CN113109592A - 一种悬臂梁式三维fbg加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬臂梁式三维FBG加速度传感器，该传感器包括芯体结构、传感器壳体以及光纤；芯体结构底部与传感器壳体底部固定，光纤固定于芯体结构顶部；芯体结构由底座、立柱以及X、Y、Z三个方向的敏感结构构成；所述光纤设置有第一至第三光纤光栅；当该传感器受到振动时，敏感结构发生形变，从而使光纤光栅发生形变，对应的中心波长发生改变，通过光纤光栅的中心波长偏移量得到传感器所受的三个方向的加速度。本发明具有结构简单、信号传输稳定、适用于低频加速度的测量以及抗横向干扰的优点。

Description

一种悬臂梁式三维FBG加速度传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种悬臂梁式三维FBG加速度传感器。

背景技术

桥梁或是大型建筑结构在地震波、风中或是其他外加载荷的作用下会产生振动，通过对大型建筑结构、防护工程振动信号的实时在线监测可以实现对载荷的识别，并且可以预防或及时应对一些突发事故。三维加速度传感器可以通过测量不同方向的振动信号来分析物体的运动状态，在大型结构健康监测以及航空航天领域具有重要的应用价值。因此研制一款能够应用桁架、桥梁等中低频振动监测领域的三维加速度传感器是具有重大意义的。

目前应用较为广泛加速度传感器多为电磁类传感器，但是在一些特殊的环境中，例如应用在强电磁电场、面积大、温度变化快等的环境下就会存在电磁干扰、无法实现长期实时在线监测、温度漂移大等问题。光纤布拉格光栅FBG加速度传感器作为新型的传感元件，采用光波长信号作为信息传递的媒介，其传输介质以及信号都不受电磁干扰的影响，能很好的弥补电磁类传感器的上述不足。单维FBG加速度传感器因其敏感方向单一而不能很好捕捉外界复杂多变的振动。各种国内外的三维FBG加速度传感器一般都是采用组合式的结构，此种结构一般来说都具有体积以及质量较大、横向抗干扰性差等缺点，极大限制了传感器的应用场合。因此三维FBG加速度传感器的轻量化是目前传感器应用于大型结构健康检测，航空航天设备运行状态检测中时急需解决的一个问题。

此外，普通的组合式三维FBG加速度传感器光纤走线复杂粘贴困难、不便于安装。专利号CN200710151178.6的中国专利“光纤光栅三维加速度/振动传感器”中三个光纤光栅间两两垂直粘贴到悬臂梁上，这使得光纤光栅步线复杂凌乱。专利号CN201120161858.8的中国专利“三维光纤光栅加速度传感器”三个方向的敏感元件为分体式结构，各光栅点之间连接复杂，组装难度较大。

目前常见的FBG加速度传感器主要分为悬臂梁式，顺变柱体，膜片式，柔性铰链式。其中膜片式以及柔性铰链较多应用在高频加速度的测量；顺变柱体类加速度计虽然体积小，但是存在着封装困难、容易产生啁啾、测量精度低、使用寿命短等缺点，因此也较少使用；悬臂梁式结构简单，易于加工，适用于低频加速度的测量，较多应用在桥梁等大型建筑的健康监测中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种悬臂梁式三维FBG加速度传感器，以解决传统三维加速度传感器结构复杂、测量精度低、易受外接环境干扰的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种技术方案：一种悬臂梁式三维FBG加速度传感器，该传感器包括一体式的芯体结构、传感器壳体以及光纤，芯体结构设置于传感器壳体内部，芯体结构底部与传感器壳体底部固定，光纤固定于芯体结构顶部；

所述芯体结构包括底座、立柱、X方向的敏感结构、Y方向的敏感结构以及Z方向的敏感结构，其中立柱、X方向的敏感结构以及Z方向的敏感结构与所述底座固定连接，Y方向的敏感结构与Z方向的敏感结构连接；X方向的敏感结构、Y方向的敏感结构、Z方向的敏感结构分别用于感知X、Y、Z方向的加速度；

其中所述X方向的敏感结构包括相互连接的第一质量块和X向悬臂梁，X向悬臂梁与所述底座连接；所述Z方向的敏感结构包括Z向悬臂梁、第二质量块和第三质量块，Z向悬臂梁固定于底座，第二质量块与Z向悬臂梁连接，第三质量块通过Y向悬臂梁与第二质量块连接，其中Z向悬臂梁包括第一Z向悬臂梁和第二Z向悬臂梁，第一Z向悬臂梁和第二Z向悬臂梁位于所述立柱和X向悬臂梁两侧，呈对称分布；所述第三质量块和Y向悬臂梁构成Y方向的敏感结构；

所述第一质量块、立柱、第二质量块以及第三质量块顶部分别设置有第一至第四光纤沟槽，第一至第四光纤沟槽位于同一直线，所述光纤固定于第一至第四光纤沟槽中；

所述光纤设置有光纤光栅FBG，分别为第一至第三光纤光栅，其中第一光纤光栅设置于第四光纤沟槽和第三光纤沟槽之间，第二光纤光栅设置于第三光纤沟槽和第二光纤沟槽之间，第三光纤光栅设置于第二光纤沟槽和第一光纤沟槽之间。

按上述方案，所述芯体结构材质为304不锈钢。

按上述方案，所述传感器壳体侧面设置有通孔，用于使所述光纤穿过。

按上述方案，所述底座设置有螺纹孔，通过螺栓固定所述芯体结构与传感器壳体。

按上述方案，所述光纤通过环氧树脂胶固定于第一至第四光纤沟槽内。

按上述方案，所述光纤光栅的栅区长度为4.5～5.5mm，反射率大于85％，边模抑制比大于12dB。

按上述方案，所述X方向的敏感结构的灵敏度S_X为：

其中m₃＝ρc₃e₃d₃，m₃为第一质量块的质量，ρ为第一质量块的密度，c₃、d₃、e₃分别为所述第一质量块的长、宽、高，

E_x为X向悬臂梁的弹性模量，I₃为X向悬臂梁的惯性矩

a_x为传感器所受加速度在X方向的分量，λ_B3为第三光纤光栅反射光的中心波长，P_e为光纤有效弹光系数。

按上述方案，所述Y方向的敏感结构的灵敏度S_y为：

其中，m₂为第三质量块的质量，c为第三质量块的长度，l₁为Y向悬臂梁的长，I₁为Y向悬臂梁的惯性矩，I₁＝h₁ ³b₁/12，L为第三质量块的质心到第二质量块与Y向悬臂梁固定点的距离，E_y为Y向悬臂梁的弹性模量，λ_B1为第一光纤光栅反射光的中心波长，P_e为光纤有效弹光系数。

按上述方案，所述Z方向的敏感结构的灵敏度S_z为：

其中，I₂为X向悬臂梁的惯性矩，e为第二质量块和第三质量块的高，I₂＝h₂ ³b₂/6，l为第二光纤光栅两端固定端的距离，m₂为第二质量块和第三质量块的质量，l₂为Z向悬臂梁水平方向的长度，l₁为Y向悬臂梁的长度，L₁为第二质量块的质心和第三质量块的质心之间的距离，L₂为第二质量块到立柱的距离，E_z为Z向悬臂梁的弹性模量，λ_B2为第二光纤光栅反射光的中心波长，P_e为光纤有效弹光系数。

本发明的有益效果是：通过采用一体式的芯体结构，大大减小了传感器的体积和重量，并简化了封装工艺；芯体结构采用悬臂梁式，使芯体结构的结构简单，易于加工，适用于低频加速度的测量；通过采用光纤光栅FBG，使该传感器具有不受电磁干扰、信号传输稳定以及已实现分布式测量的优点；通过在光纤上设置多个光纤光栅以及光纤直线固定的方式，极大地简化了光纤的封装工艺。

附图说明

图1为本发明一实施例的芯体结构示意图；

图2为本发明一实施例的传感器壳体示意图；

图3为本发明一实施例的X方向的敏感结构示意图；

图4为本发明一实施例的Z方向的敏感结构示意图；

图5为本发明一实施例的Y方向的敏感结构示意图；

图6为本发明一实施例的传感器在50Hz下三向灵敏度实验测试曲线；

图7为本发明一实施例的传感器三向灵敏度与激励频率间关系的实验测试曲线；

图8为本发明一实施例的传感器在50Hz下X方向抗横向干扰性能实验结果；

图9为本发明一实施例的传感器在50Hz下Y方向抗横向干扰性能实验结果；

图10为本发明一实施例的传感器在50Hz下Z方向抗横向干扰性能实验结果；

图11为本发明一实施例的传感器在0.1Hz低频振动下的时域响应。

图中：1-底座，102-立柱，2-第三质量块，3-Y向悬臂梁，4-第二质量块，501-第一Z向悬臂梁，502-第二Z向悬臂梁，6-第一质量块，7-X向悬臂梁，8-光纤，9-第一光纤光栅，10-第二光纤光栅，11-第三光纤光栅，12-传感器壳体。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

参见图1，图2，一种悬臂梁式三维FBG加速度传感器，该传感器包括芯体结构、传感器壳体12以及光纤8，芯体结构设置于传感器壳体12内部，芯体结构底部与传感器壳体12底部固定，光纤8固定于芯体结构顶部；

所述芯体结构包括底座101、立柱102、X方向的敏感结构、Y方向的敏感结构以及Z方向的敏感结构，其中立柱102、X方向的敏感结构以及Z方向的敏感结构与底座101固定连接，Y方向的敏感结构与Z方向的敏感结构连接；X方向的敏感结构、Y方向的敏感结构、Z方向的敏感结构分别用于感知X、Y、Z方向的加速度；

其中所述X方向的敏感结构包括相互连接的第一质量块6和X向悬臂梁7，X向悬臂梁7与底座101连接；所述Z方向的敏感结构包括Z向悬臂梁、第二质量块4和第三质量块2，Z向悬臂梁固定于底座101，第二质量块4与Z向悬臂梁连接，第三质量块2通过Y向悬臂梁3与第二质量块4连接，其中Z向悬臂梁包括第一Z向悬臂梁501和第二Z向悬臂梁502，第一Z向悬臂梁501和第二Z向悬臂梁502位于立柱102和X向悬臂梁7两侧，呈对称分布；所述第三质量块2和Y向悬臂梁3构成Y方向的敏感结构；

第一质量块6、立柱102、第二质量块4以及第三质量块2顶部分别设置有第一至第四光纤沟槽，第一至第四光纤沟槽位于同一直线，光纤8固定于第一至第四光纤沟槽中；

光纤8设置有光纤光栅，分别为第一至第三光纤光栅，其中第一光纤光栅9设置于第四光纤沟槽和第三光纤沟槽之间，第二光纤光栅10设置于第三光纤沟槽和第二光纤沟槽之间，第三光纤光栅11设置于第二光纤沟槽和第一光纤沟槽之间。

进一步地，所述芯体结构材质为304不锈钢。

进一步地，传感器壳体12侧面设置有通孔，用于使光纤8穿过。

进一步地，底座101设置有螺纹孔，通过螺栓固定所述芯体结构与传感器壳体12。

进一步地，光纤8通过环氧树脂胶固定于第一至第四光纤沟槽内。

进一步地，所述光纤光栅的栅区长度为4.5～5.5mm，反射率大于85％，边模抑制比大于12dB。

进一步地，所述X方向的敏感结构工作原理为：

参见图3，所述第一质量块6的长、宽、高分别为c₃、d₃、e₃，X向悬臂梁7的长为l₃，横截面尺寸为b₃×h₃；当传感器受到X方向振动时，第一质量块6在惯性力作用下使X向悬臂梁7产生形变，进而使第三光纤光栅11的中心波长发生变化，第三光纤光栅11的形变量Δl₃为：

X向灵敏度S_X为：

其中m₃＝ρc₃e₃d₃，m₃为第一质量块6的质量，ρ为第一质量块6的密度，

E_x为X向悬臂梁7的弹性模量，I₃为X向悬臂梁7的惯性矩，

a_x为传感器所受加速度在X方向的分量，λ_B3为第三光纤光栅11反射光的中心波长，P_e为光纤8有效弹光系数。

进一步地，所述Y方向的敏感结构工作原理为：

参见图5，Y向悬臂梁3的长为l₁，宽为b₁；当传感器收到Y方向振动时，第三质量块2在惯性力的作用下使Y向悬臂梁3产生形变，进而使第一光纤光栅9的中心波长发生变化，第一光纤光栅9的形变量Δl₁为：

Y向灵敏度S_y为：

其中，m₂为第三质量块2的质量，a_y为传感器所受加速度在Y方向的分量，c为第三质量块2的长度，L为第三质量块2的质心到第二质量块4与Y向悬臂梁3固定点的距离，E_y为Y向悬臂梁3的弹性模量，λ_B1为第一光纤光栅9反射光的中心波长，P_e为光纤8有效弹光系数。

进一步地，所述Z方向的敏感结构工作原理为：

参见图4，第二质量块4和第三质量块2尺寸相同，其长、宽、高分别为c、d、e，Z向悬臂梁的长为l₂，横截面尺寸为b₂×h₂；当传感器受到Z方向振动时，第二质量块4和第三质量块2在惯性力作用下使Z向悬臂梁产生形变，进而使第二光纤光栅10的中心波长发生变化，第二光纤光栅10的形变量Δl₂为：

Z向灵敏度S_z为：

其中，I₂＝h₂ ³b₂/6，l为第二光纤光栅10两端固定端的距离，m₂为第二质量块4和第三质量块2的质量，l₂为Z向悬臂梁水平方向的长度，l₁为Y向悬臂梁3的长度，L₁为第二质量块4的质心和第三质量块2的质心之间的距离，L₂为第二质量块4到立柱102的距离，E_z为Z向悬臂梁的弹性模量，λ_B2为第二光纤光栅10反射光的中心波长，P_e为光纤8有效弹光系数。

本实施例还提供了一种上述的悬臂梁式三维FBG加速度传感器的封装工艺，具体步骤如下：

S1、对加工好的芯体结构进行清洗；

S2、根据芯体结构的尺寸确定光纤8上各光纤光栅间的距离，并定制生产。

S3、配比制作环氧树脂胶水，将环氧树脂两种组份胶摇匀，按一定的的质量比称量A组份和B组，随后进行充分的搅拌；

S4、将待粘区域光纤的涂覆层剥除，剥除完成后用无尘纸蘸酒精轻轻进行擦拭，擦除光纤表面残留的少量碎屑。用专用的夹具来固定传感器芯体；将涂覆层剥除后的光纤固定在加热台上保证栅区位置居中并施加微小的预张力使光纤处于绷紧的状态；随后将芯体结构放置在加热装置的升降台上，粗调升降台将光纤沟槽和光栅剥除区对准，调节光纤的拉力并静置一段时间，随后细调升降台使得栅区落入芯体的槽内；将一段尾纤接到光谱仪上记录三个波长的初始值，打开加热装置对传感器进行预热并持续一段时间；最后将调配好的环氧树脂胶依次滴入槽内，待胶变成黑褐色，关闭温控装置，待传感器恢复至室温，取下封装好的传感器并记录下此时的波长值。

S5、将已经封装好的芯体结构从底部固定到传感器壳体上，螺纹连接处涂覆适量螺纹胶来放置螺丝松动；壳体两侧的出纤口装入光纤固定止档头并用胶水固定，将光纤套上保护套管并接上光纤接头。

参见图3、图4、图5，本实施例中芯体结构尺寸具体如下：

为了验证该传感器的检测效果，对本实施例中的传感器进行实验，具体实验如下：

1、灵敏度响应实验

传感器的灵敏度决定了传感器对微弱振动信号的拾取能力，FBG加速度传感器的灵敏度是在一定工作频率下，FBG输出波长变化量与输入加速度的比值。本实施例采用B&K公司LAN-XI振动测试系统作为振动激励系统，分别测试X、Y、Z三个方向上的灵敏度。

图6为激振频率为50Hz时，各个方向的灵敏度测试结果。拟合直线的斜率为传感器的灵敏度，由图可得X向的灵敏度为149pm/g(R2＝0.9991)，Y向的灵敏度为99.5pm/g(R2＝0.999)，Z向的灵敏度为130pm/g(R2＝0.9992)。

图7为传感器在5～800Hz范围三个方向的频率响应，三个峰值对应的频率值分别在400Hz、600Hz、700Hz即为其对应方向的传感器固有频率，同时可以看到传感器在5～120Hz有着比较稳定的灵敏度，验证了传感器能够在此频率范围内正常工作。

2、传感器横向抗干扰能力实验

振动信号属于矢量信号，具有方向性，所以对于三维FBG加速度传感器必须考虑交叉灵敏度，即其各方向上的横向抗干扰能力。本实施例采用B&K公司LAN-XI振动测试系统作为振动激励系统，分别测试X、Y、Z三个方向上的横向抗干扰能力，正弦激励频率为50Hz、最大值为1g、采样率为2000Hz。

图8、图9、图10分别为X、Y、Z方向抗横向干扰性能实验结果。从图中可得只有传感器在受到Z向振动时，Y向会受到较大的干扰，约为10％。X、Y方向均具有较高的横向抗干扰性能，分别为2％、3％。因此传感器总体来说具有良好的抗横向干扰性能，使用性能可靠。

3、低频响应实验

外界的激励通常会受到噪声的影响而使得传感器的实际响应和外界的激励有微小的差别，这种现象在低频振动领域更为明显。通常来说低频信号的振动幅值较小，会导致传感器采集到的波长信号会有明显的杂波干扰。本实施例采用气动滑台往复运动实现低于5Hz振动的低频响应性能测试。

图11为传感器在0.1Hz下采集到的波形。在0.1Hz的振动下虽然无法得到理想的正弦响应，但是经过滤波处理之后的波形可以对原始的信号进复现，这表明传感器在低频范围内也可以拾取到外界的振动信号，因此具有应用在低频振动测量的价值，因此也可应用在桁架、桥梁等固频率较低的结构的健康监测中。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种悬臂梁式三维FBG加速度传感器，其特征在于：该传感器包括一体式的芯体结构、传感器壳体以及光纤，芯体结构设置于传感器壳体内部，芯体结构底部与传感器壳体底部固定，光纤固定于芯体结构顶部；

所述芯体结构包括底座、立柱、X方向的敏感结构、Y方向的敏感结构以及Z方向的敏感结构，其中立柱、X方向的敏感结构以及Z方向的敏感结构与所述底座固定连接，Y方向的敏感结构与Z方向的敏感结构连接；X方向的敏感结构、Y方向的敏感结构、Z方向的敏感结构分别用于感知X、Y、Z方向的加速度；

其中所述X方向的敏感结构包括相互连接的第一质量块和X向悬臂梁，X向悬臂梁与所述底座连接；所述Z方向的敏感结构包括Z向悬臂梁、第二质量块和第三质量块，Z向悬臂梁固定于底座，第二质量块与Z向悬臂梁连接，第三质量块通过Y向悬臂梁与第二质量块连接，其中Z向悬臂梁包括第一Z向悬臂梁和第二Z向悬臂梁，第一Z向悬臂梁和第二Z向悬臂梁位于所述立柱和X向悬臂梁两侧，呈对称分布；所述第三质量块和Y向悬臂梁构成Y方向的敏感结构；

所述第一质量块、立柱、第二质量块以及第三质量块顶部分别设置有第一至第四光纤沟槽，第一至第四光纤沟槽位于同一直线，所述光纤固定于第一至第四光纤沟槽中；

所述光纤设置有光纤光栅FBG，分别为第一至第三光纤光栅，其中第一光纤光栅设置于第四光纤沟槽和第三光纤沟槽之间，第二光纤光栅设置于第三光纤沟槽和第二光纤沟槽之间，第三光纤光栅设置于第二光纤沟槽和第一光纤沟槽之间。

2.根据权利要求1所述的悬臂梁式三维FBG加速度传感器，其特征在于：所述芯体结构材质为304不锈钢。

3.根据权利要求1所述的悬臂梁式三维FBG加速度传感器，其特征在于：所述传感器壳体侧面设置有通孔，用于使所述光纤穿过。

4.根据权利要求1所述的悬臂梁式三维FBG加速度传感器，其特征在于：所述底座设置有螺纹孔，通过螺栓固定所述芯体结构与传感器壳体。

5.根据权利要求1所述的悬臂梁式三维FBG加速度传感器，其特征在于：所述光纤通过环氧树脂胶固定于第一至第四光纤沟槽内。

6.根据权利要求1所述的悬臂梁式三维FBG加速度传感器，其特征在于：所述光纤光栅的栅区长度为4.5～5.5mm，反射率大于85％，边模抑制比大于12dB。

7.根据权利要求1所述的悬臂梁式三维FBG加速度传感器，其特征在于：所述X方向的敏感结构的灵敏度S_X为：

其中m₃＝ρc₃e₃d₃，m₃为第一质量块的质量，ρ为第一质量块的密度，c₃、d₃、e₃分别为所述第一质量块的长、宽、高，

E_x为X向悬臂梁的弹性模量，I₃为X向悬臂梁的惯性矩

a_x为传感器所受加速度在X方向的分量，λ_B3为第三光纤光栅反射光的中心波长，P_e为光纤有效弹光系数。

8.根据权利要求1所述的悬臂梁式三维FBG加速度传感器，其特征在于：所述Y方向的敏感结构的灵敏度S_y为：

其中，m₂为第三质量块的质量，c为第三质量块的长度，l₁为Y向悬臂梁的长，I₁为Y向悬臂梁的惯性矩，I₁＝h₁ ³b₁/12，L为第三质量块的质心到第二质量块与Y向悬臂梁固定点的距离，E_y为Y向悬臂梁的弹性模量，λ_B1为第一光纤光栅反射光的中心波长，P_e为光纤有效弹光系数。

9.根据权利要求1所述的悬臂梁式三维FBG加速度传感器，其特征在于：所述Z方向的敏感结构的灵敏度S_z为：

其中，I₂为X向悬臂梁的惯性矩，e为第二质量块和第三质量块的高，I₂＝h₂ ³b₂/6，l为第二光纤光栅两端固定端的距离，m₂为第二质量块和第三质量块的质量，l₂为Z向悬臂梁水平方向的长度，l₁为Y向悬臂梁的长度，L₁为第二质量块的质心和第三质量块的质心之间的距离，L₂为第二质量块到立柱的距离，E_z为Z向悬臂梁的弹性模量，λ_B2为第二光纤光栅反射光的中心波长，P_e为光纤有效弹光系数。

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