CN114235129A - 光纤光栅振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤光栅振动传感器，该光纤光栅振动传感器包括壳体和位于该壳体内的质量块，过渡连接板，第一光纤光栅，第二光纤光栅和固定支撑模块，该壳体的左右两端包含第一凸台和第二凸台，该固定支撑模块包括第一固定支撑单元和第二固定支撑单元，该第一固定支撑单元的一端安装在该第一凸台上，另一端连接于该质量块，该第二固定支撑单元的一端连接于该质量块，另一端通过该过渡连接板安装在该第二凸台上，该第一光纤光栅从上方穿过该第一固定支撑单元，与从下方穿过该第二固定支撑单元的第二光纤光栅串联。该光纤光栅振动传感器使得光纤光栅灵敏度得到提高，避免了传感器的温度漂移，结构简单，为传感器工程化大量应用提供了可能。

Description

光纤光栅振动传感器

技术领域

本发明涉及振动监测技术领域，特别是涉及到一种光纤光栅振动传感器。

背景技术

光纤光栅振动传感器因为其耐高温高压，抗干扰能力强的优点，越来越受到人们的青睐。光纤振动传感技术是一种当光纤传感器受到外界干扰影响时，光纤中传输光的部分特性会改变，通过特殊的感测设备，将信号采集并分析，就能够检测光的特性变化，从而检测物体的振动情况。随着经济社会的发展，人们对于传感器的技术需求也在日益提高，对光纤光栅振动传感器的灵敏度，稳定性要求越来越高，同时要兼具工业化生产过程的要求，传感器要成本低、制备工艺简单，同时兼具这些优点的振动传感器正在得到越来越多关注和青睐。

公布号为CN104515587A的“光纤光栅振动传感器”设计了一种L型杠杆结构的振动传感器，L型杠杆在质量块的带动下可绕固定转轴转动，但是没有温度补偿的设计，同时未加阻尼设计，使得传感器的灵敏度稳定性降低，频带范围变窄，同时由于转轴结构的存在，使得光纤光栅在预拉时预拉力难以控制容易出现断裂，为传感器封装带来了难度。

公告号为CN105258782B的“光纤光栅微振动传感器”采用了倒T型的弹性片结构，同时加了温度补偿结构，使得传感器灵敏度提高，同时消除了温度对机械结构件带来的影响从而导致光纤光栅波长漂移，但是并没有消除温度对光纤光栅本身的影响，同时结构复杂，为传感器的封装带来一定难度。

专利号为200510019733.0、发明名称为《可调谐匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器》的中国发明，采用了双光栅双梁结构的振动传感单元，两梁的结构参数一致，主梁可感受外界振动信号，粘贴有振动光栅，副梁上粘贴传感光栅，解决了温度对光纤光栅的影响，但是本身悬臂结构挠度变化小，从而传感器的灵敏度有限，同时光栅直接粘贴于悬臂梁上，容易出现引起光栅啁啾。

为此我们发明了一种新的光纤光栅振动传感器，解决了以上技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高了光纤光栅振动传感器的灵敏度，消除了温度对传感器的影响，从而提高了传感器的测量精度的光纤光栅振动传感器。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：光纤光栅振动传感器，该光纤光栅振动传感器包括壳体和位于该壳体内的质量块，过渡连接板，第一光纤光栅，第二光纤光栅和固定支撑模块，该壳体的左右两端包含第一凸台和第二凸台，该固定支撑模块包括第一固定支撑单元和第二固定支撑单元，该第一固定支撑单元的一端安装在该第一凸台上，另一端连接于该质量块，该第二固定支撑单元的一端连接于该质量块，另一端通过该过渡连接板安装在该第二凸台上，该第一光纤光栅从上方穿过该第一固定支撑单元，与从下方穿过该第二固定支撑单元的第二光纤光栅串联。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

该第一固定支撑单元包括第一弹性片，第一光纤光栅固定座和第一光纤光栅支撑座，该第一弹性片的自由端位于该质量块的安装面上，该第一光纤光栅支撑座压在该第一弹性片的自由端上，该第一光栅固定座压在该第一弹性片的固定端上，该第一弹性片的固定端与该第一光栅固定座安装在该第一凸台上，该第一光纤光栅穿过该第一光纤光栅固定座和该第一光纤光栅支撑座上的开槽处。

该第二固定支撑单元包括第二弹性片，第二光纤光栅固定座和第二光纤光栅支撑座，该第二弹性片的自由端位于该质量块的安装面上，该第二光纤光栅支撑座压在该第二弹性片的自由端上，该第二光栅固定座压在该第二弹性片的固定端上，该第二弹性片的固定端与该第二光栅固定座通过该过渡连接板安装在该第二凸台上，该第二光纤光栅穿过该第二光纤光栅固定座和该第二光纤光栅支撑座上的开槽处。

该过渡连接板的厚度大于该第二弹性片的厚度，该过渡板的长度等于该第二光纤光栅固定座宽度+该第二光纤光栅支撑座宽度+2mm。

该第一弹性片和该第二弹性片均为薄片型结构，两者结构参数一致。

该第一弹性片，该第一光纤光栅，该质量块，该第一光纤光栅支撑座，该第一光纤光栅固定座组成第一振动元，该第二弹性片，该第二光纤光栅，该质量块，该第二光纤光栅支撑座，该第二光纤光栅固定座组成第二振动元，该第一振动元和该第二振动元结构参数一致，共用该质量块。

该壳体的左右两端具有第一出纤孔和第二出纤孔，该第一光纤光栅和该第二光纤光栅分别从该第一出纤孔和该第二出纤孔穿出。

该第一光纤光栅和该第二光纤光栅长度波长一致。

该第一固定支撑单元和该第二固定支撑单元采用光纤光栅支撑座，光纤光栅固定座，弹性片作为一体的U型架。

本发明中的光纤光栅振动传感器，由于光纤光栅采用了两端固定，结构简单，使得传感器易于封装，利用光纤光栅支撑座的加长作用提高了光纤光栅振动传感器的灵敏度，同时由于使用了双光纤光栅，消除了温度对传感器的影响，从而提高了传感器的测量精度。本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明通过光纤光栅支撑座的设计，使得光纤光栅灵敏度得到提高，同时还可通过改变其高度，来改变传感器的灵敏度；

2、本发明通过使用双光纤光栅，避免了传感器的温度漂移；

3、本发明的结构简单，传感器封装难度降低，为传感器工程化大量应用提供了可能。

附图说明

图1为本发明光纤光栅振动传感器的实施例1的结构图；

图2为本发明光纤光栅振动传感器的实施例2的结构图。

图1中：1-壳体、1A-第一凸台、1B-第二凸台、2A-光纤光栅固定座、3A-光纤光栅支撑座、4A-弹性片、5-质量块、6-过渡连接板、7A-第一光纤光栅、7B-第二光纤光栅、8A-第一出纤孔、8B-第二出纤孔；

图2中：1-壳体、1A-第一凸台、1B-第二凸台、5-质量块、6-过渡连接板、7A-第一光纤光栅、7B-第二光纤光栅、8A-第一出纤孔、8B-第二出纤孔；9A-U型架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的光纤光栅振动传感器包括壳体和置于所述壳体内的质量块，第一弹性片，第二弹性片，过渡连接板，第一光纤光栅，第二光纤光栅，两个光纤光栅固定座，两个光纤光栅支撑座。所述壳体两端含有出纤孔，内部含有第一凸台和第二凸台，所述第一弹性片和第二弹性片分为自由端和固定端，所述自由端与质量块，支撑座连接，所述固定端与固定座组合后，所述第一弹性片与固定座直接安装在壳体第一凸台上，所述第二弹性片与固定座组合后，通过过渡板与壳体第二凸台连接。所述第一光纤光栅和第二光纤光栅串联，分别穿过光纤光栅固定座和光纤光栅支撑座，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅两端分别固定在光纤光栅固定座和光纤光栅支撑座上，光纤光栅两端的光纤分别从两端穿出壳体。

所述壳体两端含有出纤孔，所述出纤孔结构与传感器密封结构有关，传感器密封结构与传感器使用场合有关，有关其密封结构有相关专利文献很多，这里不在赘述，所述壳体内部含有第一凸台和第二凸台；

所述质量块两端具有安装面，所述安装面高度一致；

所述过渡板连接板一端连接第二弹性片，一端连接第二凸台；

所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅串联，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅长度波长一致；

所述第一弹性片和第二弹性片分为自由端和固定端，所述自由端与质量块，光纤光栅支撑座连接，所述固定端与光纤光栅固定座组合后，直接安装在所述壳体第一凸台上；

所述第二弹性片与所述光纤光栅固定座组合后，安装在所述过渡连接板上，所述过渡连接板再与所述壳体第二凸台连接；

所述光纤光栅固定座和所述光纤光栅支撑座上有光纤穿纤槽，光纤光栅依次穿过第一弹性片上光纤光栅固定座和光纤光栅支撑座，第二弹性片上光纤光栅固定座和光纤光栅支撑座，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅两端分别固定在光纤光栅固定座和光纤光栅支撑座上，所述光纤光栅与所述弹性片平行，光纤光栅两端的光纤分别从所述壳体两端的出纤孔穿出；

所述过渡连接板的厚度远大于所述弹性片厚度，所述过渡板的长度等于所述光纤光栅固定座宽度+所述光纤光栅支撑座宽度+2mm；

所述第一弹性片和所述第二弹性片均为薄片型结构，两者结构参数一致；

所述第一弹性片，第一光纤光栅，质量块，光纤光栅支撑座，光纤光栅固定座组成第一振动元，所述第二弹性片，第二光纤光栅，质量块，光纤光栅支撑座，光纤光栅固定座组成第二振动元，所述的两振动元结构参数一致，两振动元共用一质量块，所述振动元的刚度由光纤光栅支撑座高度和弹性片结构及弹性片自由端到质量块重心距离决定，所述光纤光栅支撑座高度，弹性片结构及弹性片自由端到质量块重心距离由传感器灵敏度及谐振频率决定，所述振动元的质量由质量块质量决定，所述质量块质量由传感器灵敏度及谐振频率决定；

所述光纤光栅固定座，光纤光栅支撑座，弹性片，质量块，过渡连接板装在壳体上后，所述光纤光栅再穿好粘胶预拉；

在某些可选的结构中，光纤光栅支撑座，光纤光栅固定座，弹性片还可作为一体的U型架，U型架一端连接质量块，一端安装在壳体凸台上；

所述光纤光栅，U型架，质量块再一同组成振动元，两振动元结构参数一致。

以下为应用本发明的两个具体实施例。

实施例1

图1为一种光纤光栅振动传感器一种结构示意图，包括1-壳体，2A-光纤光栅固定座，3A-光纤光栅支撑座，4A-弹性片，5-质量块，6-过渡连接板，7A-第一光纤光栅和7B-第二光纤光栅，所述1-壳体两端含有8A-出纤孔和8B-出纤孔，内部含有1A-第一凸台和1B-第二凸台，所述出纤孔处含有光纤包含套管，起保护光纤和密封作用，所述左侧的4A-弹性片分为自由端和固定端，所述自由端放于5-质量块安装面上，所述3A-光纤光栅支撑座压在弹性片自由端上面，使用螺钉固定连接好，所述4A-弹性片固定端放于所述1-壳体第一凸台上，所述2A-光纤光栅固定座压在弹性片固定端上面，使用螺钉固定连接好，右侧的4A-弹性片与质量块，光纤光栅固定座，光纤光栅支撑座连接同左侧弹性片相同，只是右侧4A-弹性片的固定端先放在所述6-过渡连接板上，使用螺钉固定连接好，所述6-过渡连接板再与所述1-壳体第二凸台连接。所述2A-光纤光栅固定座，3A-光纤光栅支撑座上端均有开槽，所述7A-第一光纤光栅和7B-第二光纤光栅串联，分别穿过左右两端的光纤光栅固定座和光纤光栅支撑座，所述7A-第一光纤光栅和7B-第二光纤光栅两端分别固定在所述左右两侧的光纤光栅固定座和光纤光栅支撑座的开槽处，光纤光栅两端的光纤分别从壳体两端的出纤孔穿出。

传感器结构件组装好后及光纤光栅穿好后，一端尾纤熔接光纤跳线连接在光纤光栅波长解调仪上，显示出两光纤光栅波长，这时分别把两光纤光栅的位置调好，先在左右侧的3A-光纤光栅支撑座开槽处点353ND胶，待胶体固化好后，给第一光纤光栅一定的预拉力，根据解调仪上显示的波长数值，调节预拉力的大小，预拉波长的大小根据传感器灵敏度及频响范围来确定，此处预拉0.5nm，波长值达到预定值后，在2A-光纤光栅固定座开槽处点353ND胶，并使用高温胶带固定住光纤，完毕后同样操作预拉第二光纤光栅的波长，两光纤光栅的预拉波长值一致，使用高温胶带固定住光纤，等待胶体固化。由于两弹性片及光纤光栅支撑座结构参数一致，同时共用一个质量块，故两弹性片的振动变形一致，两光纤光栅形变量一致，当左侧光纤光栅拉伸时，右侧光纤光栅收缩，因而两光纤光栅变形方向相反，同时温度对两光纤光栅影响一致，故两波长变形量根据公式相减，温度对波长影响会消除，从而消除了光纤光栅的温度漂移，同时由于光纤光栅支撑座的引入，从而把质量块的位移经光纤光栅支撑座放大。

实施例2

图2提供了另一种结构的光纤光栅结构示意图，包括1-壳体，9A-U型架，5-质量块，6-过渡连接板，7A-第一光纤光栅和7B-第二光纤光栅，所述U型架上端开有穿纤槽，左右两端高度一致，同时左右两端含有台阶安装面，左侧的所述U型架一端与质量块连接，使用螺钉连接固定，一端安装与壳体凸台上面，使用螺钉连接固定，右侧所述的U型架一端与质量块连接，一端与过渡连接板连接，使用螺钉连接固定，过渡连接板再安装与壳体凸台上，U型架的底部厚度，宽度及U型架高度根据传感器灵敏度和谐振频率来确定。传感器各个组件安装固定好后，光纤光栅的安装预拉固定与实施例1相同，这里不在赘述。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位指示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，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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.光纤光栅振动传感器，其特征在于，该光纤光栅振动传感器包括壳体和位于该壳体内的质量块，过渡连接板，第一光纤光栅，第二光纤光栅和固定支撑模块，该壳体的左右两端包含第一凸台和第二凸台，该固定支撑模块包括第一固定支撑单元和第二固定支撑单元，该第一固定支撑单元的一端安装在该第一凸台上，另一端连接于该质量块，该第二固定支撑单元的一端连接于该质量块，另一端通过该过渡连接板安装在该第二凸台上，该第一光纤光栅从上方穿过该第一固定支撑单元，与从下方穿过该第二固定支撑单元的第二光纤光栅串联。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，该第一固定支撑单元包括第一弹性片，第一光纤光栅固定座和第一光纤光栅支撑座，该第一弹性片的自由端位于该质量块的安装面上，该第一光纤光栅支撑座压在该第一弹性片的自由端上，该第一光栅固定座压在该第一弹性片的固定端上，该第一弹性片的固定端与该第一光栅固定座安装在该第一凸台上，该第一光纤光栅穿过该第一光纤光栅固定座和该第一光纤光栅支撑座上的开槽处。

3.根据权利要求2所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，该第二固定支撑单元包括第二弹性片，第二光纤光栅固定座和第二光纤光栅支撑座，该第二弹性片的自由端位于该质量块的安装面上，该第二光纤光栅支撑座压在该第二弹性片的自由端上，该第二光栅固定座压在该第二弹性片的固定端上，该第二弹性片的固定端与该第二光栅固定座通过该过渡连接板安装在该第二凸台上，该第二光纤光栅穿过该第二光纤光栅固定座和该第二光纤光栅支撑座上的开槽处。

4.根据权利要求3所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，该过渡连接板的厚度大于该第二弹性片的厚度，该过渡板的长度等于该第二光纤光栅固定座宽度+该第二光纤光栅支撑座宽度+2mm。

5.根据权利要求3所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，该第一弹性片和该第二弹性片均为薄片型结构，两者结构参数一致。

6.根据权利要求3所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，该第一弹性片，该第一光纤光栅，该质量块，该第一光纤光栅支撑座，该第一光纤光栅固定座组成第一振动元，该第二弹性片，该第二光纤光栅，该质量块，该第二光纤光栅支撑座，该第二光纤光栅固定座组成第二振动元，该第一振动元和该第二振动元结构参数一致，共用该质量块。

7.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，该壳体的左右两端具有第一出纤孔和第二出纤孔，该第一光纤光栅和该第二光纤光栅分别从该第一出纤孔和该第二出纤孔穿出。

8.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，该第一光纤光栅和该第二光纤光栅长度波长一致。

9.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，该第一固定支撑单元和该第二固定支撑单元采用光纤光栅支撑座，光纤光栅固定座，弹性片作为一体的U型架。

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