CN115980389A - 一种光纤光栅二维加速度传感器、控制方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，公开了一种光纤光栅二维加速度传感器、控制方法及应用，外壳里侧安装有竖向加速度测量模块和横向加速度测量模块；竖向加速度测量模块包括竖向位移检测单元和加速度测量单元，横向加速度测量模块包括摆动梁和第一弹性块，摆动梁上端通过悬臂梁与壳体连接，摆动梁下部带有齿状结构，第一弹性块上部带有齿状结构，摆动梁下端与弹性块上端相互啮合，第一弹性块侧面连接有用于进行横向加速度波长测量的第二光纤光栅。本发明克服了传统一维加速度传感器只能测单个方向加速度的不足，消除了温度变化对二维加速度测量的影响，很大程度上减小了测量误差，且能实现温度和加速度等多个物理参量的测量。

Description

一种光纤光栅二维加速度传感器、控制方法及应用

技术领域

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，尤其涉及一种基于齿状结构传力的光纤光栅二维加速度传感器、控制方法及应用。

背景技术

目前，光纤光栅因为具有抗电磁干扰、体积小、动态范围宽，耐腐蚀等优点受到广泛关注与研究，光纤光栅传感器更是广泛应用于地震监测，铁路桥梁大坝的振动测试与分析中。加速度是测量振动重要参数之一，光纤Bragg光栅加速度传感器是利用光栅的波长调制原理，即利用外界的微扰振动来改变光栅的栅距，再转化为对应的波长变化量，通过检测波长的变化来测量加速度的大小；

传统光纤光栅加速度传感器仅能测量单个方向的振动，CN111174897A中贾振安等人提出了一种二维光纤光栅振动传感器，然而其只能在两个方向的振动单独发生时分别测量，在实际工程中两个方向上的振动往往是同时发生的，为此本发明提出了一种基于齿状结构传力光纤光栅二维加速度传感器能实时测量两个不同方向的振动状态，可以有效地解决上述问题，更好地应用于实际工程测量中。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统光纤光栅加速度传感器仅能测量单个方向的振动或只能在两个方向的振动单独发生时分别测量，无法适用于两个方向上的振动同时发生的情况。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种光纤光栅二维加速度传感器、控制方法及应用。

本发明是这样实现的，一种光纤光栅二维加速度传感器包括：

外壳；

所述外壳里侧安装有用于对竖直方向的加速度进行测量的竖向加速度测量模块和用于对水平方向的加速度进行测量的横向加速度测量模块；

所述竖向加速度测量模块包括竖向位移检测单元和加速度测量单元，所述竖向位移检测单元用于利用质量块对竖向位移进行检测，所述加速度测量单元用于利用第二弹性块和光纤光栅对质量块传递的位移加速度进行测量；

所述横向加速度测量模块包括摆动梁和第一弹性块，所述摆动梁上端通过悬臂梁与壳体连接，所述摆动梁下部带有齿状结构，所述第一弹性块固定于外壳内部下方，第一弹性块上部带有齿状结构，所述摆动梁下端与弹性块上端相互啮合，所述第一弹性块侧面连接有用于进行横向加速度波长测量的第二光纤光栅。

进一步，所述竖向加速度测量模块的质量块上端通过高强硬弹簧与外壳顶部连接，所述质量块两侧对称分布有齿状结构，所述第二弹性块设置有对称固定于外壳内部两侧的两个，所述第二弹性块外侧面设置有齿状结构，质量块左侧与左侧的第二弹性块啮接，质量块右侧通过齿轮与右侧的第二弹性块传动连接，所述齿轮安装在悬臂梁外侧下端。

进一步，所述外壳里侧底部固定有凸台，所述高强硬弹簧和悬臂梁上端均与凸台下端固定连接。

进一步，左侧的第二弹性上端连接有第一光纤光栅，右侧的第二弹性上端连接有第三光纤光栅。

进一步，所述高强硬弹簧4由两根劲度系数为K/2的高强硬弹簧并联组成。

进一步，所述横向加速度测量模块还包括有温度补偿光纤光栅，所述温度补偿光纤光栅与第一弹性块的左侧连接，用于消除温度变化对二维加速度测量的影响。

进一步，所述外壳顶部上方左右两端位置对称布置有卡槽，所述卡槽为内部空心的圆柱状结构，用于作为出纤孔固定光纤的附着点，导出光纤后灌胶密封，所述外壳里侧右下角固定有作为光纤光栅两点胶装固定附着点的凸块。

进一步，所述光纤光栅在初始状态时处于拉直状态。

本发明的另一目的在于提供一种光纤光栅二维加速度传感器的控制方法，所述光纤光栅二维加速度传感器的控制方法包括：

步骤一，光纤光栅二维加速度传感器竖直固定在被测物体上，在振动作用下，对于竖向加速度的测量，高强硬弹簧的拉力不再与质量块重力平衡，左侧的第一弹性块和齿轮受到质量块给予的相反方向力的作用，左侧的第二弹性块发生轴向变形，引起第一光纤光栅的波长变化；

步骤二，齿轮发生转动传递给右侧的第二弹性块竖向力的作用，使得右侧的第二弹性块发生微小竖向变形，右侧的第二弹性块的轴向变形传递给第三光纤光栅，引起第三光纤光栅的波长变化，通过检测第一光纤光栅波长和第三光纤光栅波长的变化来测量竖直方向加速度的大小；

步骤三，对于横向加速度的测量，当横向振动时摆动梁在惯性力作用下发生摆动的趋势，通过齿状结构传递水平方向的力给第一弹性块，使得第一弹性块发生水平方向变形，引起温度补偿光纤光栅和第二光纤光栅波长变化，通过检测第二光纤光栅波长的变化以及结合温度补偿光纤光栅获得被测物体水平方向加速度的大小。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

1.采用双弹簧装置，在保证总刚度为K的情况下，采取两根刚度为K/2的弹簧并联，竖向刚度不变，而增加了横向刚度，测量竖向加速度时极大减小了横向振动的干扰。保证了单方向的测量准确度。

2.光纤光栅两端采用用胶粘贴固定，中间刻有光栅部分悬空布置，降低了传感器的封装难度。既有效避免消除啁啾现象，又增加了传感器的灵敏度。

3.测量精度可以调节。齿轮旋转引起弹性块轴向变形，从而引起右光纤光栅的中心波长产生反向漂移，改变齿轮的半径直接影响着质量块单位位移改变引起的弹性块轴向应变的大小。故可通过改变齿轮半径调整传感器的监测精度和灵敏度，满足不同情况下的需求。

4.本发明提供了一种光纤光栅二维加速度传感器，使用本结构可以实时测量两个方向的加速度，克服了一维加速度传感器只能测单个方向加速度的不足。

5.大多数光纤光栅加速度传感器仅仅用于检测振动而无法实现温度与振动的同时加测，而本发明独立设置测量温度光纤光栅，消除了温度变化对二维加速度测量的影响，解决了温度与应变交差敏感的问题，以减小测量误差，且能实现温度和加速度等多个物理参量的测量。

6.在传感器“零点”位置，弹簧重力与质量块重力平衡，质量块对弹性块没有竖向力的作用，摆动梁的自由端齿条与弹性块的顶端接触，也不发生变形，避免了因性元件一直处于变形状态导致易蠕变的状况，很大程度上提高测量结果的准确度。

7.本发明设计有两个出纤孔，一号光纤光栅的尾纤通过出纤孔与光纤光栅解调仪相连，四号光纤光栅的尾纤通过另一出纤孔可与其他传感器串联实现对被测物体的多点分布式加速度检测，同时也可以串联其它物理参量光纤光栅传感器，实现对被测物体的多点多物理参量分布式检测。

8.灵敏度大。齿轮的转换作用使得左右两侧弹性块的变形方向相反。初始时左右两侧光纤光栅处于预拉伸状态，在振动作用下，其中一根光纤光栅的受力增大导致光纤光栅的波长增大，而另一根光纤光栅的受力减小，导致光纤光栅的波长减小，形成差动，将两根光纤光栅的反射波长做差求得波长漂移量，即波长变化量相加，极大提高传感器的灵敏度。

9.工作频段可调节，对于竖向加速度改变质量块的大小和弹簧刚度可以改变传感器的固有频率的大小和对应的工作频段。对于横向加速度，可通过改变摆动梁长度、梁的厚度等方法调节传感器的固有频率，从而满足不同测量要求。

10、本发明提供了一种基于齿状结构传力光纤光栅二维加速度传感器，克服了传统一维加速度传感器只能测单个方向加速度的不足，消除了温度变化对二维加速度测量的影响，解决了温度与应变交差敏感的问题，很大程度上减小了测量误差，且能实现温度和加速度等多个物理参量的测量。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的光纤光栅二维加速度传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的摆动梁的结构示意图；

图3是本发明实施例1提供的悬臂梁的结构示意图；

图4是本发明实施例1提供的悬臂梁与摆动梁的组装示意图；

图5是本发明实施例2提供的一维加速度传感器的结构示意图；

图6是本发明实施例3提供的实现多点多物理参量分布式监测的连接原理图；

图中：1、卡槽；2、第一光纤光栅；3、外壳；4、高强硬弹簧；5、质量块；6、温度补偿光纤光栅；7、第一弹性块；8、第二光纤光栅；9、摆动梁；10、第二弹性块；11、齿轮；12、悬臂梁；13、第三光纤光栅；14、凸台；15、凸块。

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。

为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

实施例1：

如图1至图4所示，本发明实施例提供的光纤光栅二维加速度传感器包括卡槽1、第一光纤光栅2、外壳3、高强硬弹簧4、质量块5、温度补偿光纤光栅6、第一弹性块7、第二光纤光栅8、摆动梁9、第二弹性块10、齿轮11、悬臂梁12、第三光纤光栅13、凸台14和凸块15。光纤光栅2、6、8、13依次串联在一根光纤上。

卡槽1：金属材料，圆柱状，内部空心。在外壳3顶部上方左右两端位置对称布置，用胶固定光纤的附着点，同时兼顾有出纤孔的功能，导出光纤后灌胶密封。

第一光纤光栅1：对光纤光栅进行预拉伸，采用两点胶装，FBG1悬空布置，用于竖向加速度测量。

外壳3：金属材料，内部为封闭环境，作为传感器外壳封装传感器。内有右下角设置有凸块15，同时顶部左右两侧预留有两个卡槽1。

高强硬弹簧4：由两根劲度系数为K/2的高强硬弹簧并联组成，上部固定焊接于凸台14上。

质量块5：质量为M的质量块，左右两侧对称分布有齿状结构。与弹簧4焊接在一起。

温度补偿光纤光栅6：采用两点胶装，FBG2悬空布置，只受被测物体所处环境温度影响，主要用于温度补偿。

第一弹性块7：用螺栓固定于外壳3内部下方，具有一定弹性，上部带有齿状结构与摆动梁9的齿相互啮合。

第二光纤光栅8：对光纤光栅进行预拉伸，采用两点胶装，FBG3悬空布置，用于横向加速度测量。

摆动梁9：金属材料，下部带有齿状结构，与弹性块的齿相互啮合。通过螺栓固定于悬臂梁上。

第一弹性块10：具有一定弹性，用螺钉对称固定于外壳内部两侧，单侧面带有齿状结构，与齿轮或弹性块持妆结构啮合，齿状结构用于传力，控制弹性块的轴向变形。

齿轮11：通过螺栓固定于悬臂梁11上，金属材料，内置轴承，可转动。左右分别与质量块5和弹性块10相切，与弹性块10和质量块5的齿状结构相啮合。

悬臂梁12：金属材料，顶端带有螺丝，下部开有通孔，固定于凸台14上。

第三光纤光栅13：对光纤光栅进行预拉伸，采用两点胶装，FBG4悬空布置，用于竖向加速度测量。

凸台14：上部四角设有螺纹孔，用螺丝固定于外壳3上，金属材料用于固定悬臂梁12和高强硬弹簧4。

凸块15：金属材料，固定在外壳3上，为光纤光栅两点胶装固定的附着点。

本发明实施例提供的光纤光栅二维加速度传感器工作时，竖直固定在被测物体上，随被测物体振动而产生不同方向的加速度。在振动作用下，对于竖向加速度的测量，高强硬弹簧4的拉力不再与质量块5重力平衡，受到左侧第一弹性块10和齿轮11竖向力的作用，同时由于质量块5与左侧第一弹性块10侧面的齿状结构和齿轮11的齿均相互啮合，左侧第一弹性块10和齿轮11也受到质量块5给予的相反方向力的作用。左侧第一弹性块10的齿状结构起到传力的作用，控制着第一弹性块10轴向的变形，进而引起第一光纤光栅2的波长变化。齿轮11左侧的齿受到质量块5右侧齿状结构力的作用而发生转动从而传递给右侧第一弹性块10竖向力的作用，使得第一弹性块10发生微小竖向变形，第一弹性块10的轴向变形传递给了第三光纤光栅13，从而引起第三光纤光栅13的波长变化，通过检测波长的变化来测量竖直方向加速度的大小。由于齿轮的转换作用使得左右两侧弹性块的变形方向相反。初始时左右两侧光纤光栅处于预拉伸状态，在振动作用下，其中一根光纤光栅的受力增大导致光纤光栅的波长增大，而另一根光纤光栅的受力减小，导致光纤光栅的波长减小，形成差动，波长变化量相加，极大提高传感器的灵敏度。将两根光纤光栅的反射波长做差求得波长漂移量，经分析被测对象加速度越大，波长漂移量的差值越大。通过改变齿轮11的半径直接影响着质量块5单位位移改变引起的齿轮11转动角度的的大小，从而影响右侧第一弹性块10轴向应变的大小，齿轮11转动的角度越大，右侧第一弹性块10变形越大。可以通过齿轮11的转换作用，使得第一弹性块10变形增大，第三光纤光栅13的波长变化增大，可以在较轻的质量块下即可实现高灵敏度。通过齿轮11传动放大应变，增大灵敏度。故可通过改变齿轮11半径调整传感器的监测精度和灵敏度，满足不同情况下的需求。由于左右两侧光纤光栅在温度影响下引起的波长变化一致，将两根光纤光栅的反射波长做差求得波长漂移量时可以消除相应干扰，达到温度自补偿的效果。同时改变质量块5质量的大小和弹簧刚度来改变传感器的固有频率的大小和对应的工作频段。

对于横向加速度的测量，当横向振动时摆动梁9在惯性力作用下发生摆动的趋势，通过齿状结构传递水平方向的力给第二弹性块7，使得第二弹性块7发生水平方向变形，从而引起第二光纤光栅8波长变化，通过检测波长的变化以及结合温度补偿光纤光栅6来获得被测物体水平方向加速度的大小。实际在设计制作摆动梁时，可通过改变摆动梁9的长度、梁的厚度等方法调节传感器的固有频率，从而满足不同测量要求。

实施例2：

抗横向干扰能力对于一维加速度传感器具有非凡的意义，如图5所示，本发明实施例去除摆动梁和底部弹性块后可以用于一维加速度的测量。首先质量块被齿轮和弹性块卡死，限制了横向移动，其次为减少弹簧横向运动给质量块带来的影响，可以再增加弹簧根数，在保证竖向刚度不变的情况下，减小单根弹簧的劲度系数，增加了横向刚度，极大提高了单方向加速度测量的准确性。同时去掉温度补偿光纤光栅6和第二光纤光栅8，利用第一光纤光栅2和第三光纤光栅13在温度影响下引起的波长变化一致来消除相应干扰，达到温度自补偿的效果。

实施例3：如图6所示，本发明实施例设计有两个出纤孔，第四光纤光栅的尾纤通过出纤孔与光纤光栅解调仪相连，第一光纤光栅的尾纤通过另一出纤孔可与其他传感器串联实现对被测物体的多点分布式加速度检测，同时也可以串联其它物理参量光纤光栅传感器，实现对被测物体的多点多物理参量分布式监测。

为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

一种振动测试与分析系统，所述振动测试与分析系统设置有所述的光纤光栅二维加速度传感器。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，所述光纤光栅二维加速度传感器包括：

外壳；

所述外壳里侧安装有用于对竖直方向的加速度进行测量的竖向加速度测量模块和用于对水平方向的加速度进行测量的横向加速度测量模块；

所述竖向加速度测量模块包括竖向位移检测单元和加速度测量单元，所述竖向位移检测单元用于利用质量块对竖向位移进行检测，所述加速度测量单元用于利用第二弹性块和光纤光栅对质量块传递的位移加速度进行测量；

所述横向加速度测量模块包括摆动梁和第一弹性块，所述摆动梁上端通过悬臂梁与壳体连接，所述摆动梁下部带有齿状结构，所述第一弹性块固定于外壳内部下方，第一弹性块上部带有齿状结构，所述摆动梁下端与弹性块上端相互啮合，所述第一弹性块侧面连接有用于进行横向加速度波长测量的第二光纤光栅。

2.如权利要求1所述的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，所述竖向加速度测量模块的质量块上端通过高强硬弹簧与外壳顶部连接，所述质量块两侧对称分布有齿状结构，所述第二弹性块设置有对称固定于外壳内部两侧的两个，所述第二弹性块外侧面设置有齿状结构，质量块左侧与左侧的第二弹性块啮接，质量块右侧通过齿轮与右侧的第二弹性块传动连接，所述齿轮安装在悬臂梁外侧下端。

3.如权利要求2所述的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，所述外壳里侧底部固定有凸台，所述高强硬弹簧和悬臂梁上端均与凸台下端固定连接。

4.如权利要求2所述的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，左侧的第二弹性上端连接有第一光纤光栅，右侧的第二弹性上端连接有第三光纤光栅。

5.如权利要求2所述的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，所述高强硬弹簧4由两根劲度系数为K/2的高强硬弹簧并联组成。

6.如权利要求1所述的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，所述横向加速度测量模块还包括有温度补偿光纤光栅，所述温度补偿光纤光栅与第一弹性块的左侧连接，用于消除温度变化对二维加速度测量的影响。

7.如权利要求1所述的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，所述外壳顶部上方左右两端位置对称布置有卡槽，所述卡槽为内部空心的圆柱状结构，用于作为出纤孔固定光纤的附着点，导出光纤后灌胶密封，所述外壳里侧右下角固定有作为光纤光栅两点胶装固定附着点的凸块。

8.如权利要求1所述的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，所述光纤光栅在初始状态时处于拉直状态。

9.一种用于实施权利要求1～8任意一项所述的光纤光栅二维加速度传感器的控制方法，其特征在于，所述光纤光栅二维加速度传感器的控制方法包括：

步骤一，光纤光栅二维加速度传感器竖直固定在被测物体上，在振动作用下，对于竖向加速度的测量，高强硬弹簧的拉力不再与质量块重力平衡，左侧的第一弹性块和齿轮受到质量块给予的相反方向力的作用，左侧的第二弹性块发生轴向变形，引起第一光纤光栅的波长变化；

步骤二，齿轮发生转动传递给右侧的第二弹性块竖向力的作用，使得右侧的第二弹性块发生微小竖向变形，右侧的第二弹性块的轴向变形传递给第三光纤光栅，引起第三光纤光栅的波长变化，通过检测第一光纤光栅波长和第三光纤光栅波长的变化来测量竖直方向加速度的大小；

步骤三，对于横向加速度的测量，当横向振动时摆动梁在惯性力作用下发生摆动的趋势，通过齿状结构传递水平方向的力给第一弹性块，使得第一弹性块发生水平方向变形，引起温度补偿光纤光栅和第二光纤光栅波长变化，通过检测第二光纤光栅波长的变化以及结合温度补偿光纤光栅获得被测物体水平方向加速度的大小。

10.一种振动测试与分析系统，其特征在于，所述振动测试与分析系统设置有权利要求1～8任意一项所述的光纤光栅二维加速度传感器。

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