CN113281535A - 一种fbg三维加速度传感器 - Google Patents

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邓夕道
欧阳述鸿
宋力勰
童晓玲
涂彬
曾菲虹
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    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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Abstract

本发明公开了一种FBG三维加速度传感器，其包括：外壳，其内部设有三个导向筒，三个导向筒的轴线分别沿x轴、y轴和z轴布置；加速度计，设置为三个并分设于三个导向筒，加速度计包括质量块、弹性杆件、底座和光纤光栅件，质量块滑动插设于导向筒内，底座固定连接于外壳，弹性杆件的两端分别连接质量块和底座，底座上具有穿线孔，光纤光栅件的一端固定连接质量块，另一端穿过穿线孔并与底座固定连接。通过采用导向筒可限制质量块的径向移动，使得各质量块均只能沿对应的轴向移动，提高了传感器的抗干扰能力，使整个传感器能够更加精准地测量加速度，且上述传感器的结构较为简单，制造成本低。

Description

一种FBG三维加速度传感器
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感监测技术领域，具体涉及一种FBG三维加速度传感器。
背景技术
传统的加速度传感器从原理上一般包括压电、磁电、电容式等电类传感器，但由于电类传感器存在传输距离近、易受电磁干扰、不易于分布式测量等缺点，使得它们在应用上受到限制，无法适应多种复杂的场合。光纤传感作为新型传感技术，其具有灵敏度高、抗电磁干扰、动态范围宽、体积小、重量轻、耐腐蚀、易于网络化和分布式检测等诸多优点。一些光纤式的加速度传感器采用梁式结构，梁式结构利用经典的悬臂梁，光栅全粘贴在悬臂梁上容易使光栅产生啁啾，对加速度的测量会存在一定的横向干扰。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种FBG三维加速度传感器，能够具有较强的抗干扰能力，且结构较为简单。
为实现上述目的，本发明提供一种FBG三维加速度传感器，其包括：外壳，其内部设有三个导向筒，三个所述导向筒的轴线分别沿x轴、y轴和z轴布置；加速度计，设置为三个并分设于三个所述导向筒，所述加速度计包括质量块、弹性杆件、底座和光纤光栅件，所述质量块滑动插设于导向筒内，所述底座固定连接于外壳，所述弹性杆件的两端分别连接质量块和底座，所述底座上具有穿线孔，所述光纤光栅件的一端固定连接质量块，另一端穿过穿线孔并与底座固定连接。
根据本发明所述的一种FBG三维加速度传感器，所述质量块的靠近底座的一侧设有安装筒，所述光纤光栅件的一端设于所述安装筒内。
根据本发明所述的一种FBG三维加速度传感器，所述弹性杆件设置为多个并平行布置，所述加速度计还包括支撑架，各所述弹性杆件均穿设于支撑架，所述光纤光栅件穿设于支撑架。
根据本发明所述的一种FBG三维加速度传感器，所述弹性杆件设置为四个并呈正方形分布，所述支撑架呈十字形，且所述支撑架的四个支段各自穿设有一所述弹性杆件。
根据本发明所述的一种FBG三维加速度传感器，所述外壳的侧壁开设有可供质量块穿过的安装孔，所述底座插设于安装孔。
根据本发明所述的一种FBG三维加速度传感器，所述底座上具有台阶，所述台阶贴设于外壳的外壁，并与外壳通过紧固件固定连接。
根据本发明所述的一种FBG三维加速度传感器，所述外壳的外廓呈正方体型。
根据本发明所述的一种FBG三维加速度传感器，所述光纤光栅件分别与质量块和底座通过粘胶结构固定连接。
根据本发明所述的一种FBG三维加速度传感器，所述粘胶结构的材料设置为环氧树脂。
根据本发明所述的一种FBG三维加速度传感器，所述导向筒的内腔呈圆柱型。
上述方案具有如下至少一个有益效果：通过采用导向筒可限制质量块的径向移动，使得各质量块均只能沿对应的轴向移动，提高了传感器的抗干扰能力，使整个传感器能够更加精准地测量加速度，且上述传感器的结构较为简单，制造成本低。
本发明的附加方面和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
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
图1为本发明实施例的剖视图；
图2为本发明实施例的另一剖视图；
图3为加速度计的结构示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1至图3，一种FBG三维加速度传感器(FBG，Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅)，其包括外壳10和加速度计20，外壳10的内部设置有三个导向筒11，导向筒11与外壳10的内壁固定连接，第一个导向筒11的轴线沿z轴布置，第二个导向筒11的轴线沿y轴布置，第三个导向筒11沿z轴布置。加速度计20设置为三个，每个导向筒11对应设置有一个加速度计20，该加速度计20包括质量块21、弹性杆件22、底座23和光纤光栅件24，质量块21滑动插设于导向筒11内，底座23固定连接于外壳10，弹性杆件22的两端分别连接质量块21和底座23，底座23上具有穿线孔，光纤光栅件24的一端固定连接质量块21，另一端穿过穿线孔并与底座23固定连接。
在装配时，质量块21和导向筒11之间填充润滑剂，以降低质量块21的移动阻力。通过采用导向筒11可限制质量块21的径向移动，使得各质量块21均只能沿对应的轴向移动，提高了传感器的抗干扰能力，使整个传感器能够更加精准地测量加速度，且上述传感器的结构较为简单，制造成本低。
质量块21的靠近底座23的一侧设有安装筒211，光纤光栅件24的一端设于安装筒211内。光纤光栅件24分别与质量块21和底座23通过粘胶结构固定连接，该粘胶结构的材料可设置为环氧树脂。例如，在安装筒211和穿线孔内填充环氧树脂胶，待环氧树脂胶固化后即形成该粘胶结构。此外，光纤光栅件24在封装固定时需要施加一定的预紧力，使得光纤光栅件24保持张紧。
导向筒11的内腔和质量块21均呈圆柱型，以使质量块21的质量分布均匀，利于质量块21的滑动。此外，外壳10的外廓呈正方体型。
弹性杆件22设置为多个并平行布置，加速度计20还包括支撑架25，各弹性杆件22均穿设于支撑架25，光纤光栅件24穿设于支撑架25。例如，弹性杆件22设置为四个并呈正方形分布，支撑架25呈十字形，且支撑架25的四个支段各自穿设有一个弹性杆件22，支撑架25的中部具有通孔，光纤光栅件24穿过该通孔，且光纤光栅件24不与支撑架25进行接触。通过上述结构，支撑架25能够对弹性杆件22起到支撑作用和提供抗扭转的能力，避免出现啁啾现象，使传感器具有高灵敏度。
在一些实施例中，弹性杆件22还可设置为三个，三个弹性杆件22呈正三角形分布，支撑架25可设置为大致呈“Y”字型。或者弹性杆件22设置为六个，六个弹性杆件22呈正六边形分布。
支撑架25位于弹性杆件22的中部，在生产装配时，将质量块21、弹性杆件22和底座23可通过焊接、过盈配合插接等方式固定连接成一个整体，支撑架25固定套设于弹性杆件22，以利于加速度计20的装配。
外壳10的侧壁开设有可供质量块21穿过的安装孔，底座23插设于安装孔，底座23上具有台阶231，台阶231贴设于外壳10的外壁，并与外壳10通过紧固件固定连接，紧固件可设置为螺钉等结构。如此，可将底座23与外壳10固定连接，在安装时，将质量块21穿过安装孔并插设于导向筒11，使得加速度计20的安装较为方便。
如上，本发明具有灵敏度高、线性度好以及精度高的优点，并具有较强的抗干扰能力，此外，其结构简单，易于制造。
本发明的工作原理：
整个加速度传感器放置在特定的环境里，加速度作用在整个传感器上，传感器里的质量块21同时发生共振，导向筒11限制质量块21在径向方向上的位移，在轴向上的自由度不被限制，质量块21只能在共振的影响下沿着轴向震动；在封装时光纤光栅件24上有预应力，质量块21位移使光纤光栅件24发生形变而导致光纤光栅件24中心波长发生偏移；加速度与波长漂移基本成线性变化，通过测量波长漂移量可以确定加速度；将三个方向的加速度矢量求和就可以准确得出空间立体坐标下的实际加速度。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种FBG三维加速度传感器，其特征在于，包括：
外壳，其内部设有三个导向筒，三个所述导向筒的轴线分别沿x轴、y轴和z轴布置；
加速度计，设置为三个并分设于三个所述导向筒，所述加速度计包括质量块、弹性杆件、底座和光纤光栅件，所述质量块滑动插设于导向筒内，所述底座固定连接于外壳，所述弹性杆件的两端分别连接质量块和底座，所述底座上具有穿线孔，所述光纤光栅件的一端固定连接质量块，另一端穿过穿线孔并与底座固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种FBG三维加速度传感器，其特征在于，所述质量块的靠近底座的一侧设有安装筒，所述光纤光栅件的一端设于所述安装筒内。
3.根据权利要求1所述的一种FBG三维加速度传感器，其特征在于，所述弹性杆件设置为多个并平行布置，所述加速度计还包括支撑架，各所述弹性杆件均穿设于支撑架，所述光纤光栅件穿设于支撑架。
4.根据权利要求3所述的一种FBG三维加速度传感器，其特征在于，所述弹性杆件设置为四个并呈正方形分布，所述支撑架呈十字形，且所述支撑架的四个支段各自穿设有一所述弹性杆件。
5.根据权利要求1所述的一种FBG三维加速度传感器，其特征在于，所述外壳的侧壁开设有可供质量块穿过的安装孔，所述底座插设于安装孔。
6.根据权利要求5所述的一种FBG三维加速度传感器，其特征在于，所述底座上具有台阶，所述台阶贴设于外壳的外壁，并与外壳通过紧固件固定连接。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的一种FBG三维加速度传感器，其特征在于，所述外壳的外廓呈正方体型。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的一种FBG三维加速度传感器，其特征在于，所述光纤光栅件分别与质量块和底座通过粘胶结构固定连接。
9.根据权利要求8所述的一种FBG三维加速度传感器，其特征在于，所述粘胶结构的材料设置为环氧树脂。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的一种FBG三维加速度传感器，其特征在于，所述导向筒的内腔呈圆柱型。
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