CN112097968A - 一种光纤压力和加速度传感器及其安装标定方法 - Google Patents

一种光纤压力和加速度传感器及其安装标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光纤压力和加速度传感器及其安装标定方法，涉及光纤传感器技术领域，其包括贯穿外壳的光纤弦式应变传感器和温度补偿传感器，外壳内设置有边缘厚中间薄的感振膜片，感振膜片的下端通过光纤支架沿边缘支撑，感振膜片上端的中部固定有质量块，光纤弦式应变传感器从光纤支架、感振膜片和质量块的中间沿轴向贯穿且光纤弦式应变传感器预拉伸后分别与光纤支架底端内壁和感振膜片内壁粘接。解决了现有技术中光纤传感器检测加速度和压力时灵敏度低的问题，还可以测量压力和加速度两个物理量。本发明的压力和加速度传感器不受外界环境的干扰，抗电磁干扰能力强。

Description

一种光纤压力和加速度传感器及其安装标定方法
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，特别是涉及一种光纤压力和加速度传感器及其安装标定方法。
背景技术
随光纤传感技术发展，光纤传感器因其体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀等诸多优点，因此被广泛应用在航空工程、机械振动、桥梁大坝等领域，常被用来作各机械结构的安全监测。振动是指在外力作用下物体沿直线或弧线以中心位置为基准的往复运动，它在生活中无处不在，尤其是在工程技术领域，振动现象对工业生产有很大影响。很多微小振动对机械设备都会造成损伤破坏，因此需要高灵敏度的传感器实时其安装标定设备的运行状态。目前的很多光纤加速度/压力传感器的结构为弦式，悬臂梁式和几种结构组合的复合式结构，灵敏度还有待提高。此外，压力在很多机械装置中无处不在，压力的大小会严重影响装置器件的使用。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种光纤压力和加速度传感器及其安装标定方法，解决了现有技术中的光纤传感器检测加速度的灵敏度低的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供一种光纤压力和加速度传感器，其包括贯穿外壳的光纤弦式应变传感器和温度补偿传感器，外壳内设置有边缘厚中间薄的感振膜片，感振膜片的下端通过光纤支架支撑，感振膜片上端的中部固定有质量块，光纤弦式应变传感器从光纤支架、感振膜片和质量块的中间沿轴向贯穿且光纤弦式应变传感器预拉伸后分别与光纤支架底端内壁和感振膜片内壁粘接。
上述光纤压力和加速度传感器的安装标定方法包括：
S1，在石英光纤上使用紫外光刻写光栅，并筛选出光谱性能最好的两个光纤光栅分别作为光纤弦式应变传感器和温度补偿传感器；
S2，组装光纤压力和加速度传感器；
S3，将光纤压力和加速度传感器安装在振动台上，通过振动台的信号发生器产生一定加速度值和幅值的振动信号，通过FBG解调仪解调得到光纤弦式应变传感器和温度补偿传感器的反射光谱，记录加速度值与反射光谱波长的对应值；
S4，振动台给待测物产生一定的外界激励，并计算在外界激励振动作用下，光纤弦式应变传感器和温度补偿传感器中心波长的变化差值ΔλB：
Figure BDA0002645892430000021
Figure BDA0002645892430000022
Figure BDA0002645892430000023
其中，ΔλB1和ΔλB2分别是振动引起的光纤弦式应变传感器和温度补偿传感器的中心波长变化量，λB11和
Figure BDA0002645892430000024
分别是光纤弦式应变传感器受应变变化和温度影响后以及温度补偿传感器受温度影响后的中心波长，
Figure BDA0002645892430000025
和
Figure BDA0002645892430000026
分别是光纤弦式应变传感器和温度补偿传感器的初始波长，KT为温度系数，Kε为振动引起得光纤光栅弦向应变系数，ΔT和Δε分别为波长和应变改变量；
S5，进行多次试验并对得到的数据进行拟合后得到中心波长变化差值ΔλB与对应的外界激励信号的加速度值的关系。
本发明的有益效果为：通过将本光纤压力和加速度传感器固定到待测物体表面，当待测物体受到外界激振作用，质量块发生位移变化，带动感振膜片拉伸或压缩，进而拉伸或压缩光纤弦式应变传感器，使得检测到的光纤弦式应变传感器的反射波长漂移，将反射波长的变化量与外界激振的加速度值和压力值对应，从而可以通过检测到的反射波长的变化量得到待测物受到的振动的加速度和压力值，同时，将时域的波长变化量做傅里叶变化可以得到振动频率值，从而达到检测振动加速度值和振动频率值。
本传感器能够对加速度和压力两种物理量检测，其中的光纤支架可有效避免测量时外界环境干扰，传感器灵敏度更高，抗电磁干扰能力更强。
附图说明
图1为光纤压力和加速度传感器的轴剖图。
图2为图1中质量块的仰视图。
其中，1、外壳；11、轴孔；12、盖板；13、安装板；2、光纤弦式应变传感器；3、温度补偿传感器；4、感振膜片；5、光纤支架；51、支架底板；52、锥形罩；6、质量块；61、平面螺旋凹槽。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1、图2所示，该光纤压力和加速度传感器包括贯穿外壳1的光纤弦式应变传感器2和温度补偿传感器3，外壳1内设置有边缘厚中间薄的感振膜片4，感振膜片4的下端通过光纤支架5沿边缘支撑，感振膜片4上端的中部固定有质量块6，光纤弦式应变传感器2从光纤支架5、感振膜片4和质量块6的中间沿轴向贯穿且光纤弦式应变传感器2预拉伸后分别与光纤支架5底端内壁和感振膜片4内壁粘接。
感振膜片4包括外环和固定于外环内壁上的圆盘式薄片，薄片的厚度为 0.2～0.5mm，光纤支架5的锥形罩52的顶面与外环的底面粘接或焊接，外环的外圆柱面与外壳1的内壁螺纹连接、粘接或焊接，质量块6安装于薄片顶面的中心位置上。
感振膜片4中间的顶面上一体成型有平面螺旋凸台，质量块6的底面上加工有与供平面螺旋凸台嵌入的平面螺旋凹槽，平面螺旋凸台的顶面紧贴于平面螺旋凹槽的顶面，平面螺旋凸台的外壁面紧贴于平面螺旋凸台的凹槽的内壁面。感振膜片4与质量块6通过平面螺旋凸台与平面螺旋凹槽的配合，增大了感振膜片4与质量块6的接触面，使质量块6与感振膜片4的一体性更好，同时由于质量块6是嵌入感振膜片4中，又不会影响感振膜片4的灵敏性。感振膜片4 与质量块6粘接。
光纤支架5包括固定连接为一体的支架底板51和锥形罩52，锥形罩52的大径端面与感振膜片4的底面固定连接。通过锥形罩52支撑在感振膜片4的边缘上，支架底板51不仅便于粘贴光纤弦式应变传感器，同时锥形罩52能够为光纤弦式应变传感器提供足够的空间以避免光纤支架5受到外界激励时挤压光纤弦式应变传感器发生应变。
感振膜片4的外径不小于锥形罩52的大径端外径，使得感振膜片4的外壁面能够充分与外壳1的内壁接触并固定，在外界激励作用下，感振膜片4中间固定质量块6部分的位移的灵敏度更高。温度补偿传感器3设置于质量块6外侧并贯穿感振膜片4和光纤支架5。
感振膜片4的边缘固定连接于壳体1的轴孔11中，轴孔11贯穿壳体1的顶端并通过螺纹等可拆卸连接方式连接的盖板12密封，外壳1的底端固定有安装板13，安装板13能够通过螺纹紧固件连接到待测物上。
光纤弦式应变传感器2为光纤光栅应变传感器或光纤珐珀应变传感器，温度补偿传感器3为光纤光栅传感器。
上述光纤压力和加速度传感器的安装标定方法包括：
S1，在石英光纤上使用紫外光刻写光栅，并筛选出光谱性能最好的两个光纤光栅分别作为光纤弦式应变传感器2和温度补偿传感器3。
S2，将光纤弦式应变传感器2穿过光纤支架5并与支架底板51的内孔壁粘接，然后将感振膜片4套在光纤弦式应变传感器2上，将感振膜片4与光纤支架锥形罩52的大径端粘接，对光纤弦式应变传感器2预拉伸后与感振膜片4的内孔壁粘接，再将质量块6套在光纤弦式应变传感器2上并与感振膜片4粘接，将温度补偿传感器3松散地穿过光纤支架5和感振膜片4后形成整个感应模块，将感应模块放入到壳体的轴孔11内并将感振膜片4的外圆柱面与轴孔11的内壁粘接或焊接，然后盖上盖板12，完成光纤压力和加速度传感器的组装。经过预拉伸的光纤弦式应变传感器2能够避免产生啁啾效应。
S3，将光纤压力和加速度传感器安装在振动台的待测物上，通过振动台的信号发生器产生一定加速度值和幅值的振动信号，通过FBG解调仪解调得到光纤弦式应变传感器和温度补偿传感器的反射光谱，记录加速度值与反射光谱波长的对应值。
S4，振动台给待测物产生一定的外界激励，质量块的振动引起感振膜片变形并发生位移，从而引起光纤弦式应变传感器弦向的拉伸或压缩，产生弦向应变，这种应变使光纤光栅的波长发生漂移，通过式(1)、(2)和式(3)计算得到在外界激励振动作用下，光纤弦式应变传感器和温度补偿传感器中心波长变化差值ΔλB，利用温度补偿传感器3消除温度变化的影响，使得到的值更准确：
Figure BDA0002645892430000061
Figure BDA0002645892430000062
Figure BDA0002645892430000063
其中，ΔλB1和ΔλB2分别是振动引起的光纤弦式应变传感器和温度补偿传感器的中心波长变化量，λB11和
Figure BDA0002645892430000064
分别是光纤弦式应变传感器受应变变化和温度影响后以及温度补偿传感器受温度影响后的中心波长，
Figure BDA0002645892430000065
和
Figure BDA0002645892430000066
分别是光纤弦式应变传感器和温度补偿传感器的初始波长，KT为温度系数，Kε为振动引起得光纤光栅弦向应变系数，ΔT和Δε分别为波长和应变改变量。
S5，进行多次试验，每次试验都会得到一个中心波长变化差值ΔλB和对应的外界激励信号的加速度值，通过对得到的这些数据通过excel或matlab进行数据拟合，从而得到中心波长变化差值ΔλB与对应的外界激励信号的加速度值的关系，从而完成本传感器的标定。标定以后的本传感器用于加速度检测时，通过解调仪解调出的中心波长变化差值ΔλB可以得到振动加速度值。
将光纤压力和加速度传感器用于压力检测时，可以去掉或保留感振膜片4 上方的质量块6，其他结构与上述光纤压力和加速度传感器的结构相同。在压力作用下，使感振膜片4发生变形，使光纤弦式应变传感器2拉伸或压缩，其标定方法与上述测加速度传感器的标定方法相同，找到施加的压力值与波长漂移的对应关系，从而完成标定。标定以后的本传感器用于压力检测时，通过解调仪解调出的中心波长变化差值ΔλB可以得到压力值。

Claims (9)

1.一种光纤压力和加速度传感器，其特征在于，包括贯穿外壳(1)的光纤弦式应变传感器(2)和温度补偿传感器(3)，所述外壳(1)内设置有边缘厚中间薄的感振膜片(4)，所述感振膜片(4)的下端通过光纤支架(5)支撑，所述感振膜片(4)上端的中部安装有质量块(6)，所述光纤弦式应变传感器(2)从所述光纤支架(5)、感振膜片(4)和质量块(6)的中间沿轴向贯穿且所述光纤弦式应变传感器(2)预拉伸后分别与所述光纤支架(5)底端内壁和所述感振膜片(4)内壁粘接。
2.根据权利要求1所述的光纤压力和加速度传感器，其特征在于，所述感振膜片(4)包括外环和固定于外环内壁上的圆盘式薄片，所述光纤支架(5)支撑于所述外环上，所述质量块(6)安装于所述薄片上。
3.根据权利要求1所述的光纤压力和加速度传感器，其特征在于，所述感振膜片(4)中间的顶面上一体成型有平面螺旋凸台，所述质量块(6)的底面上加工有供所述平面螺旋凸台嵌入的平面螺旋凹槽，所述平面螺旋凸台的顶面紧贴于所述平面螺旋凹槽的顶面，所述平面螺旋凸台的外壁面紧贴于所述所述平面螺旋凸台的凹槽的内壁面。
4.根据权利要求1所述的光纤压力和加速度传感器，其特征在于，所述光纤支架(5)包括固定连接为一体的支架底板(51)和锥形罩(52)，所述锥形罩(52)的大径端面与所述感振膜片(4)的底面固定连接。
5.根据权利要求4所述的光纤压力和加速度传感器，其特征在于，所述感振膜片(4)的外径不小于所述锥形罩(52)的大径端外径。
6.根据权利要求1所述的光纤压力和加速度传感器，其特征在于，所述温度补偿传感器(3)设置于所述质量块(6)外侧并贯穿所述感振膜片(4)和所述光纤支架(5)。
7.根据权利要求1所述的光纤压力和加速度传感器，其特征在于，所述感振膜片(4)的边缘固定连接于所述壳体(1)的轴孔(11)中，所述轴孔(11)贯穿所述壳体(1)的顶端并通过可拆卸连接的盖板(12)密封，所述外壳(1)的底端固定有安装板(13)。
8.根据权利要求1所述的光纤压力和加速度传感器，其特征在于，所述光纤弦式应变传感器(2)为光纤光栅应变传感器或光纤珐珀应变传感器。
9.一种权利要求1～8任一所述的光纤压力和加速度传感器的安装标定方法，其包括：
S1，在石英光纤上使用紫外光刻写光栅，并筛选出光谱性能最好的两个光纤光栅分别作为光纤弦式应变传感器和温度补偿传感器；
S2，组装光纤压力和加速度传感器；
S3，将光纤压力和加速度传感器安装在振动台的待测物上，通过振动台的信号发生器产生一定加速度值和幅值的振动信号，通过FBG解调仪解调得到光纤弦式应变传感器和温度补偿传感器的反射光谱，记录加速度值与反射光谱波长的对应值；
S4，振动台给待测物产生一定的外界激励，并计算在外界激励振动作用下，光纤弦式应变传感器和温度补偿传感器的中心波长变化差值ΔλB：
Figure FDA0002645892420000024
Figure FDA0002645892420000025
Figure FDA0002645892420000026
其中，ΔλB1和ΔλB2分别是振动引起的光纤弦式应变传感器和温度补偿传感器的中心波长变化量，λB11和
Figure FDA0002645892420000021
分别是光纤弦式应变传感器受应变变化和温度影响后以及温度补偿传感器受温度影响后的中心波长，
Figure FDA0002645892420000022
和
Figure FDA0002645892420000023
分别是光纤弦式应变传感器和温度补偿传感器的初始波长，KT为温度系数，KB为振动引起得光纤光栅弦向应变系数，ΔT和Δε分别为波长和应变的改变量；
S5，进行多次试验并对得到的数据进行拟合后得到中心波长变化差值ΔλB与对应的外界激励信号的加速度值的关系。
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