CN116499576B - 一种光纤光栅振动传感器及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤光栅振动传感器及其测量方法，本发明将光纤光栅水平设置在壳体上，在光纤光栅下方设置第一质量块，通过在第一质量块左右两侧对称设置水平弹性板，并在水平弹性板上方中心处竖直设置光纤支柱，将光纤支柱上端与光纤光栅相连，水平弹性板远离第一质量块的一端与固定在壳体上的正交耦合抑制模块相连，由于光纤支柱设置在水平弹性板中心处，可放大第一质量块对光纤光栅的拉伸和压缩作用，从而增大传感器灵敏度。而正交耦合抑制模块中抑制弹性板沿X轴和Z轴方向的刚度小于沿Y轴方向的刚度，能够抑制由沿X轴方向或者Z轴方向输入的加速度产生的水平弹性板变形，起到减小交叉耦合误差的效果。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤光栅振动传感器及其测量方法。
背景技术
光纤光栅振动传感器通过检测光栅中心波长的变化，来感知外界环境的振动信息。与传统电子类振动传感器相比，光纤光栅振动传感器具有耐高温高压、耐腐蚀、本质安全、易于组网等特点，因此在石油化工、矿山、桥梁建筑、大型结构、航空航天等领域有着广泛应用前景。随着光纤光栅振动传感器在各行各业中的应用逐渐成熟，人们对传感器的灵敏度、稳定性等技术指标提出了更高的要求。
在光纤光栅振动传感器研究领域，研究热点大多集中于提高传感器的灵敏度，例如本申请的发明人在前期工作中设计开发了一种光纤光栅加速度计（公开号为CN107478860A），通过设计杠杆放大机构，在保证光纤光栅振动传感器频率响应范围不变的情况下，大幅提高传感器灵敏度。虽然上述光纤光栅加速度计通过悬臂结构能够提高灵敏度，但是容易受到横向振动的干扰。
为了减少横向振动的干扰，西北大学的樊伟等人发明了一种自带温度和预应力补偿的一维光纤光栅振动传感器（公开号为CN114509151A），提供了一种设计合理、结构简单、灵敏度高的自带温度和预应力补偿的一维光纤光栅振动传感器。上述光纤光栅振动传感器通过一维轨道式的结构的设计，从机械结构上屏蔽了其他方向的振动信号，滑块只能沿着轨道运动，这样限制了传感器只能感知沿着轨道方向的振动信号，保证了传感器的方向性，大幅度增强了传感器抗横向干扰能力，但是滑块必然有与一维轨道匹配的凹槽，当有横向振动时，会造成滑块与一维轨道之间的摩擦力增大而导致灵敏度减小。
武汉理工大学的魏莉等人发明了一种小型化具有温度补偿的光纤光栅加速度传感器及其测量方法（公开号为CN110531111A），包括上壳、下壳，位于上下壳之间的质量块，质量块两侧对称设置有两块矩形弹性板，质量块中部开设有螺纹孔，用于与螺杆连接，螺杆底部连接弹性主体，所述弹性主体包括两侧柱状外壁，柱状外壁之间设有一对支柱和位于中部的连接块，外壁与支柱之间、支柱与连接块之间均通过铰链连接，螺杆底部穿过弹性主体中部的连接块，弹性主体的两个支柱下表面均开设有光纤槽，弹性主体两侧外壁底部开设有光纤槽，传感器内设置有两根光纤。上述光纤光栅加速度传感器采用矩形弹性板有利于减小横向的振动干扰，但是受限于上壳和下壳的尺寸，矩形弹性板抗横向振动干扰的程度有效，并且为了减小横向的振动干扰，矩形弹性板的宽度较大，同时矩形弹性板的变形量需要通过铰链传递给支柱后再引起光纤光栅中心波长的漂移，受力部件过多，会导致传感器灵敏度降低。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种光纤光栅振动传感器及其测量方法，本发明将光纤光栅水平设置在壳体上，在光纤光栅下方设置第一质量块，通过在第一质量块左右两侧对称设置水平弹性板，并在水平弹性板上方中心处竖直设置光纤支柱，将光纤支柱上端与光纤光栅相连，水平弹性板远离第一质量块的一端与固定在壳体上的正交耦合抑制模块相连，由于光纤支柱设置在水平弹性板中心处，可放大第一质量块对光纤光栅的拉伸和压缩作用，从而增大传感器灵敏度。而正交耦合抑制模块中抑制弹性板沿X轴和Z轴方向的刚度小于沿Y轴方向的刚度，能够抑制由沿X轴方向或者Z轴方向输入的加速度产生的水平弹性板变形，起到减小交叉耦合误差的效果。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种光纤光栅振动传感器，包括光纤光栅、壳体、第一质量块、水平弹性板、光纤支柱和正交耦合抑制模块；
所述光纤光栅水平设置在壳体上，所述第一质量块设置在光纤光栅下方，所述第一质量块左右两侧对称设置有水平弹性板，所述水平弹性板上方竖直设置有光纤支柱，所述光纤支柱位于水平弹性板中心处，所述光纤支柱上端与光纤光栅相连；将光纤支柱设置在水平弹性板中心处，当有外界加速度输入，由于惯性作用第一质量块沿Y轴运动，此时水平弹性板在沿X轴中间位置处的转角θ最大，将光纤支柱设置在水平弹性板中心处，可放大第一质量块对光纤光栅的拉伸和压缩作用，增大传感器灵敏度；
所述水平弹性板远离第一质量块的一端与正交耦合抑制模块相连，所述正交耦合抑制模块固定设置在壳体上；
所述正交耦合抑制模块包括第二质量块、抑制弹性板和固定块，所述水平弹性板与第二质量块相连，所述第二质量块上下两端对称设置有抑制弹性板，所述抑制弹性板竖直设置在第二质量块上；
所述抑制弹性板远离第二质量块的一端与固定块相连，所述固定块与壳体固定连接；
所述抑制弹性板沿Y轴方向的刚度大于沿X轴和Z轴方向的刚度，所述抑制弹性板沿Y轴方向的刚度大于水平弹性板沿Y轴方向的刚度，所述抑制弹性板沿X轴和Z轴方向的刚度分别小于水平弹性板沿X轴和Z轴方向的刚度。
抑制弹性板的作用是，在敏感轴Y轴方向，刚度大，而X和Z轴方向刚度小，当外界有沿X或Z轴方向的加速度输入时，光纤光栅、第一质量块、水平弹性板和光纤支柱作为整体沿X轴或者Z轴平行移动，从而保证水平弹性板不会产生变形，起到减小交叉耦合误差的效果。
本发明的技术方案还有：所述第一质量块的质量为第二质量块的质量的3倍以上。第一质量块的作用是将外界加速度转化为惯性力，第一质量块的质量跟传感器灵敏度直接相关，第二质量块主要是起连接作用，由于第一质量块的质量为第二质量块的质量的3倍以上，因此第一质量块能够将惯性力有效传递到水平弹性板上，保证传感器的灵敏度。
本发明的技术方案还有：所述水平弹性板沿Z轴的尺寸为水平弹性板沿Y轴尺寸的5倍以上。根据弹性理论，水平弹性板沿Y轴的刚度K y可表示为：
（1）
式中，K y为传感器敏感模态的刚度，L y为水平弹性板沿Y轴的尺寸，L z为水平弹性板沿Z轴的尺寸。
同理，水平弹性板沿Z轴的刚度K z可表示为：
（2）
式中，K z为干扰模态的刚度，K z/K y值越大，则传感器正交耦合系数越小。假如L z至少是L y的5倍，则根据（1）、（2）以上两式可得，K z至少为K y的54倍，从而保证传感器有较低的正交耦合误差。
本发明的技术方案还有：所述抑制弹性板沿Z轴的尺寸等于抑制弹性板沿Y轴的尺寸。同理，抑制弹性板沿X轴和Z轴的刚度K cx和K cz分别表示为：
（3）
（4）
式中，L cx、L cz分别为抑制弹性板沿X轴和Z轴的尺寸。当抑制弹性板在X轴方向和Z轴方向有相同的刚度时，传感器抵抗沿X轴和Z轴振动信号的能力相当，因此设置抑制弹性板沿Z轴的尺寸等于沿Y轴尺寸。
本发明的技术方案还有：所述光纤支柱的YZ横截面为梯形。为了保证传感器有良好的动态响应能力，应在保证光纤支柱刚度的前提下尽可能减小光纤支柱的质量，故优选地可将光纤支柱的YZ截面设计为梯形。
本发明的技术方案还有：所述第二质量块与固定块之间设置有两个相互平行的抑制弹性板。抑制弹性板与第二质量块构成U型梁结构，两个抑制弹性板的长度相等，U型梁的正交耦合刚度为零，这样能够减小由于抑制弹性板的加工误差或装配误差引入的正交耦合误差。
一种利用上述光纤光栅振动传感器的测量方法，包括如下步骤：
步骤S1、测量时，将传感器的壳体固定在被测物体上，保持壳体的底面与待测物体的表面安装在一起，使传感器的底面保持水平即保证光纤光栅水平设置，当被测物体产生振动时，第一质量块在惯性力作用下，沿Y轴运动；此时，两个左右对称的水平弹性板产生弯曲变形；由于正交耦合抑制模块在Y轴方向刚度较大，因此在此过程中正交耦合抑制模块固定不运动；水平弹性板的弯曲变形通过光纤支柱的放大作用传递给光纤光栅，造成光纤光栅的拉伸或者压缩，使得光纤光栅的中心波长发生漂移；
步骤S2、建立被测物体加速度与光纤光栅波长漂移量之间的关系模型；
在传感器结构中，光纤光栅与各弹性板的刚度相比较小，因此为了简化计算过程，忽略光纤光栅刚度对传感器结构的影响；当外界有沿Y轴的加速度a输入时，第一质量块在惯性力m 1 a作用下，引起水平弹性板产生弯曲变形；
根据弹性理论，水平弹性板横截面转角θ为：
（5）
式中，m 1为第一质量块的质量，E为水平弹性板的杨氏模量，I为水平弹性板的截面惯性矩，L为水平弹性板的长度，x为沿水平弹性板长度方向的可变参量；从式（5）能够得出，光纤支柱设置在水平弹性板的中间位置，即x=L/2时截面转角达到最大值，这也是光纤支柱设置在水平弹性板中间位置的原因；
其中当x=1/2L，得到水平弹性板最大的横截面转角θ max：
（6）
光纤支柱近似为刚性体，则光纤光栅单端的变形量为：
（7）
式中，H为光纤支柱的高度；
根据光纤光栅传感机理，光纤光栅的中心波长变化量与应变的关系为：
（8）
式中，为光纤光栅的中心波长变化量，p e为光纤光栅的光弹系数，λ为光纤光栅中心波长，L f为未发生变形时的光纤光栅与光纤支柱两个连接点间的长度；联立式（6）~式（8），得到外界输入加速度a与光纤光栅中心波长变化量的关系：
（9）
依据式（9）即可由光纤光栅中心波长的变化量得到外界的振动信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将光纤光栅水平设置在壳体上，在光纤光栅下方设置第一质量块，通过在第一质量块左右两侧对称设置水平弹性板，并在水平弹性板上方中心处竖直设置光纤支柱，将光纤支柱上端与光纤光栅相连。水平弹性板远离第一质量块的一端与固定在壳体上的正交耦合抑制模块相连。当有外界加速度输入，由于惯性作用第一质量块沿Y轴运动，此时水平弹性板在沿X轴中间位置处的转角θ最大，将光纤支柱设置在水平弹性板中心处，可放大第一质量块对光纤光栅的拉伸和压缩作用，增大传感器灵敏度。
而正交耦合抑制模块包括与水平弹性板相连的第二质量块，并在第二质量块上下两端对称设置竖直抑制弹性板，弹性板竖直设置在第二质量块上并通过固定块与壳体相连。由于抑制弹性板沿Y轴方向的刚度大于抑制弹性板沿X轴和Z轴方向的刚度，抑制弹性板沿X轴和Z轴方向的刚度分别小于水平弹性板沿X轴和Z轴方向的刚度，当有沿X轴或者Z轴方向的横向振动时，水平弹性板在X轴、Z轴方向刚度大，而抑制弹性板在X轴、Z轴方向刚度小。所以光纤光栅、第一质量块、水平弹性板和光纤支柱作为一个整体沿X轴、Z轴向整体平行移动，从而保证水平弹性板不会产生X轴方向或者Z轴方向的变形，水平弹性板无形变，光纤光栅不受拉压左右，从而能够抵抗横向干扰，起到减小交叉耦合误差的效果。
而由于抑制弹性板沿Y轴方向的刚度大于水平弹性板沿Y轴方向的刚度，当有沿Y轴方向的竖向振动时，抑制弹性板不会发生沿Y轴方向的变形，第二质量块不会发生移动，因此不影响传感器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明所述光纤光栅振动传感器的结构示意图；
图2为本发明所述水平弹性板的结构示意图；
图3为本发明所述抑制弹性板的结构示意图；
图4为本发明所述光纤支柱的结构示意图；
图5为本发明所述抑制弹性板与第二质量块构成的U型梁结构示意图；
图6为本发明所述光纤光栅振动传感器的受力变形示意图；
图中，100、光纤光栅；
1、壳体；2、第一质量块；3、水平弹性板；4、光纤支柱；
5、第二质量块；6、抑制弹性板；7、固定块。
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。
如图1所示，一种光纤光栅振动传感器，包括光纤光栅100、壳体1、第一质量块2、水平弹性板3、光纤支柱4和正交耦合抑制模块。壳体1为矩形结构，设置有空腔，第一质量块2、水平弹性板3、光纤支柱4和正交耦合抑制模块均设置在空腔内。
所述壳体1上设置有与光纤光栅100匹配的凹槽，为了方便装配，凹槽设置在壳体1的上端面，所述光纤光栅100水平设置在凹槽内，光纤光栅100通过胶粘等手段固定在凹槽内，所述第一质量块2设置在光纤光栅100下方，所述第一质量块2上端面与壳体1上端面平行设置，所述第一质量块2左右两侧对称设置有水平弹性板3，所述水平弹性板3上方竖直设置有光纤支柱4，所述光纤支柱4位于水平弹性板3中心处，所述光纤支柱4上端与光纤光栅100相连。光纤支柱4不是弹性板，光纤支柱4的刚度非常大，工作过程中无变形。
所述水平弹性板3远离第一质量块2的一端与正交耦合抑制模块相连，所述正交耦合抑制模块固定设置在壳体1上。
所述正交耦合抑制模块包括第二质量块5、抑制弹性板6和固定块7，所述水平弹性板3与第二质量块5相连，所述第二质量块5上下两端对称设置有抑制弹性板6，所述抑制弹性板6竖直设置在第二质量块5上。
所述抑制弹性板6远离第二质量块5的一端与固定块7相连，所述固定块7与壳体1固定连接。所述第二质量块5与固定块7之间设置有两个相互平行的抑制弹性板6。水平弹性板3和抑制弹性板6采用相同材料制备，通常选择弹簧钢或者铍青铜作为弹性板的制备材料。
所述抑制弹性板6沿Y轴方向的刚度大于抑制弹性板6沿X轴和Z轴方向的刚度，所述抑制弹性板6沿Y轴方向的刚度大于水平弹性板3沿Y轴方向的刚度，所述抑制弹性板6沿X轴和Z轴方向的刚度分别小于水平弹性板3沿X轴和Z轴方向的刚度。
所述第一质量块2的质量为第二质量块5的质量的3倍。
如图2所示，所述水平弹性板3沿Z轴的尺寸为水平弹性板3沿Y轴尺寸的5倍。
如图3所示，所述抑制弹性板6沿Z轴的尺寸等于抑制弹性板6沿Y轴的尺寸。
如图4所示，所述光纤支柱4的YZ横截面为梯形。
本发明还公开了一种光纤光栅振动传感器的测量方法，包括如下步骤：
步骤S1、测量时，将传感器的壳体1固定在被测物体上，保持壳体1的底面与待测物体的表面安装在一起，使传感器的底面保持水平即保证光纤光栅100水平设置，当被测物体产生振动时，第一质量块2在惯性力作用下，沿Y轴运动；此时，两个左右对称的水平弹性板3产生弯曲变形；由于正交耦合抑制模块在Y轴方向刚度较大，因此在此过程中正交耦合抑制模块固定不运动；水平弹性板3的弯曲变形通过光纤支柱4的放大作用传递给光纤光栅100，造成光纤光栅100的拉伸或者压缩，使得光纤光栅100的中心波长发生漂移。
步骤S2、建立被测物体加速度与光纤光栅波长漂移量之间的关系模型。
在传感器结构中，光纤光栅100与各弹性板的刚度相比较小，因此为了简化计算过程，忽略光纤光栅刚度对传感器结构的影响；当外界有沿Y轴的加速度a输入时，第一质量块2在惯性力m 1 a作用下，引起水平弹性板产生弯曲变形。
根据弹性理论，水平弹性板横截面转角θ为：
（5）
式中，m 1为第一质量块的质量，E为水平弹性板的杨氏模量，I为水平弹性板的截面惯性矩，如图6实线部分所示，L为水平弹性板的长度，x为沿水平弹性板长度方向（X轴方向）的可变参量，即沿水平弹性板长度方向光纤支柱与水平弹性板连接点到水平弹性板一端的距离；从式（5）能够得出，光纤支柱4设置在水平弹性板3的中间位置，即x=L/2时截面转角达到最大值，这也是光纤支柱4设置在水平弹性板3中间位置的原因。
其中当x=1/2L，得到水平弹性板3最大的横截面转角θ max：
（6）
光纤支柱近似为刚性体，则光纤光栅100单端的变形量为：
（7）
式中，如图6中实线部分所示，H为光纤支柱的高度。
根据光纤光栅传感机理，光纤光栅的中心波长变化量与应变的关系为：
（8）
式中，为光纤光栅的中心波长变化量，p e为光纤光栅的光弹系数，λ为光纤光栅中心波长，如图6中实线部分所示，L f为未发生变形时的光纤光栅与光纤支柱两粘接点间的长度；其中2∆L f/L f为光纤光栅的应变，联立式（6）~式（8），得到外界输入加速度a与光纤光栅中心波长变化量的关系：
（9）
依据式（9）即可由光纤光栅中心波长的变化量得到外界的振动信息。
工作原理：光纤光栅振动传感器的正交耦合误差E c可表示为：
（10）
式中，S为传感器灵敏度，C c为传感器正交耦合系数。近年来研究热点大多集中于提高传感器的灵敏度，随着灵敏度的提高，传感器正交耦合效应引起的正交误差变得不容忽视，严重影响传感器的测量精度和推广应用。因此亟需开发一种高灵敏度、且低正交耦合误差的光纤光栅振动传感器。
本申请的光纤光栅振动传感器，其中，8个抑制弹性板6如图1所示设置，抑制弹性板6在敏感轴Y轴方向刚度大，而在X轴和Z轴方向刚度小，因此当外界有X轴和Z轴方向加速度输入的时候，能够有效保证水平弹性板3不变形，第一质量块2、水平弹性板3和光纤支柱4作为整体沿X轴或者Z轴平移，此时光纤光栅100不受拉压作用，因此达到减小正交耦合误差的作用。
更进一步的，抑制弹性板6与第二质量块5构成U型梁结构。
假设U型梁力学模型如图5所示，根据弹性力学能量方法和边界条件，可得U型梁的正交耦合刚度k xy：
（11）
式中，E’为抑制弹性板的杨氏模量，L 1为其中一个抑制弹性板的长度，L 2为另一个抑制弹性板的长度，L g为第二质量块沿X轴方向的尺寸，I z为抑制弹性板在Z轴方向的截面惯性矩。
根据上式可得，当U型梁L 1=L 2时（即两个抑制弹性板6的长度相等），U型梁的正交耦合刚度为零，这样能够减小由于抑制弹性板6的加工误差或装配误差引入的正交耦合误差。
如图6所示，当外界有沿Y轴的振动输入时，第一质量块2在惯性力的作用下，沿Y轴运动，发生如图6虚线部分所示的变形。根据材料力学知识，水平弹性板3的截面转角θ在中间位置处最大得到θ max。因此将光纤支柱4设置于水平弹性板3的中心处，以使得光纤光栅100的变形量最大。此变形量可表示为：
（12）
式中，H为光纤支柱4的高度，优选地，为了获得更高的灵敏度，H应在满足传感器整体尺寸的前提下，取最大值，即在壳体1空腔体积允许的范围内，尽量增大光纤支柱4的高度。
Claims (6)
1.一种光纤光栅振动传感器，其特征在于：包括光纤光栅（100）、壳体（1）、第一质量块（2）、水平弹性板（3）、光纤支柱（4）和正交耦合抑制模块；
所述光纤光栅（100）水平设置在壳体（1）上，所述第一质量块（2）设置在光纤光栅（100）下方，所述第一质量块（2）左右两侧对称设置有水平弹性板（3），所述水平弹性板（3）上方竖直设置有光纤支柱（4），所述光纤支柱（4）位于水平弹性板（3）中心处，所述光纤支柱（4）上端与光纤光栅（100）相连；
所述水平弹性板（3）远离第一质量块（2）的一端与正交耦合抑制模块相连，所述正交耦合抑制模块固定设置在壳体（1）上；
所述正交耦合抑制模块包括第二质量块（5）、抑制弹性板（6）和固定块（7），所述水平弹性板（3）与第二质量块（5）相连，所述第二质量块（5）上下两端对称设置有抑制弹性板（6），所述抑制弹性板（6）竖直设置在第二质量块（5）上；
所述抑制弹性板（6）远离第二质量块（5）的一端与固定块（7）相连，所述固定块（7）与壳体（1）固定连接；
所述抑制弹性板（6）沿Y轴方向的刚度大于沿X轴和Z轴方向的刚度，所述抑制弹性板（6）沿Y轴方向的刚度大于水平弹性板（3）沿Y轴方向的刚度，所述抑制弹性板（6）沿X轴和Z轴方向的刚度分别小于水平弹性板（3）沿X轴和Z轴方向的刚度；
采用上述光纤光栅振动传感器进行测量的方法包括如下步骤：
步骤S1、测量时，将传感器的壳体（1）固定在被测物体上，保持壳体（1）的底面与待测物体的表面安装在一起，使传感器的底面保持水平，当被测物体产生振动时，第一质量块（2）在惯性力作用下，沿Y轴运动；此时，两个左右对称的水平弹性板（3）产生弯曲变形；水平弹性板（3）的弯曲变形通过光纤支柱（4）的放大作用传递给光纤光栅（100），造成光纤光栅（100）的拉伸或者压缩，使得光纤光栅（100）的中心波长发生漂移；
步骤S2、建立被测物体加速度与光纤光栅（100）波长漂移量之间的关系模型；
当外界有沿Y轴的加速度a输入时，第一质量块（2）在惯性力m 1 a作用下，引起水平弹性板（3）产生弯曲变形；
根据弹性理论，水平弹性板（3）横截面转角θ为：
（5）
其中，m 1为第一质量块的质量，E为水平弹性板的杨氏模量，I为水平弹性板的截面惯性矩，L为水平弹性板的长度，x为沿水平弹性板长度方向的可变参量；
其中当x=1/2L，得到水平弹性板（3）最大的横截面转角θ max；
（6）
光纤光栅（100）单端的变形量为：
（7）
其中，H是光纤支柱的高度；
根据光纤光栅传感机理，光纤光栅的中心波长变化量与应变的关系为：
（8）
其中，为光纤光栅的中心波长变化量，p e为光纤光栅的光弹系数，λ为光纤光栅中心波长，L f为未发生变形时的光纤光栅与光纤支柱两个连接点间的长度；联立式（6）~式（8），得到外界输入加速度a与光纤光栅中心波长变化量的关系：
（9）
依据式（9）即可由光纤光栅中心波长的变化量得到外界的振动信息。
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：所述第一质量块（2）的质量为第二质量块（5）的质量的3倍以上。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述水平弹性板（3）沿Z轴的尺寸为水平弹性板（3）沿Y轴尺寸的5倍以上。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述抑制弹性板（6）沿Z轴的尺寸等于抑制弹性板（6）沿Y轴的尺寸。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述光纤支柱（4）的YZ横截面为梯形。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述第二质量块（5）与固定块（7）之间设置有两个相互平行的抑制弹性板（6）。
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Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012202686A (ja) * | 2011-03-23 | 2012-10-22 | Toyota Industries Corp | Ｆｂｇ振動センサ |
| CN107144705A (zh) * | 2017-07-06 | 2017-09-08 | 山东省科学院激光研究所 | 一种光纤光栅加速度计 |
| CN107389978A (zh) * | 2017-09-08 | 2017-11-24 | 北京大学 | 一种弱反射布拉格光栅加速度计及其传感方法 |
| CN107478860A (zh) * | 2017-08-31 | 2017-12-15 | 山东省科学院激光研究所 | 一种光纤光栅加速度传感器 |
| CN207114575U (zh) * | 2017-07-06 | 2018-03-16 | 山东省科学院激光研究所 | 一种光纤光栅加速度计 |
| CN108663111A (zh) * | 2018-04-28 | 2018-10-16 | 武汉理工大学 | 膜片与菱形组合结构的光纤光栅加速度传感器及测量方法 |
| CN108982916A (zh) * | 2018-07-04 | 2018-12-11 | 石家庄铁道大学 | 一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器 |
| CN109828123A (zh) * | 2019-03-04 | 2019-05-31 | 武汉理工大学 | 一种基于长周期光纤光栅弯曲特性的二维加速度传感器及测量方法 |
| CN110531111A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-12-03 | 武汉理工大学 | 一种小型化具有温度补偿的光纤光栅加速度传感器及其测量方法 |
| CN110531109A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-12-03 | 武汉理工大学 | 一种小型弹性板结构的光纤光栅加速度传感器及其测量方法 |
| CN211741334U (zh) * | 2020-04-26 | 2020-10-23 | 防灾科技学院 | 一种用于地震监测的光纤光栅加速度传感器 |
| CN111879969A (zh) * | 2020-08-31 | 2020-11-03 | 防灾科技学院 | 一种中高频椭圆铰链双光纤光栅加速度传感器及测量方法 |
| RU2749641C1 (ru) * | 2020-07-21 | 2021-06-16 | Игорь Леонидович Дробот | Универсальный инерциальный волоконно-оптический акселерометр |
| CN113109592A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-07-13 | 武汉理工大学 | 一种悬臂梁式三维fbg加速度传感器 |
| CN114509151A (zh) * | 2022-02-17 | 2022-05-17 | 西北大学 | 自带温度和预应力补偿的一维光纤光栅振动传感器 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220137088A1 (en) * | 2019-02-18 | 2022-05-05 | Somni Corporation B.V. | Fibre optic accelerometer |
-
2023
- 2023-06-27 CN CN202310762617.6A patent/CN116499576B/zh active Active
Patent Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012202686A (ja) * | 2011-03-23 | 2012-10-22 | Toyota Industries Corp | Ｆｂｇ振動センサ |
| CN107144705A (zh) * | 2017-07-06 | 2017-09-08 | 山东省科学院激光研究所 | 一种光纤光栅加速度计 |
| CN207114575U (zh) * | 2017-07-06 | 2018-03-16 | 山东省科学院激光研究所 | 一种光纤光栅加速度计 |
| CN107478860A (zh) * | 2017-08-31 | 2017-12-15 | 山东省科学院激光研究所 | 一种光纤光栅加速度传感器 |
| CN107389978A (zh) * | 2017-09-08 | 2017-11-24 | 北京大学 | 一种弱反射布拉格光栅加速度计及其传感方法 |
| CN108663111A (zh) * | 2018-04-28 | 2018-10-16 | 武汉理工大学 | 膜片与菱形组合结构的光纤光栅加速度传感器及测量方法 |
| CN108982916A (zh) * | 2018-07-04 | 2018-12-11 | 石家庄铁道大学 | 一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器 |
| CN109828123A (zh) * | 2019-03-04 | 2019-05-31 | 武汉理工大学 | 一种基于长周期光纤光栅弯曲特性的二维加速度传感器及测量方法 |
| CN110531111A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-12-03 | 武汉理工大学 | 一种小型化具有温度补偿的光纤光栅加速度传感器及其测量方法 |
| CN110531109A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-12-03 | 武汉理工大学 | 一种小型弹性板结构的光纤光栅加速度传感器及其测量方法 |
| CN211741334U (zh) * | 2020-04-26 | 2020-10-23 | 防灾科技学院 | 一种用于地震监测的光纤光栅加速度传感器 |
| RU2749641C1 (ru) * | 2020-07-21 | 2021-06-16 | Игорь Леонидович Дробот | Универсальный инерциальный волоконно-оптический акселерометр |
| CN111879969A (zh) * | 2020-08-31 | 2020-11-03 | 防灾科技学院 | 一种中高频椭圆铰链双光纤光栅加速度传感器及测量方法 |
| CN113109592A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-07-13 | 武汉理工大学 | 一种悬臂梁式三维fbg加速度传感器 |
| CN114509151A (zh) * | 2022-02-17 | 2022-05-17 | 西北大学 | 自带温度和预应力补偿的一维光纤光栅振动传感器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| A Novel Miniaturized Fiber Bragg Grating Vibration Sensor;Li Wei, et al;《IEEE Sensors Journal》;第19卷(第24期);第11932-11940页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116499576A (zh) | 2023-07-28 |
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