CN113624324B - 空心三角梁式光纤光栅振动传感器 - Google Patents

空心三角梁式光纤光栅振动传感器 Download PDF

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Abstract

一种空心三角梁式光纤光栅振动传感器，长度相等的第一梁、第二梁、第三梁首尾相接构成等边三角形悬臂梁，第一梁和第二梁的连接端上设置有质量块和光纤的一端，光纤的另一端设置在第三梁上，光纤的中心线过等边三角形悬臂梁的中心点，光纤中部刻写有光栅，光栅呈悬空状态。本发明具有成本低、抗横向干扰、灵敏度高的优点。

Description

空心三角梁式光纤光栅振动传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及到一种空心三角梁式光纤光栅振动传感器。
背景技术
用于地震波检测的地震勘探技术也是解决油气资源最有效的方法之一。光纤振动传感器比传统的振动传感器抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠等诸多优点。而在光纤传感器中，FBG传感器是使用最多、范围最广的光纤传感器，在其光纤传感器优点的基础上还有信号稳定、可多路复用等优点。基于布拉格光栅的加速度光纤振动传感器的原理为当传感器接收到振动信号时，质量惯性块发生位移；在阻尼块和弹性体的共同作用下，光纤产生轴向应变，光纤光栅的中心波长随之改变而达到测量振动的效果。FBG地震检波器的结构类型包含悬臂梁式和膜片式等，而其中FBG地震检波器最常用的结构为悬臂梁式，其结构简单且易于实现。但如何提高横向抗干扰能力、提高灵敏度是传统的悬臂梁式光纤光栅传感器进一步发展亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有光纤光栅振动传感器的缺点，提供一种设计合理、成本低、抗横向干扰、灵敏度高的空心三角梁式光纤光栅振动传感器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种空心三角梁式光纤光栅振动传感器，长度相等的第一梁、第二梁、第三梁首尾相接构成等边三角形悬臂梁，第一梁和第二梁的连接端上设置有质量块和光纤的一端，光纤的另一端设置在第三梁上，光纤的中心线过等边三角形悬臂梁的中心点，光纤中部刻写有光栅，光栅呈悬空状态。
作为一种优选的技术方案，所述的第一梁的横截面为梯形，梯形的上底长度为35～45mm、下底为55～65mm，第一梁的厚度为5～15mm，第二梁的结构与第一梁相同。
作为一种优选的技术方案，所述的第三梁为T形结构，厚度为5～15mm。
作为一种优选的技术方案，所述的长度相等的第一梁、第二梁、第三梁首尾相接构成的等边三角形悬臂梁通过3D打印技术一体成型。
本发明的有益效果如下：
本发明采用第一梁、第二梁、第三梁首尾相接构成等边三角形梁，利用三角形具有稳定性的特点，使本发明横向抗干扰能力较强，并且采用空心三角悬臂梁式，提高了传感器的灵敏度，第三梁采用T形结构，尽可能减小光纤光栅两封装点之间的封装距离，从而增加灵敏度以及避免啁啾现象，本发明的第一梁、第二梁、第三梁通过3D打印技术一体成型，通过调节质量块质量来调节传感器参数，具有操作方便、结构简单的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明频率为96.806Hz一阶振型仿真图。
图3是本发明频率为716.46Hz二阶振型仿真图。
图4是本发明频率为922.2Hz三阶振型仿真图。
图5是本发明频率为2675.5Hz四阶振型仿真图。
图6是本发明频率为2924.7Hz五阶振型仿真图。
图7是本发明频率为6084.4Hz六阶振型仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
在图1中，本发明的空心三角梁式光纤光栅振动传感器由第一梁1、质量块2、光纤3、第二梁4、第三梁6连接构成，第一梁1的横截面为梯形，梯形的上底长度为40mm、下底为60mm，第一梁1的厚度为10mm，第二梁4的结构与第一梁1相同，第三梁6为T形结构，第三梁6的横杆的长度为60mm、厚度为10mm，第三梁6的竖杆用于固定光纤3，第一梁1、第二梁4、第三梁6的横杆首尾相接构成等边三角形悬臂梁，三角形悬臂梁的内圈是边长为40mm的等边三角形、外圈是边长为60mm的等边三角形，第一梁1和第二梁4的连接端上用螺纹紧固连接件固定安装有质量块2和用胶固定有光纤3的一端，质量块2的重量为5g，光纤3的另一端用胶固定在第三梁6的竖杆上，光纤3两粘贴点之间的距离为10mm，光纤3的中心线过三角形悬臂梁的中心点，光纤3中部刻写有光栅5，光栅5呈悬空状态，光栅5的栅区长度为10mm，中心波长为1550.223nm。
本实施例的灵敏度S为
式中，ε0为光纤3在静止状态下产生的应变，ε0＝1.653×10-3，Pe为光纤3的有效弹性系数，Pe＝0.22，λB为光栅5的中心波长，λB＝1550.223nm，M为传感器的等效质量，M＝5.56×10-3kg，Ef为光纤3的杨氏模量，Ef＝73Gpa,Af为光纤3的横截面积，Af＝1.227×10-8m2，L为光纤3两点粘贴的距离，L为10mm，Keff为传感器的等效刚度，Keff为1467.42，得出本发明的灵敏度S＝239.44pm/G，相较于传统的光纤光栅振动传感器，此传感器具有灵敏度高的优点。
实施例2
在本实施例中，第一梁1的横截面为梯形，梯形的上底长度为35mm、下底为55mm，第一梁1的厚度为5mm，第二梁4的结构与第一梁1相同，第三梁6为T形结构，第三梁6的横杆的长度为55mm、厚度为5mm，第三梁6的竖杆用于固定光纤3，第一梁1、第二梁4、第三梁6的横杆首尾相接构成等边三角形悬臂梁，三角形悬臂梁的内圈是边长为35mm的等边三角形、外圈是边长为55mm的等边三角形，第一梁1和第二梁4的连接端上用螺纹紧固连接件固定安装有质量块2和用胶固定有光纤3的一端，质量块2的重量为5g，光纤3的另一端用胶固定在第三梁6的竖杆上，光纤3两粘贴点之间的距离为10mm，光纤3的中心线过三角形悬臂梁的中心点，光纤3中部刻写有光栅5，光栅5呈悬空状态，光栅5的栅区长度为10mm，中心波长为1550.223nm。
实施例3
在本实施例中，第一梁1的横截面为梯形，梯形的上底长度为45mm、下底为65mm，第一梁1的厚度为15mm，第二梁4的结构与第一梁1相同，第三梁6为T形结构，第三梁6的横杆的长度为65mm、厚度为15mm，第三梁6的竖杆用于固定光纤3，第一梁1、第二梁4、第三梁6的横杆首尾相接构成等边三角形悬臂梁，三角形悬臂梁的内圈是边长为45mm的等边三角形、外圈是边长为65mm的等边三角形，第一梁1和第二梁4的连接端上用螺纹紧固连接件固定安装有质量块2和用胶固定有光纤3的一端，质量块2的重量为5g，光纤3的另一端用胶固定在第三梁6的竖杆上，光纤3两粘贴点之间的距离为10mm，光纤3的中心线过三角形悬臂梁的中心点，光纤3中部刻写有光栅5，光栅5呈悬空状态，光栅5的栅区长度为10mm，中心波长为1550.223nm。
为了验证本发明的有益效果，发明人采用实施例1的技术方案进行了横向抗干扰性仿真实验：
依次采用频率为96.806Hz、716.46Hz、922.2Hz、2675.5Hz、2924.7Hz、6084.4Hz进行了六阶仿真实验，得到如图2～7的振型图，由图2～7的振型图可知悬臂梁并未发生左右扭转，证明本发明横向抗干扰能力强。

Claims (3)

1.一种空心三角梁式光纤光栅振动传感器，其特征在于：长度相等的第一梁(1)、第二梁(4)、第三梁(6)首尾相接构成等边三角形悬臂梁，第一梁(1)和第二梁(4)的连接端上设置有质量块(2)和光纤(3)的一端，光纤(3)的另一端设置在第三梁(6)上，光纤(3)的中心线过等边三角形悬臂梁的中心点，光纤(3)中部刻写有光栅(5)，光栅(5)呈悬空状态；所述的第三梁(6)为T形结构，厚度为5～15mm；
所述传感器的灵敏度S为
式中，ε0为光纤(3)在静止状态下产生的应变，Pe为光纤(3)的有效弹性系数，λB为光栅(5)的中心波长，M为传感器的等效质量，Ef为光纤(3)的杨氏模量，Af为光纤(3)的横截面积，L为光纤(3)两点粘贴的距离，Keff为传感器的等效刚度。
2.根据利要求1所述的空心三角梁式光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述的第一梁(1)的横截面为梯形，梯形的上底长度为35～45mm、下底为55～65mm，第一梁(1)的厚度为5～15mm，第二梁(4)的结构与第一梁(1)相同。
3.根据利要求1所述的空心三角梁式光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述的长度相等的第一梁(1)、第二梁(4)、第三梁(6)首尾相接构成的等边三角形悬臂梁通过3D打印技术一体成型。
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