重心、质量块的长度、柔性铰链的半径和柔性铰链的刚度，计算铰链式高频FBG加速度传感器的灵敏度；判断铰链式高频FBG加速度传感器的灵敏度是否在设定范围内，如果是，就进入S202；
S202：根据质量块绕柔性铰链中心转动的转动惯量和动力学方程，计算铰链式高频FBG加速度传感器的传感器谐振频率；判断铰链式高频FBG加速度传感器的传感器谐振频率是否在设定范围内，如果是，就进入S203；
S203：分析质量块的长度对铰链式高频FBG加速度传感器灵敏度和谐振频率的影响、分析质量块的高度对铰链式高频FBG加速度传感器灵敏度和谐振频率的影响、分析柔性铰链的厚度对铰链式高频FBG加速度传感器灵敏度和谐振频率的影响；综合分析结果，得到质量块的长度、质量块的高度和柔性铰链的厚度。
作为一个或多个实施例，所述性能分析方法还包括：
S204：采用有限元分析方法对铰链式高频FBG加速度传感器进行分析。
作为一个或多个实施例，所述S204：采用有限元分析方法对铰链式高频FBG加速度传感器进行分析；具体分析步骤包括：
S2041：在solidworks上进行实体模型的建立，将建立的装配模型导入到workbench中；
S2042：在ANSYS中对模型进行网格划分，将结果分为若干个单元，对壳体下表面和光纤支架施加固定约束，进行模态分析；得到的传感器多阶谐振频率。
分单元是将这个模型分为几万甚至更多单元计算每个单元的受力情况的。因为理论计算是将所有整体看成一个点计算的。网格划分是将整体划分几万个单元计算，结果会更加准确。固定约束只需要在底座施加。
模态分析是根据传感器的前两阶谐振频率，研究传感器在共振时的运动方向是否是设定方向；谐振频率的具体值；一阶二阶固有频率之间是否有较大的差值(传感器抗交叉串扰能力)。
如图3所示，当加速度激励信号a作用在传感器敏感方向时，质量块在惯性力的作用下绕着直圆铰链中心上下微幅转动，使整个系统在惯性力作用下达到转矩平衡，得
Figure BDA0002658311420000101
其中，m为质量块的总质量；d为质量块质心距离铰链中心的距离；Δl为光纤的拉伸距离；h为质量块高度；k为光纤的弹性系数；K为铰链转动刚度；θ为铰链转动角度。
传感器灵敏度S为FBG中心波长变化量和加速度之比，即FBG加速度传感器灵敏度S为光栅的中心波长变化量和加速度a之比，即
Figure BDA0002658311420000102
其中，Pe为弹光系数；λB为FBG的中心波长；εf为光纤应变；质量块的重心d＝R+e/2；e为质量块的长度；R为正圆铰链的半径。
本申请所指的灵敏度为峰-峰值灵敏度，大小为2S。
铰链刚度K为
Figure BDA0002658311420000103
其中E为材料的弹性模量；i为铰链的厚度；s＝R/t。
传感器谐振频率分析：谐振频率是加速度传感器的另一个重要参数，当外力作用频率达到谐振频率时，传感器会与其发生谐振，振幅急剧增大。通常来说，谐振频率越高，传感器的可用频带越宽，但是可测得的低频信号就会变少，设质量块绕铰链中心转动的转动惯量为J，通过动力学方程得到整个系统的谐振频率为：
Figure BDA0002658311420000104
其中转动惯量为
Figure BDA0002658311420000111
传感器灵敏度和谐振频率不能兼得。例如，当提高惯性质量块的质量m时，加速度传感器的灵敏度会上升，而其整体的谐振频率会下降；反之降低惯性质量块的质量m时，灵敏度降低，而谐振频率会上升。
为获得所需频带和合适的灵敏度，需要对传感器的结构参数进行分析。
首先，铰链的切削半径R为3mm，当激励加速度为1g时，利用matlab将传感器关键参数惯性质量块长度e、惯性质量块高度h、铰链厚度t分别进行分析。传感器的材料为65Mn弹簧钢，其弹性模量为190GPa，密度为7850kg/m3，传感器厚度为15mm，光纤的弹光系数为1.23×10-8m2，弹性模量为72GPa，有效弹光系数为0.22，光栅的中心波长为1550nm，l为5mm。
第一组分析质量块长度e对传感器灵敏度和谐振频率的影响，令t＝2mm、h＝5mm、1mm≤e≤10mm，得到传感器灵敏度如图4所示。
由图4可知，看出当e增大时，灵敏度降低，在1～5mm范围内，灵敏度受影响较大。随着e的增加，其固有频率增大，共振频率范围变化较大。
第二组分析质量块高度h对传感器灵敏度和谐振频率的影响，令e＝5mm、t＝2mm、5mm≤h≤10mm，得到传感器灵敏度如图5所示。
由图5可知，当质量块高度h增大时，灵敏度降低。随着质量块高度h的增加，其固有频率增大，在5～7.5mm谐振频率范围变化较大。
第三组分析铰链厚度对传感器灵敏度和谐振频率的影响，令e＝5mm、h＝5mm、0.5mm≤t≤10mm，得到传感器灵敏度如图6所示。
如图6可知，当铰链厚度t增大时，灵敏度降低，固有频率增大明显，适当增大铰链厚度可以使传感器用于高频检测，进一步扩大传感器的工作范围。
为了使传感器有较好的测量频带和更高的灵敏度，取多组数据测试仿真，优化后的参数结果为t＝2mm、e＝5mm、h＝6mm。
为了进一步研究传感器的动态响应特性，采用有限元方法结合ANSYS对所设计的传感器进行分析，传感器主要元件的关键参数如表1所示。
首先，在solidworks上进行实体模型的建立，将建立的装配模型导入到workbench中。在ANSYS中对模型进行网格划分，将结果分为若干个单元，对壳体下表面和光纤支架施加固定约束，进行模态分析，结果如图7(a)和图7(b)所示。
表1 FBG加速度传感器参数
Figure BDA0002658311420000121
从图7(a)可知，该结构的固有频率为1847.5Hz,质量块由于惯性作用产生明显的应变。从图7(b)可知，光纤光栅加速度传感器的二阶固有频率为5022Hz。传感器的固有频率与结构刚度有关，同一结构的模态频率越大，模态刚度越大。因此，一阶模态刚度与二阶刚度之间的差异也很大。结果表明，该结构传感的敏感方向和非敏感方向串扰较小。
实施例三
本实施例提供了基于铰链式高频FBG加速度传感器的性能测试装置；
如图8所示，基于铰链式高频FBG加速度传感器的性能测试装置，包括：振动测试模块和波长解调模块；
所述振动测试模块，包括：依次连接的信号发生器、功率放大器和激振台；
波长解调模块，包括：依次连接的光源、光纤光栅波长解调仪、基于铰链式高频FBG加速度传感器和计算机；
其中，基于铰链式高频FBG加速度传感器固定安装在激振台上。
进一步地，所述信号发生器发生的信号经过功率放大器放大后，驱动激振台输出相应的振动信号，基于铰链式高频FBG加速度传感器接收到振动信号后，振动信号使基于铰链式高频FBG加速度传感器的反射光谱发生变化，光纤光栅波长解调仪将发生变化的反射光谱转换成电信号，在计算机上显示出来。
为了标定传感器的性能参数，需要对传感器进行动态标定和性能测试。将传感器底座固定在振动台上，并保持与振动台振动方向垂直。将两根光栅分别引入波长解调仪的两个通道中，通过计算机进行实时显示并记录数据。
实施例四
本实施例提供了基于铰链式高频FBG加速度传感器的性能测试方法；
基于铰链式高频FBG加速度传感器的性能测试方法，包括：
S401：对基于铰链式高频FBG加速度传感器进行幅频响应测试；
S402：对基于铰链式高频FBG加速度传感器进行灵敏度系数测试；
S403：对基于铰链式高频FBG加速度传感器进行横向抗干扰能力测试；
S404：只有幅频响应测试结果、灵敏度系数测试结果和横向抗干扰能力测试结果均达到设定阈值的基于铰链式高频FBG加速度传感器，才属于性能合格的加速度传感器。
作为一个或多个实施例，所述S401：对基于铰链式高频FBG加速度传感器进行幅频响应测试；具体步骤包括：
设置振动台加速度为5m/s2作为恒定加速度值；
调节频率从50Hz开始，每次递增100Hz作为1个步长，记录两根光纤光栅中心波长的变化数据，得到基于铰链式高频FBG加速度传感器幅频特性曲线。
基于铰链式高频FBG加速度传感器幅频特性曲线是可以确定传感器谐振频率大致范围的，但是主要的目的是为了确定传感器测量频带范围。
因为幅频特性其实就是输出和输入的一个比值，为了测量结果的稳定可控，这个比值最好相对固定，因为真正测量时通过需要这个比值反推出加速度值，比值变化大就无法计算加速度。而当测试频率靠近谐振频率时，这个比值增大会非常明显，为了取得这个比较固定的比值，我们绘制出基于铰链式高频FBG加速度传感器幅频特性曲线就是找到谐振频率前相对平缓的曲线，这段频带就是传感器可测量频带。
应理解的，由图9可知，传感器谐振频率约为1700Hz，在50-1000Hz有较为平坦的响应。由于理论分析和有限元法中均没有考虑到光纤的预应力，且实际装配的传感器材料属性与理论分析和有限元中的材料属性不同，从而导致传感器的一阶频率实验值与理论值有偏差。
作为一个或多个实施例，所述S402：对基于铰链式高频FBG加速度传感器进行灵敏度系数测试；具体步骤包括：
选用160Hz、325Hz和495Hz 3个振动台标定频率作为测试频率，分别设定振动台的激励加速度值，变化范围为1～14m/s2，步长为1m/s2，记录两根光纤光栅中心波长的变化数据。
这个测试时为了确定传感器的灵敏度，就是标定每个g的加速度对应FBG波长变化的情况。有了这个数据当我们看到波长变化就可以反推出加速度的竖直。不同频带的灵敏度是不同的，这个测试也为了不同频率之间的灵敏度相差大，进一步确定测试频带拟合数据是为了看线性变化的加速度是不是得到了线性变化的中心波长变化，也是为了保证数据的稳定性。
由图10可知，采集数据后分析处理得到：
输入频率在160Hz时灵敏度为17.50pm/g，拟合确定系数R2＝0.9970；
在325Hz时灵敏度为19.56pm/g，拟合确定系数R2＝0.9982；
在495Hz时灵敏度为19.82pm/g，拟合确定系数R2＝0.9986。
结果表明，光纤光栅加速度传感器的线性度较好。
作为一个或多个实施例，所述S403：对基于铰链式高频FBG加速度传感器进行横向抗干扰能力测试；具体步骤包括：
将传感器纵向固定于振动台上，设置加速度为10m/s2，频率为160Hz的正弦激励信号；得到振动环境下，传感器横向振动与纵向振动光纤光栅中心波长漂移量的交叉干扰特性。
单自由度传感器抗非敏感方向干扰的能力也是传感器的一个重要指标。由图11可知，传感器的纵向响应与横向响应分别为20.3pm和1.8pm，横向光纤光栅中心波长漂移量仅为纵向的8.87％。说明传感器在振动条件下可以看作是单自由度振动，具有较强的横向抗干扰能力。
针对现有光纤布拉格光栅加速度传感器高频测量时灵敏度低的问题，提出一种基于柔性铰链的光纤布拉格光栅加速度传感器。通过光纤支架把两根光纤光栅以差分排列的方式放置，提高传感器的灵敏度，并能剔除温度变化带来的影响；对传感器进行理论分析并给出传感器的灵敏度和谐振频率公式，讨论结构参数对传感器灵敏度和谐振频率的影响，利用有限元法分析了传感器的静态和动态特性。研制传感器，并进行传感器标定测试实验，结果表明，结果表明，传感器在50-1000Hz的平坦范围内具有较好的线性度，灵敏度可达到18.9pm/g，为高频振动信号的测量提供了一种新的思路。
针对现有光纤布拉格光栅加速度传感器高频测量时灵敏度低的问题，提出一种基于柔性铰链的光纤布拉格光栅加速度传感器。对传感器进行理论分析并给出传感器的灵敏度和谐振频率公式，并利用MATLAB分析结构参数对传感器灵敏度和谐振频率的影响，利用有限元方法结合ANSYS分析了传感器的静态和动态特性。研制传感器，并进行传感器标定测试实验。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.铰链式高频FBG加速度传感器，其特征是，包括：
L型基座，所述L型基座的第一端与柔性铰链的第一端连接，柔性铰链的第二端与质量块的第一端连接；所述L型基座的第二端与光纤支架的第一端固定连接；其中，光纤支架的第一端通过第一根光纤布拉格光栅加速度传感器与质量块的第二端连接；光纤支架的第二端通过第二根光纤布拉格光栅加速度传感器与质量块的第二端连接；所述第一根光纤布拉格光栅加速度传感器的轴线方向和第二根光纤布拉格光栅加速度传感器的轴线方向，均与柔性铰链的轴线方向垂直。
2.如权利要求1所述的铰链式高频FBG加速度传感器，其特征是，
所述光纤支架上设有光纤沟槽，所述第一根光纤布拉格光栅加速度传感器和第二根光纤布拉格光栅加速度传感器，均安装在光纤支架的光纤沟槽内。
3.如权利要求1所述的铰链式高频FBG加速度传感器，其特征是，
所述铰链式高频FBG加速度传感器，L型基座、柔性铰链、质量块和光纤支架是由一整块弹簧钢经过线切割和热处理加工而成，形成一个不可分割的整体。
4.如权利要求1所述的铰链式高频FBG加速度传感器，其特征是，铰链式高频FBG加速度传感器的工作原理是：
当铰链式高频FBG加速度传感器敏感方向受到外力产生振动时，质量块在惯性力的作用下绕着柔性铰链中心上下微幅转动，带动第一根光纤布拉格光栅加速度传感器和第二根光纤布拉格光栅加速度传感器发生轴向的微小伸缩形变，质量块上下两端的第一根光纤布拉格光栅加速度传感器和第二根光纤布拉格光栅加速度传感器一端拉伸一端收缩；
因第一根光纤布拉格光栅加速度传感器和第二根光纤布拉格光栅加速度传感器的中心波长相近，各项特性均相同，所以第一根光纤布拉格光栅加速度传感器和第二根光纤布拉格光栅加速度传感器由轴向应变产生的波长变化量大小相同，方向相反；
将第一根光纤布拉格光栅加速度传感器和第二根光纤布拉格光栅加速度传感器的反射谱差分运算，得到铰链式高频FBG加速度传感器的灵敏度；铰链式高频FBG加速度传感器的灵敏度，变为单根光纤布拉格光栅加速度传感器的两倍，并能消除温度变化带来的不利影响。
5.如权利要求1所述的铰链式高频FBG加速度传感器的性能分析方法，其特征是，包括：
根据弹光系数、第一根光纤布拉格光栅加速度传感器的中心波长、第二根光纤布拉格光栅加速度传感器的中心波长、光纤应变、质量块的重心、质量块的长度、柔性铰链的半径和柔性铰链的刚度，计算铰链式高频FBG加速度传感器的灵敏度；判断铰链式高频FBG加速度传感器的灵敏度是否在设定范围内，如果是，就进入下一步；
根据质量块绕柔性铰链中心转动的转动惯量和动力学方程，计算铰链式高频FBG加速度传感器的传感器谐振频率；判断铰链式高频FBG加速度传感器的传感器谐振频率是否在设定范围内，如果是，就进入下一步；
分析质量块的长度对铰链式高频FBG加速度传感器灵敏度和谐振频率的影响、分析质量块的高度对铰链式高频FBG加速度传感器灵敏度和谐振频率的影响、分析柔性铰链的厚度对铰链式高频FBG加速度传感器灵敏度和谐振频率的影响；综合分析结果，得到质量块的长度、质量块的高度和柔性铰链的厚度。
6.如权利要求5所述的方法，其特征是，所述性能分析方法还包括：
采用有限元分析方法对铰链式高频FBG加速度传感器进行分析。
7.如权利要求6所述的方法，其特征是，采用有限元分析方法对铰链式高频FBG加速度传感器进行分析；具体分析步骤包括：
在solidworks上进行实体模型的建立，将建立的装配模型导入到workbench中；
在ANSYS中对模型进行网格划分，将结果分为若干个单元，对壳体下表面和光纤支架施加固定约束，进行模态分析；得到的传感器多阶谐振频率。
8.如权利要求1所述的基于铰链式高频FBG加速度传感器的性能测试装置，其特征是，包括：振动测试模块和波长解调模块；
所述振动测试模块，包括：依次连接的信号发生器、功率放大器和激振台；
波长解调模块，包括：依次连接的光源、光纤光栅波长解调仪、基于铰链式高频FBG加速度传感器和计算机；
其中，基于铰链式高频FBG加速度传感器固定安装在激振台上。
9.如权利要求8所述的装置，其特征是，所述信号发生器发生的信号经过功率放大器放大后，驱动激振台输出相应的振动信号，基于铰链式高频FBG加速度传感器接收到振动信号后，振动信号使基于铰链式高频FBG加速度传感器的反射光谱发生变化，光纤光栅波长解调仪将发生变化的反射光谱转换成电信号，在计算机上显示出来。
10.如权利要求1所述的基于铰链式高频FBG加速度传感器的性能测试方法，其特征是，包括：
对基于铰链式高频FBG加速度传感器进行幅频响应测试；
对基于铰链式高频FBG加速度传感器进行灵敏度系数测试；
对基于铰链式高频FBG加速度传感器进行横向抗干扰能力测试；
只有幅频响应测试结果、灵敏度系数测试结果和横向抗干扰能力测试结果均达到设定阈值的基于铰链式高频FBG加速度传感器，才属于性能合格的加速度传感器。
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