CN114217092A - 基于膜片和椭圆铰链的fbg加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于膜片和椭圆铰链的FBG加速度传感器，包括上膜片、下膜片、芯体和FBG光栅，芯体包括质量块、两个支撑件和四个椭圆柔性铰链；质量块连接上膜片和下膜片；两个支撑件和四个椭圆柔性铰链平均分为两组，对称分布在质量块的两侧；每组铰链的第一椭圆柔性铰链固定在质量块上，第二椭圆柔性铰链水平固定在第一椭圆柔性铰链的外侧，支撑件则位于两椭圆柔性铰链之间；至少一个FBG光栅通过支撑件固定于椭圆柔性铰链的上方。本发明在椭圆柔性铰链的基础上加以膜片提高传感器振动系统的弹性刚度，从而提高工作频率。另外，在同一根FBG上应用多段光纤光栅，不仅能达到了灵敏度倍增的效果，还能可以消除噪声，提高精度，减少误差。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅传感器技术领域，具体涉及一种基于膜片和椭圆铰链的FBG加速度传感器。
背景技术
传统的加速度传感器多为电磁类传感器，存在着电磁干扰大、在线监测难、温漂大等一系列的问题。与传统的加速度传感器相比，光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器作为新型的传感元件，采用光波长信号进行信息传递，能很好的弥补电磁类传感器的上述不足，具有抗电磁干扰(EMI)、易于远距离传输、在恶劣条件中长期稳定等优点。
目前常用的FBG加速度传感器主要有悬臂梁式、弹性膜片式和铰链式。基于悬臂梁和金属膜片式的FBG加速度传感器由于其自身结构的特点，工作带宽都比较窄，只能用于低频振动信号测试领域，并且结构比较复杂，封装难度较大，限制了其应用。而柔性铰链由于无磨损，无机械摩擦，加工简单等优点，在光纤光栅加速度结构中使用能够提升其传感器的性能。但目前的柔性铰链应用中，高频与高灵敏度难以同时兼顾。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于膜片和椭圆铰链的FBG加速度传感器，解决高工作频率与高灵敏度难以同时兼顾的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于膜片和椭圆铰链的FBG加速度传感器，包括上膜片、下膜片、芯体和FBG光栅，芯体包括质量块、两个支撑件和四个椭圆柔性铰链；
其中，质量块连接上膜片和下膜片；两个支撑件和四个椭圆柔性铰链平均分为两组，对称分布在质量块的两侧；每组椭圆柔性铰链均包括第一椭圆柔性铰链和第二椭圆柔性铰链，第一椭圆柔性铰链固定在质量块上，第二椭圆柔性铰链水平固定在第一椭圆柔性铰链的外侧，支撑件则位于第一椭圆柔性铰链和第二椭圆柔性铰链之间；
至少一段FBG光栅通过支撑件固定于椭圆柔性铰链的上方。
进一步，上膜片与下膜片的厚度越厚，传感器工作频率越高；上膜片与下膜片的半径越小，传感器工作频率越高。
进一步，FBG光栅固定在质量块与支撑件之间。更进一步，质量块与支撑件的顶部均设有凹槽，FBG光栅两端固定在凹槽中。FBG光栅两端通过粘贴剂353ND固定在质量块与支撑件顶部的凹槽中。
进一步，该传感器还包括用于封装的外壳，外壳包括上端盖、壳体和下端盖，壳体连接上端盖和下端盖；壳体包括相互连接的上壳体和下壳体。下膜片通过激光焊接固定在下壳体的底部。更进一步，FBG光栅为四个；其中两个FBG光栅固定在质量块与支撑件之间，另两个FBG光栅固定在支撑件与壳体之间。质量块和壳体上均设有光纤孔，支撑件上设有与光纤孔齐平的凹槽；四个FBG光栅位于同一条光纤上，该条光纤穿过并固定于光纤孔和凹槽。
进一步，芯体一体成型。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明的基于膜片和椭圆铰链的FBG加速度传感器，利用椭圆柔性铰链无机械摩擦的优点，并在椭圆柔性铰链的基础上，加以膜片提高传感器振动系统的弹性刚度，从而提高工作频率。另外，在同一根FBG上应用多段光纤光栅，不仅能达到了灵敏度倍增的效果，还能可以消除噪声，提高精度，减少误差。在确保加速度传感器工作频率较高的情况下，灵敏度也能达到动态测量的基本要求。该传感器可用于中高频的动态测量，具有工作频率高、结构简单、抗电磁干扰、稳定、轻便的优点。
附图说明
图1为本发明一实施例的传感器示意图；
图2为本发明一实施例的外壳示意图；
图3为本发明一实施例的实验频谱图。
图中：1-下膜片，2-质量块，3-右侧第二椭圆柔性铰链，4-右侧第一椭圆柔性铰链，5-左侧第一椭圆柔性铰链，6-左侧第二椭圆柔性铰链，7-左侧支撑件，8-右侧支撑件，9-第一光栅，10-第二光栅，11-第三光栅，12-第四光栅，13-上膜片，14-凹槽，15-上端盖，16-上壳体，17-下壳体，18-下端盖，19-光纤孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明针对现有光学传感器难以满足大型结构中高频振动动态监测的需求，提出一种基于膜片和椭圆铰链的FBG加速度传感器结构的传感器，解决了啁啾、测试频带较窄，灵敏度和共振频率较低等问题。
如图1和图2所示，本发明实施例的基于膜片和椭圆铰链的FBG加速度传感器，包括上膜片1、下膜片13、质量块2、四个椭圆柔性铰链、两个支撑件以及FBG的四个光栅区，并封装进所设计的封装外壳中，外壳主要由上端盖15、上壳体16、下壳体17、下端盖18组成。
其中，质量块2连接上膜片1和下膜片13。两个支撑件和四个椭圆柔性铰链对称分布在质量块2的左侧和右侧。如图1所示，右侧第二椭圆柔性铰链3和右侧第一椭圆柔性铰链4相互连接，右侧支撑件8位于右侧第二椭圆柔性铰链3和右侧第一椭圆柔性铰链4之间。左侧第一椭圆柔性铰链5和左侧第二椭圆柔性铰链6相互连接，左侧支撑件7位于左侧第一椭圆柔性铰链5和左侧第二椭圆柔性铰链6之间。四个椭圆柔性铰链里的左侧第一椭圆柔性铰链5和右侧第一椭圆柔性铰链4固定在质量块2上，进而使其他铰链和支撑件固定。两个支撑件，左侧支撑件7和右侧支撑件8则主要用于支撑和固定四个光栅区——第一光栅9、第二光栅区10、第三光栅区11和第四光栅区12。
为了更好的固定PBG光栅，上壳体16上设有光纤孔19，两个支撑件上均设有凹槽，质量块2顶部也设有凹槽14，用于光纤的点胶固定。设有第一至第四共计四个光栅区的光纤，穿过并固定在光纤孔19以及支撑件和质量块2顶部的凹槽中，以使四个光栅区位于四个椭圆柔性铰链的上方。
单个光栅区即可完成加速度的测量。故在没有封装外壳时，可只采用固定在质量块与支撑件之间的光栅。在有外壳的情况下，可采用四个光栅区中的至少一个。
传感器外形结构设计为圆柱体，如图1和图2所示。作为加速度传感器的主要组成部分，柔性铰链和质量块的材料优选为304不锈钢，弹性模量为193GPA，密度为7930kg/m3，泊松比为0.34。质量块2、两个支撑件和四个椭圆柔性铰链作为整个传感器的芯体，为一体化结构。膜片的厚度为1mm。
组合时，下膜片1的边缘与下壳体17的内壁进行激光焊接，端盖保护膜片；然后芯体再与下膜片1进行激光焊接。定制一个FBG，根据芯体内部支撑件的距离，在同一根光纤上刻写光栅9、10、11、12，FBG通过粘贴剂353ND与质量块2固定在一起，光纤对称粘贴在质量块顶部凹槽14和柔性铰链支撑件上。先粘贴质量块2顶部凹槽，再分别粘贴第二光栅10、第三光栅11、第一光栅9和第四光栅12，粘贴过程中需保证FBG有一定的拉伸量，拉伸量不得低于1nm。
通过膜片限制质量块的运动方向，以增强传感器的弹性刚度，从而提高工作频率。上膜片与下膜片的厚度越厚，传感器工作频率越高；上膜片与下膜片的半径越小，传感器工作频率越高。
传感器上下振动时，会带动两个支撑件，让四个光栅摇摆，可测得四个光栅的波长变化。即：加速度传感器安装完成之后，在静态情况下，FBG中心波长保持不变，当受到外界激励时，质量块在惯性力的作用下绕铰链中心转动，带动FBG伸长或压缩，从而导致FBG中心波长漂移。根据事先标定好的灵敏度可以将波长变化量转化为加速度，即可完成加速度测量。
以下为传感器制作工艺：
1、芯体使用超声波高温清洗，加入乙酸，在60摄氏度至80摄氏度温度范围内清洗30分钟以上，直至芯体上的污渍清洗干净。若一次清洗不充分，更换乙酸重复上述清洗过程。
2、确定光纤的栅区位置和涂胶位置。光栅栅区应在弹性体中心位置，即椭圆柔性铰链处。涂胶位置则用于固定光栅。将涂胶位置处的涂覆层剥除，用无尘擦拭纸蘸取无水乙醇，对剥除区域轻轻擦拭，去除光纤表面残留碎屑，剥纤长度不能超出凹槽的尺寸。
3、严格按照10:1比例调配粘贴剂353ND。将芯体放在温度设定为120摄氏度加热台上，将FBG挂配重预拉伸，使波长变化1.5nm以上，涂覆层剥除区域对准并紧贴芯体凹槽处后进行点胶，然后加热40分钟后静置冷却至室温，即可将光栅区固定于弹性体中心位置。四个栅区的粘贴按照上述要求逐个进行。
4、将芯体装入外壳中，连接固定。尾纤用白套管和黄套管进行封装保护。
5、将传感器芯件放入80℃烘箱中烘烤半小时取出冷却20分钟后重新放入烤箱中，如此温度循环8次。
6、将传感器放在振动台上进行标定测试，标定出传感器的灵敏度和工作频率。由于振动台测试频率范围为0-4000HZ，由实验所得频谱图可看出其平坦区工作频率在0～1800HZ左右，灵敏度能够稳定在1pm/g以上，如图3所示。若标定时振动波长异常，可能是光纤预拉伸不够或制作时光栅受损，需重新制作。
在使用本发明的光纤光栅加速度传感器时，将传感器灵敏度标定实验的结果同理论灵敏度值对比，发现存在2％的误差，已能够满足工程应用的需求。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于膜片和椭圆铰链的FBG加速度传感器，其特征在于，包括上膜片、下膜片、芯体和FBG光栅，芯体包括质量块、两个支撑件和四个椭圆柔性铰链；
其中，质量块连接上膜片和下膜片；两个支撑件和四个椭圆柔性铰链平均分为两组，对称分布在质量块的两侧；每组椭圆柔性铰链均包括第一椭圆柔性铰链和第二椭圆柔性铰链，第一椭圆柔性铰链固定在质量块上，第二椭圆柔性铰链水平固定在第一椭圆柔性铰链的外侧，支撑件则位于第一椭圆柔性铰链和第二椭圆柔性铰链之间；
至少一段FBG光栅通过支撑件固定于椭圆柔性铰链的上方。
2.根据权利要求1所述的基于膜片和椭圆铰链的FBG加速度传感器，其特征在于，上膜片与下膜片的厚度越厚，传感器工作频率越高；上膜片与下膜片的半径越小，传感器工作频率越高。
3.根据权利要求1所述的基于膜片和椭圆铰链的FBG加速度传感器，其特征在于，FBG光栅固定在质量块与支撑件之间。
4.根据权利要求3所述的基于膜片和椭圆铰链的FBG加速度传感器，其特征在于，质量块与支撑件的顶部均设有凹槽，FBG光栅两端固定在凹槽中。
5.根据权利要求4所述的基于膜片和椭圆铰链的FBG加速度传感器，其特征在于，FBG光栅两端通过粘贴剂353ND固定在质量块与支撑件顶部的凹槽中。
6.根据权利要求1所述的基于膜片和椭圆铰链的FBG加速度传感器，其特征在于，该传感器还包括用于封装的外壳，外壳包括上端盖、壳体和下端盖，壳体连接上端盖和下端盖；下膜片固定在壳体的底部。
7.根据权利要求6所述的基于膜片和椭圆铰链的FBG加速度传感器，其特征在于，FBG光栅为四个；其中两个FBG光栅固定在质量块与支撑件之间，另两个FBG光栅固定在支撑件与壳体之间。
8.根据权利要求7所述的基于膜片和椭圆铰链的FBG加速度传感器，其特征在于，质量块和壳体上均设有光纤孔，支撑件上设有与光纤孔齐平的凹槽；四个FBG光栅位于同一条光纤上，该条光纤穿过并固定于光纤孔和凹槽。
9.根据权利要求6所述的基于膜片和椭圆铰链的FBG加速度传感器，其特征在于，壳体包括相互连接的上壳体和下壳体；下膜片通过激光焊接固定在下壳体的底部。
10.根据权利要求1所述的基于膜片和椭圆铰链的FBG加速度传感器，其特征在于，芯体一体成型。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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