CN117191179B - 一种采用双四芯fbg的三轴振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器，包括金属外壳，在金属外壳内具有沿水平方向设置的水平四芯光纤，以及沿竖直方向设置的竖直四芯光纤；水平四芯光纤上设置第一质量块和第一金属插芯，第一金属插芯与所述第一质量块之间的间隙与水平四芯光纤的光栅栅区的长度相同；竖直四芯光纤上设置第二质量块和第二金属插芯，第二金属插芯与第二质量块之间的间隙与竖直四芯光纤的光栅栅区的长度相同；水平四芯光纤，用于测量x方向和y方向的振动；竖直四芯光纤，用于测量x方向和z方向的振动。本发明传感器具有尺寸小，可以实现多个方向上的振动监测的优点，可适用于航天环境的微振动检测，可广泛应用于光纤传感器领域。

Description

一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器。

背景技术

人工空间相机随着卫星在发射升空、在轨运行期间经历复杂、多变、多因素交叉的特殊环境，尤其是发射主动段大量级及在轨微振动等力学环境激励，对于空间相机的成像性能和资源代价有重要影响。卫星在轨时，运动部件如大力矩陀螺、动量轮、太阳翼等产生的扰动力矩传递到相机安装面，会产生上千赫兹带宽的mg量级微振动。此类颤振影响成像时期光学部件瞬时相对位姿关系，在像面产生像移引发各级次电荷失配，最终造成高分影像的模糊扭曲等现象，严重影响敏感目标解析判读。因此，亟需在光机系统内部同时实现发射段强振动、在轨微振动的空间分布多点振动测量功能。光纤光栅振动传感器具有抗干扰能力强、可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀等优点，可以在恶劣条件下使用，能够应用于宇航环境。

目前，光纤光栅振动传感器的结构主要包括：铰链结构、悬臂梁结构、膜片式结构等等。这些结构的每一种都有其自身的优点，但是由于尺寸规格较大不满足安装条件，不能满足宇航环境的安装与监测需求。

发明内容

为了解决现有技术中光纤光栅振动传感器尺寸规格较大不满足安装条件，不能满足宇航环境的安装与监测需求的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器，所述三轴振动传感器包括金属外壳，在金属外壳内具有沿水平方向设置的水平四芯光纤，以及沿竖直方向设置的竖直四芯光纤；

所述水平四芯光纤上设置第一质量块和第一金属插芯，所述第一金属插芯与所述第一质量块之间的间隙与水平四芯光纤的光栅栅区的长度相同；

所述竖直四芯光纤上设置第二质量块和第二金属插芯，所述第二金属插芯与所述第二质量块之间的间隙与竖直四芯光纤的光栅栅区的长度相同；

所述水平四芯光纤，用于测量x方向和y方向的振动；所述竖直四芯光纤，用于测量x方向和z方向的振动。

优选地，所述水平四芯光纤外周套设第一镍钛合金管，所述竖直四芯光纤外周套设第二镍钛合金管。

优选地，所述金属外壳对应所述第一金属插芯的位置设置安装槽，用于安装所述第一金属插芯；

所述金属外壳对应所述第二金属插芯的位置设置安装槽，用于安装所述第二金属插芯，

所述水平四芯光纤的一端伸出所述金属外壳，所述竖直四芯光纤的一端伸出所述金属外壳。

优选地，第一金属插芯和第一质量块上打孔，用于插入所述水平四芯光纤外周套设的第一镍钛合金管；

第二金属插芯和第二质量块上打孔，用于插入所述竖直四芯光纤外周套设的第二镍钛合金管。

本发明的另一个目的在于提供一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器的制备方法，所述制备方法包括：

S1、取一根四芯光纤作为水平四芯光纤，清洗、晾干；

第一质量块和第一金属插芯打孔，利用金属通针依次穿过第一镍钛合金管、第一金属插芯和第一质量块的孔，清除第一镍钛合金管、第一金属插芯和第一质量块的孔内残留碎屑，确保水平四芯光纤能够顺利穿过；

S2、对水平四芯光纤刻栅后并做好标记，将水平四芯光纤两端固定在夹具平台上，通过显微镜放大标记好的栅区位置，利用上位机图像处理软件，连续采集实时图像信息；保持显微镜位置不变，调整夹具位置，使水平四芯光纤的光栅位置在上位机中能够完全显现；

S3、利用上位机图像处理软件显示水平四芯光纤的光栅栅区位置，确定标记位置左右两侧的像素坐标并记录，两个像素坐标范围内的区域即水平四芯光纤的栅区位置；

S4、用乙醇擦拭水平四芯光纤的光栅栅区的标记，并在显微镜下观测是否清除干净；

S5、松开水平四芯光纤一端的夹具，将水平四芯光纤穿入第一镍钛合金管，第一镍钛合金管穿入第一金属插芯和第一质量块的孔内，利用夹具平台重新夹紧水平四芯光纤；

S6、将胶均匀涂敷在水平四芯光纤表面，移动第一镍钛合金管，确保第一镍钛合金管完全覆盖住水平四芯光纤的光栅，加热固化；

固化完成后，将胶均匀涂敷在第一镍钛合金管表面，移动第一金属插芯和第一质量块，确保第一金属插芯与第一质量块之间的间隙与水平四芯光纤的光栅栅区的长度相同，继续加热固化；

S7、步骤S1至步骤S6将制备完成的水平四芯光纤组件穿入金属外壳，第一金属插芯置于金属外壳的安装槽中，点胶、加热固化使第一金属插芯与金属外壳固定；

在金属外壳远离第一质量块的一端安装第一金属插芯，并且水平四芯光纤伸出金属外壳，点胶、加热固化使第一金属插芯与金属外壳固定；

S8、重复步骤S1至S7，将竖直四芯光纤封装在金属外壳内。

本发明提供的一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器及其制备方法，三轴振动传感器将四芯光纤作为弹性元件，结构简单，实现了微型化，利用四芯光纤的弯曲传感原理检测光纤中心波长变化，从而实现振动监测，同时由于四芯光纤自身的特性，单根四芯光纤光栅能够实现二维的振动监测，将两根四芯光纤光栅组合实现三个方向的振动监测。

本发明提供的一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器及其制备方法，传感器具有尺寸小，可以实现多个方向上的振动监测的优点，可适用于航天环境的微振动检测，可广泛应用于光纤传感器领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性示出了本发明一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器的整体结构示意图。

图2示出了本发明一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器的内部结构示意图。

图3示出了一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器的端盖示意图。

图4示出了本发明水平四芯光纤的截面示意图。

图5示出了多芯光纤写制FBG后弯曲传感原理示意图。

图6示出了传感器力学理论分析图。

图7示出了本发明水平四芯光纤和竖直四芯光纤在O-XYZ直角坐标系下的示意图。

图8示出了本发明一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器x方向应变测量的原理图。

图9示出了本发明一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器y方向应变测量的原理图。

图10示出了本发明一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器z方向应变测量的原理图。

具体实施方式

为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。

为了解决现有技术中光纤光栅振动传感器尺寸规格较大不满足安装条件，不能满足宇航环境的安装与监测需求的技术问题，本发明提供一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器及其制备方法。

结合图1至图4，根据本发明的实施例，针对三轴振动传感器尺寸较大的缺陷，提供一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器包括金属外壳5，在金属外壳5内具有沿水平方向设置的水平四芯光纤1，以及沿竖直方向设置的竖直四芯光纤10。水平四芯光纤1外周套设第一镍钛合金管2，竖直四芯光纤10外周套设第二镍钛合金管9。

水平四芯光纤1上设置第一质量块3和第一金属插芯4，第一金属插芯3与第一质量块4之间的间隙与水平四芯光纤1的光栅栅区的长度相同。水平四芯光纤1，用于测量x方向和y方向的振动。

竖直四芯光纤10上设置第二质量块8和第二金属插芯7，第二金属插芯8与第二质量块7之间的间隙与竖直四芯光纤10的光栅栅区的长度相同。竖直四芯光纤10，用于测量x方向和z方向的振动。

具体地，第一金属插芯4和第一质量块3上打孔，用于插入水平四芯光纤1外周套设的第一镍钛合金管2。第二金属插芯7和第二质量块8上打孔，用于插入竖直四芯光纤10外周套设的第二镍钛合金管9。

在一个优选的实施例中，第一质量块3和第二质量块8采用风叶形状质量块。

金属外壳5对应第一金属插芯4的位置设置安装槽，用于安装第一金属插芯4。金属外壳5对应第二金属插芯7的位置设置安装槽，用于安装第二金属插芯7。第一金属插芯4和第二金属插芯7固定在金属外壳5作为固定端固定水平四芯光纤1和竖直四芯光纤10。水平四芯光纤4的一端伸出金属外壳5，竖直四芯光纤10的一端伸出金属外壳5，如图1和图2所示。

当水平四芯光纤1和竖直四芯光纤10封装在金属外壳5后，通过端盖6盖合金属外壳5，封闭双四芯FBG的三轴振动传感器内部。

在一个优选的实施例中，金属外壳5尺寸为15×15×15mm。

当外界产生振动时，激励将作用在第一质量块3和第二质量块8上，使之产生振动，从而使水平四芯光纤的光栅和竖直四芯光纤的光栅发生弯曲变形，检测其中心波长的变化量即可实现对外界振动的监测，下面对具体的测量原理进行说明。

为了简化多芯光纤中的复杂问题，假设光纤产生弯曲，光纤的横截面仍让保持不变，并且光纤中心线不随弯曲变化，假设多芯光纤内部仅有两根纤芯，并且刻写光栅的位置相同，中心波长相同。如图5所示，当处同一平面上的两根纤芯弯曲时，可以认为内侧的FBG收到压缩，外侧的FBG受到拉伸，多芯光纤FBG的弯曲传感原理可以通过以下公式解释：

当纤芯间距为d时，弯曲的曲率半径为R，两个FBG之间产生的应变差为：

ΔE＝E₁-E₂＝d/R (1)

因此可以得到当光纤产生弯曲时，FBG的波长漂移量为：

Δλ＝λ(1-P_e)·d/R (2)

式中，λ是纤芯FBG的中心波长，Pe是弹光效应系数。

基于四芯光纤的三轴振动传感器的灵敏度公式可以表达为：

如图6所示，当光纤受到垂直光纤方向的力的作用时，光纤会产生弯曲。假设一端被固定的光纤长度为L，受垂直光纤的力作用后，光纤沿着力的方向产生的位移为s_y，沿着光纤轴向产生的位移为s_x，此时质量块固定光纤的位置与插芯固定光纤的距离D为：

此时弯曲的半径为R，半角为θ，根据几何关系有：

可以求得弯曲半径的公式为：

结合公式(2)(6)，可以求得光纤的波长漂移量的大小，从而可以实现振动监测的目的。

结合图7至图10，当第一质量块3沿x方向振动时，水平四芯光纤1的②号纤芯上的光栅和④号纤芯上的光栅波长变化量大小相等，符号相反，因此可以用水平四芯光纤1的②号纤芯上的光栅和④号纤芯上的光栅的实时波长差来计算x方向的振动加速度和频率，x方向应变公式可以表示为：

E_x＝k₁(λ₂-λ₄)，k₁是一个系数。

如图9所示，同理当第一质量块3沿y方向振动时，水平四芯光纤1的①号纤芯上的光栅和③号纤芯上的光栅波长变化量大小相等，符号相反，因此可以水平四芯光纤1的①号纤芯上的光栅和③号纤芯上的光栅的实时波长差来计算y方向的振动加速度和频率，y方向应变公式可以表示为：

E_y＝k₁(λ₁-λ₃)，k₁是一个系数。

因为单根四芯光纤只能测量两个方向上的振动，因此需要两个四芯光纤光栅振动传感器组合来完成对三个方向上的振动监测。

本发明水平四芯光纤1实现x方向、y方向的测测量，竖直四芯光纤10实现x方向和z方向的测量，进而实现3个方向的测量。

如图10所示，当第二质量块8沿z方向振动时，竖直四芯光纤10的①号纤芯上的光栅和③号纤芯上的光栅波长变化量大小相等，符号相反，因此可以用竖直四芯光纤10的①号纤芯上的光栅和③号纤芯上的光栅的实时波长差来计算z方向的振动加速度和频率，z方向应变公式可以表示为：

E_z＝k₂(λ₃-λ₁)，k₂是一个系数。

结合图2，根据本发明的实施例，提供一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器的制备方法，所述制备方法包括：

步骤S1、取一根四芯光纤作为水平四芯光纤，清洗、晾干。

第一质量块3和第一金属插芯4打孔，利用金属通针依次穿过第一镍钛合金管2、第一金属插芯4和第一质量块3的孔，清除第一镍钛合金管2、第一金属插芯4和第一质量块3的孔内残留碎屑，确保水平四芯光纤1能够顺利穿过。

步骤S2、对水平四芯光纤1刻栅后并做好标记，将水平四芯光纤1两端固定在夹具平台上，通过显微镜放大标记好的栅区位置，利用上位机图像处理软件，连续采集实时图像信息；保持显微镜位置不变，调整夹具位置，使水平四芯光纤1的光栅位置在上位机中能够完全显现。

步骤S3、利用上位机图像处理软件显示水平四芯光纤1的光栅栅区位置，确定标记位置左右两侧的像素坐标并记录，两个像素坐标范围内的区域即水平四芯光纤1的栅区位置。

在一个优选的实施例中，水平四芯光纤1的光栅栅区长度为1-2mm。

步骤S4、用乙醇擦拭水平四芯光纤1的光栅栅区的标记，并在显微镜下观测是否清除干净。

步骤S5、松开水平四芯光纤1一端的夹具，将水平四芯光纤1穿入第一镍钛合金管2，第一镍钛合金管2穿入第一金属插芯4和第一质量块3的孔内，利用夹具平台重新夹紧水平四芯光纤1。

步骤S6、将胶均匀涂敷在水平四芯光纤1表面，移动第一镍钛合金管2，确保第一镍钛合金管2完全覆盖住水平四芯光纤1的光栅，加热固化。

固化完成后，将胶均匀涂敷在第一镍钛合金管2表面，移动第一金属插芯4和第一质量块3，确保第一金属插芯4与第一质量块3之间的间隙与水平四芯光纤1的光栅栅区的长度相同，继续加热固化。

步骤S7、步骤S1至步骤S6将制备完成的水平四芯光纤组件穿入金属外壳5，第一金属插芯4置于金属外壳的安装槽中，点胶、加热固化使第一金属插芯4与金属外壳5固定。第一金属插芯4作为固定端固定水平四芯光纤1。

在金属外壳5远离第一质量块4的一端安装第一金属插芯4，并且水平四芯光纤1伸出金属外壳5，点胶、加热固化使第一金属插芯4与金属外壳5固定，如图2所示。

步骤S8、重复步骤S1至S7，将竖直四芯光10纤封装在金属外壳5内。竖直四芯光10与水平四芯光纤1相互垂直的方式封装，竖直四芯光10的封装过程与水平四芯光纤1的封装过程相同，这里不再赘述。

本发明提供的四芯FBG(光纤光栅)三轴振动传感器，通过将光纤光栅本身作为弹性元件，通过质量块振动使多芯光纤弯曲，中心波长发生漂移，以此来检测振动，具有尺寸小，可以实现多个方向上的振动监测的优点，可适用于航天环境的微振动检测。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器，其特征在于，所述三轴振动传感器包括金属外壳，在金属外壳内具有沿水平方向设置的水平四芯光纤，以及沿竖直方向设置的竖直四芯光纤；

所述水平四芯光纤上设置第一质量块和第一金属插芯，所述第一金属插芯与所述第一质量块之间的间隙与水平四芯光纤的光栅栅区的长度相同；

所述竖直四芯光纤上设置第二质量块和第二金属插芯，所述第二金属插芯与所述第二质量块之间的间隙与竖直四芯光纤的光栅栅区的长度相同；

所述水平四芯光纤，用于测量x方向和y方向的振动；所述竖直四芯光纤，用于测量x方向和z方向的振动。

2.根据权利要求1所述的三轴振动传感器，其特征在于，所述水平四芯光纤外周套设第一镍钛合金管，所述竖直四芯光纤外周套设第二镍钛合金管。

3.根据权利要求1所述的三轴振动传感器，其特征在于，所述金属外壳对应所述第一金属插芯的位置设置安装槽，用于安装所述第一金属插芯；

所述金属外壳对应所述第二金属插芯的位置设置安装槽，用于安装所述第二金属插芯，

所述水平四芯光纤的一端伸出所述金属外壳，所述竖直四芯光纤的一端伸出所述金属外壳。

4.根据权利要求2所述的三轴振动传感器，其特征在于，第一金属插芯和第一质量块上打孔，用于插入所述水平四芯光纤外周套设的第一镍钛合金管；

第二金属插芯和第二质量块上打孔，用于插入所述竖直四芯光纤外周套设的第二镍钛合金管。

5.一种采用双四芯FBG的三轴振动传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

S1、取一根四芯光纤作为水平四芯光纤，清洗、晾干；

第一质量块和第一金属插芯打孔，利用金属通针依次穿过第一镍钛合金管、第一金属插芯和第一质量块的孔，清除第一镍钛合金管、第一金属插芯和第一质量块的孔内残留碎屑，确保水平四芯光纤能够顺利穿过；

S2、对水平四芯光纤刻栅后并做好标记，将水平四芯光纤两端固定在夹具平台上，通过显微镜放大标记好的栅区位置，利用上位机图像处理软件，连续采集实时图像信息；保持显微镜位置不变，调整夹具位置，使水平四芯光纤的光栅位置在上位机中能够完全显现；

S3、利用上位机图像处理软件显示水平四芯光纤的光栅栅区位置，确定标记位置左右两侧的像素坐标并记录，两个像素坐标范围内的区域即水平四芯光纤的栅区位置；

S4、用乙醇擦拭水平四芯光纤的光栅栅区的标记，并在显微镜下观测是否清除干净；

S5、松开水平四芯光纤一端的夹具，将水平四芯光纤穿入第一镍钛合金管，第一镍钛合金管穿入第一金属插芯和第一质量块的孔内，利用夹具平台重新夹紧水平四芯光纤；

S6、将胶均匀涂敷在水平四芯光纤表面，移动第一镍钛合金管，确保第一镍钛合金管完全覆盖住水平四芯光纤的光栅，加热固化；

固化完成后，将胶均匀涂敷在第一镍钛合金管表面，移动第一金属插芯和第一质量块，确保第一金属插芯与第一质量块之间的间隙与水平四芯光纤的光栅栅区的长度相同，继续加热固化；

S7、步骤S1至步骤S6将制备完成的水平四芯光纤组件穿入金属外壳，第一金属插芯置于金属外壳的安装槽中，点胶、加热固化使第一金属插芯与金属外壳固定；

在金属外壳远离第一质量块的一端安装第一金属插芯，并且水平四芯光纤伸出金属外壳，点胶、加热固化使第一金属插芯与金属外壳固定；

S8、重复步骤S1至S7，将竖直四芯光纤封装在金属外壳内。