CN112014594A - 基于柔性铰链的增敏型fbg加速度传感器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提出了基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器及测量方法，包括：底座、带有惯性质量块的椭圆柔性铰链以及光纤光栅；所述底座为由两个侧壁及位于两个侧壁之间的连接结构构成，所述两个侧壁之间椭圆柔性铰链以及惯性质量块间隔布置，位于中间的两个质量上表面之间及下表面之间分别粘贴有光纤光栅，下表面的光纤光栅与底座的连接结构为非接触状态。本公开技术方案由于中间的铰链连接，两个质量块的同时振动，上下光栅两端的形变方向相反，因而可达到灵敏度倍增的效果，并能消除温度变化带来的影响。
Description
技术领域
本公开属于传感器测量技术领域，尤其涉及基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器及测量方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
微地震监测在石油工程、核废料处理、大坝、危险性结构的预防和稳定性监测有广泛的应用,其信号与常规地震信号相比具有能量弱，频率高，容易被吸收等特点，这就对其信号的采集提出更高的要求。与传统的电学加速度传感器相比，光纤光栅(FBG)加速度传感器以其体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、易于实现分布式测量等优点越来越受到人们的重视。
近年来，国内学者根据FBG应变传感原理设计了多种形式的FBG加速度传感器，然而，适用于中高频领域的加速度传感器研究较低频领域仍有不足。由于加速度传感器的固有频率和灵敏度相互掣肘，而中高频加速度传感器所需的高固有频率决定其灵敏度较低，所以研究提高中高频光纤光栅加速度传感器的灵敏度具有重要意义。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器，为带有两个惯性质量块的三铰链加速度传感器新型结构。
为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器，包括：
底座、带有惯性质量块的椭圆柔性铰链以及光纤光栅；
所述底座为由两个侧壁及位于两个侧壁之间的连接结构构成，所述两个侧壁之间椭圆柔性铰链以及惯性质量块间隔布置，位于中间的两个质量上表面之间及下表面之间分别粘贴有光纤光栅，下表面的光纤光栅与底座的连接结构为非接触状态。
上述基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器首先采用了对称型结构，两个质量块同时反向运动增大了灵敏度。当产生振动时，由于中间的铰链链接了两个质量块，两个质量块会围绕各自的铰链同步作反向的微幅转动，增大固定在质量块上FBG拉伸量，实现第一次增敏。其次采用两根波长相近的FBG分别固定在两个质量块上下端做差分运算再次增敏，由于两个质量块同步振动，上下两端的光纤一端收缩，一段拉伸，将两根FBG的反射谱差分运算，消除温度带来的不利影响，实现第二次增敏。
第二方面，公开了基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器的测量方法，包括：
当产生振动时两个质量块同时会围绕各自的铰链作反向的微幅转动；
质量块产生的惯性力带动发生轴向的微小伸缩形变，从而导致FBG反射波长发生漂移。
具体的,将两根波长相近的FBG分别固定在两个质量块上下端，将传感器通过底座固定在被测物体表面，FBG的一端连接三端口环形器2端口，环形器1端口连接光源，3端口连接波长解调仪的1个信道，另一根FBG同理。波长解调仪输出端连接到PC，通过软件直接输出FBG中心波长变化。根据波长变化和灵敏度计算出实际加速度值。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本公开技术方案采用两对光纤光栅差分排列的方式，使灵敏度是单光纤光栅的两倍，并能剔除温度变化带来的影响。
本公开技术方案由于中间的铰链连接，两个质量块的同时振动，上下光栅两端的形变方向相反，因而可达到灵敏度倍增的效果，并能消除温度变化带来的影响。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例传感器结构示意图；
图2为本公开实施例传感器力学模型图；
图3(a)不同t时灵敏度随b、c的变化示意图；
图3(b)不同t时谐振频率随的变化示意图；
图4(a)不同t时灵敏度随e、h的变化示意图；
图4(b)不同t时谐振频率随e、h的变化示意图；
图5(a)一阶模态图；
图5(b)二阶模态图；
图6传感器实验系统结构图；
图7传感器幅频响应特性示意图；
图8传感器灵敏度标定曲线图；
图9传感器横向特性图。
图中，1、底座；2、椭圆柔性铰链；3、惯性质量块。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本公开技术方案首先采用了对称型结构，两个质量块同时反向运动增大了灵敏度。当产生振动时，由于中间的铰链链接了两个质量块，两个质量块会围绕各自的铰链同步作反向的微幅转动，增大固定在质量块上FBG拉伸量，实现第一次增敏。其次采用两根波长相近的FBG分别固定在两个质量块上下端做差分运算再次增敏，由于两个质量块同步振动，上下两端的光纤一端收缩，一段拉伸，将两根FBG的反射谱差分运算，消除温度带来的不利影响，实现第二次增敏。
本公开技术方案采用两对光纤光栅差分排列的方式，使灵敏度是单光纤光栅的两倍，并能剔除温度变化带来的影响。从理论给出了传感器的灵敏度和谐振频率公式，并讨论了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，制作传感器实物并对其有效性进行验证。
本实施例公开了基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器，传感器的结构如图1所示，该传感器是一种基于三个铰链的新型光纤光栅加速度传感器，由底座1、三个带有惯性质量块3的椭圆柔性铰链2以及光纤光栅三部分组成。
底座由底板和两个固定柱组成，底板可用于固定传感器。固定柱与柔性铰链相连接，固定柔性铰链的一端。
光纤光栅用于反映传感器的振动，当传感器振动，光纤光栅或拉伸或收缩，导致中心波长发生变化，通过反射谱将波长变化的信息传达出去。
三个带有惯性质量块的椭圆柔性铰链是传感器的核心。左右两个铰链为了放大振动产生的运动，中间的铰链式为了接连质量块使质量块同步运动；质量块是为了产生一个惯性力，其左右都分别连接了一个铰链，光纤光栅固定在质量块上下端由于惯性力才会收缩拉伸。
其中，底座为由两个侧壁及位于两个侧壁之间的连接结构构成，所述两个侧壁之间椭圆柔性铰链以及惯性质量块间隔布置，位于中间的两个质量上表面之间及下表面之间分别粘贴有光纤光栅，下表面的光纤光栅与底座的连接结构不接触。
该传感器可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。将光纤光栅粘贴在两个惯性质量块中间，并使光纤光栅有一定的预拉量。
当产生振动时两个质量块会围绕各自的铰链作反向的微幅转动，质量块产生的惯性力会带动发生轴向的微小伸缩形变，从而导致FBG反射波长发生漂移。由于中间的铰链连接，两个质量块的同时振动，上下光栅两端的形变方向相反，因而可达到灵敏度倍增的效果，并能消除温度变化带来的影响。
传感器灵敏度分析：
如图2所示，当振动激励信号加速度a作用在传感器敏感方向的时，由于传感器完全对称，左右椭圆柔性铰链相对于中心铰链的位移的大小始终相同，可以提取结构的左半部分进行分析。整个系统在惯性力作用下达到转矩平衡，得到下面公式
式中，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；2b为椭圆铰链长轴，2c为椭圆铰链短轴；e为惯性质量块宽度；h为惯性质量块高度；k为光纤的弹性系数；K为铰链转动刚度；θ1为中心铰链转动角度；θ2为中心铰链转动角度。
光纤弹性系数k为
式中，Af为光纤横截面积；Ef为光栅弹性模量。
质量块重心d为
d＝b+e/2 (3)
铰链刚度K为
其中
式中，E为材料的弹性模量；w为铰链的厚度；s＝c/t，t为铰链间最小厚度。
由于两个光栅为中心波长一样，两者应变等幅反向，两个光栅温度变化系数一样并处于同一室温下，λB＝λ'B＝λ”Bεf＝ε'1＝-ε'2式中:λ'B、λ”B分别为两个光栅的中心波长，ε′1、ε′2分别为两个光栅应变；由光纤光栅反射定理可知
Δλ/λB＝Δλ'/λ'B-Δλ”/λ”B＝(1-pe)ε'1-(1-pe)ε'2＝2(1-pe)εf (6)
传感器灵敏度S为光纤光栅的中心波长变化量和加速度a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
式中，Pe为弹光系数；λB为光栅的中心波长；εf为光纤应变；在下文中的所指的灵敏度为峰－峰值灵敏度为2S。
传感器谐振频率分析：
谐振频率f是加速度传感器的另一个重要参数，与传感器的可用带宽相关，一般而言，谐振频率变高，传感器可测量的最低频率和最高频率变大，可用频带越宽。反之，可用频带越窄，但是可以测到更低的频率。为了求得传感器的谐振频率，设质量块绕铰链中心转动的转动惯量为J，动力学方程为
得到整个系统的谐振频率为
其中转动惯量为
结构参数影响及优化：
结构参数对传感器的影响，传感器的灵敏度和谐振频率是不可兼得的。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，相应的可测量的频带就会变窄。想要在所需的测量范围内获得更高的灵敏度，则需要对传感器的结构参数进行分析和优化。利用matlab对传感器关键参数b、c、t、e、h进行分析。传感器的材料为304不锈钢，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b和c在t＝0.5mm、1mm和2mm时对传感器灵敏度和谐振频率的影响，令e＝5mm、h＝30mm、2mm≤b≤8mm、2mm≤c≤8mm，得到传感器灵敏度如图3(a)所示，谐振频率如图3(b)所示。
由图3(a)和图3(b)可知当b变化时，灵敏度变化较大，而谐振频率变化较小；当c变化时，灵敏度变化较小，而谐振频率变化较大；而t变化时对灵敏度和谐振频率的影响都很大。
第二组中讨论e和h在t＝0.5mm、1mm和2mm对传感器灵敏度和谐振频率的影响，令b＝5mm、c＝3mm，3mm≤e≤8mm，20mm≤h≤35mm，得到传感器灵敏度如图4(a)所示，谐振频率如图4(b)所示。
由图4(a)和图4(b)可知当e变化时，灵敏度变化较大，而谐振频率变化较小；当h变化时，灵敏度变化较小，而谐振频率变化较大；而t变化时对灵敏度和谐振频率的影响都很大。
结构参数优化：
由图3(a)-图3(b)和图4(a)-图4(b)可知，铰链的结构参数b、c和t发生微小变动时，会引起传感器性能的极大变动，而质量块尺寸e和h在一定范围的变动时，对传感器性能的影响相对较小。为了得到较为理想的灵敏度和谐振频率，取c＝5mm,h＝30mm,采用Lingo优化软件对传感器的铰链参数b、e和t进行最优化设计。优化模型为：
Max S
为了便于加工优化将结果取整数,模型参数如表1所示
表1模型优化参数
有限元分析：为了分析传感器的振动传感特性，使用ANSYS对所设计的传感器进行分析。首先根据优化后参数在solidworks上进行模型的建立，传感器中几个主要部件的材料性能参数见表2，完成后将模型导入ANSYS使用workbench对传感器模型进行模态分析。模型项目，将建立的装配模型导入到workbench中。在ANSYS中模型项目，对模型进行网格划分，将结果分为若干个单元，对壳体下表面施加固定约束，运行后得到效果如图5(a)-图5(b)所示。
表2有限元模型结构材料参数
从图5(a)可以看出，该结构的固有频率为1449Hz,两个质量块的运动方向相反。
从图5(b)可以看出，该结构的二阶模态频率约为2945Hz,与一阶模态频率相差较大。
由图5(a)-图5(b)可以看出其一阶模态频率和二阶模态频率相差较大。而传感器的模态频率越大，其结构刚度越大，因此，一阶模态刚度与二阶模态刚度之间的差异也很大。结果表明，该结构的交叉耦合很小，能够满足传感器测量精度的实际要求。
实验与分析：
标定实验系统包括振动测试系统和解调系统，振动测试系统为振动测试系统，包括激振台、信号发生器和功率放大器。解调系统包括宽带光源、光纤光栅波长解调仪、光纤光栅加速度传感器和服务器。如图6所示，函数发生器发出信号经过功率放大器后驱动激振台输出相应的振动信号，加速度传感器接受到振动信号使反射光谱产生变化，解调仪把光信号转换成电信号完成数据显示。
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。
频率响应实验：频率响应曲线决定传感器的频率测量范围，因此必须对所研制的传感器进行动态标定。在传感器幅频测试中输入10m/s2的加速度作为恒定加速度值，首先测量在15Hz时传感器的波长变化量，然后频率从100Hz开始,每次递增100Hz作为1个步长分别记录波长变化量。拟合结果如图7所示。
结果表明该传感器在15Hz到1000Hz具有较好的平坦度，在约为1500Hz达到了波长变化了的最大值。因为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有限元仿真中材料属性不同，从而导致传感器的一阶频率实验值与理论值不同。
灵敏度系数测试：传感器灵敏度标定选用160Hz、325Hz、495Hz这3个频率作为测试频率，加速度值从1m/s2变化到16m/s2，通过改变激振台的加速度大小，使光纤加速度传感器在不同加速度下运行，绘制波长漂移值随加速度变化曲线。测得传感器在相同激振频率不同加速度下的波长漂移量，通过拟合相同频率下的波长漂移量和加速度测量点之间的线性关系，拟合结果如图8所示。
结果表明该传感器在频率为160Hz、325Hz、495Hz时波长变化量随加速度的提高具有良好的线性度，灵敏度约为18pm/g。
横向抗干扰能力：由于FBG加速度传感器是单自由度的，其横向抗干扰能力也是不可忽视。在实验过程中，调整FBG振动传感器，使其测量方向垂直于激振器的振动方向。振动信号的振幅保持在10m/s2，频率为325Hz，拟合结果如图9所示。
结果表明该传感器敏感方向的漂移量约为20pm，非敏感方向的波长变化量最多不超过1.8pm，由此得出该传感器的横向抗干扰度小于10％。
考虑到FBG在震动监测中的优势，根据微地震中的加速度信号具有的中高频特性设计了一种新型结构的FBG加速度传感器，质量块通过柔性铰链和基座连接，并进行一体化加工。通过数值分析方法讨论了结构参数对传感器固有频率和灵敏度的影响，优化出一种具有较好灵敏度和更宽广的测量范围的FBG加速度传感器。采用有限元仿真分析传感器结构特性，制作传感器实物并对其有效性进行验证。结果表明，该光纤光栅加速度传感器固有频率为1500Hz，传感器灵敏度可达18pm/g，并具有较好的横向抗干扰能力，这为光纤光栅加速度传感器在微地震监测的工程应用提供了一种新的方法。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器，其特征是，包括：
底座、带有惯性质量块的椭圆柔性铰链以及光纤光栅；
所述底座为由两个侧壁及位于两个侧壁之间的连接结构构成，所述两个侧壁之间椭圆柔性铰链以及惯性质量块间隔布置，位于中间的两个质量上表面之间及下表面之间分别粘贴有光纤光栅，下表面的光纤光栅与底座的连接结构为非接触状态。
2.如权利要求1所述的基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器，其特征是，所述加速度传感器为弹簧钢经过线切割和热处理加工而成的一体成型结构。
3.如权利要求1所述的基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器，其特征是，所述光纤光栅粘贴在两个惯性质量块中间，并使光纤光栅有一定的预拉量。
4.如权利要求1所述的基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器，其特征是，所述底座为U形结构。
5.如权利要求1所述的基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器，其特征是，所述椭圆柔性铰链为三个，惯性质量块为两个，所述底座的一个侧壁通过第一椭圆柔性铰链连接至第一惯性质量块，所述底座的另一个侧壁通过第二椭圆柔性铰链连接至第二惯性质量块，第一惯性质量块与第二惯性质量块之间通过第三椭圆柔性铰链相连。
6.如权利要求5所述的基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器，其特征是，所述第一惯性质量块与第二惯性质量块上表面在同一平面上，与底座的两个侧壁的上表面位于同一平面或者低于底座的两个侧壁的上表面。
7.如权利要求5所述的基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器，其特征是，当振动激励信号加速度作用在传感器敏感方向的时，由于传感器完全对称，第一、第二椭圆柔性铰链相对于第三铰链的位移的大小始终相同。
8.如权利要求5所述的基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器，其特征是，FBG加速度传感器灵敏度为光栅的中心波长变化量和加速度之比。
9.基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器的测量方法，其特征是，包括：
当产生振动时两个质量块同时会围绕各自的铰链作反向的微幅转动；
质量块产生的惯性力带动发生轴向的微小伸缩形变，从而导致FBG反射波长发生漂移。
10.标定实验系统，其特征是，包括振动测试系统和解调系统，振动测试系统包括激振台、信号发生器和功率放大器；
解调系统包括光纤光栅波长解调仪、权利要求1-8任一所述的基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器；
所述信号发生器发出信号经过功率放大器后驱动激振台输出相应的振动信号，加速度传感器接受到振动信号使反射光谱产生变化，光纤光栅波长解调仪把光信号转换成电信号完成数据显示。
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- 2020-08-31 CN CN202010898494.5A patent/CN112014594A/zh active Pending
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