CN117191180A - 一种微型化三轴光纤光栅振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微型化三轴光纤光栅振动传感器包括第一振动组件、第二振动组件和第三振动组件；第一振动组件包括第一固定支座、第一质量块；第二振动组件包括第二固定支座、第二质量块；第三振动组件包括第三固定支座、第三质量块；第一质量块与第三固定支座之间形成第一间隙，第二质量块与第一固定支座之间形成第二间隙，第三质量块与第二固定支座之间形成第三间隙；第一质量块与第三固定支座上安装第一光纤，第一光纤的光栅置于第一间隙内；第二质量块与第一固定支座上安装第二光纤，第二光纤的光栅置于第二间隙内；第三质量块与第二固定支座上安装第三光纤，第三光纤的光栅置于第三间隙内。本发明具有结构尺寸小，测量三个轴向振动的优点。

Description

一种微型化三轴光纤光栅振动传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种微型化三轴光纤光栅振动传感器。

背景技术

振动对于宇航器的性能和安全都有着重要影响，所以测量振动是一项非常重要的技术。光纤光栅振动传感器是利用光纤的特殊物理性质，通过测量光纤的拉伸或弯曲变化来测量振动，与传统电学振动传感器相比，光纤光栅振动传感器具有很多优势，可以实现非接触式测量，避免了传输干扰和测量误差。同时，光纤光栅振动传感器具有抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、可靠性好等优点，能够适应宇航环境下的高温、低温和辐射等恶劣环境，在航天航空领域应用中具有广阔的前景。由于航宇环境下安装振动传感器的空间有限，要求传感器尺寸微型化，同时也不便放多个单轴振动传感器测量多轴的振动。

目前，国内外的学者们已研究各种结构的光纤光栅振动传感器，尺寸做到微型化要求，但只能测量单轴的振动；也有能测量振动传感器能测量多轴振动，但无法满足宇航环境的安装空间对振动传感器尺寸微型化的需求，因此研究一个满足安装与监测需求的小尺寸、可测量三轴振动的光纤光栅振动传感器具有重要的实际应用价值。

发明内容

为了解决现有技术中光纤光栅振动传感器尺寸无法满足宇航环境的安装空间对振动传感器尺寸微型化需求的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种微型化三轴光纤光栅振动传感器，所述传感器包括结构相同的第一振动组件、第二振动组件和第三振动组件；

所述第一振动组件包括第一基板，以及垂直于所述第一基板上设置的第一拼接板，所述第一拼接板上设置第一固定支座，在所述第一基板上通过第一铰链连接第一质量块，使所述第一质量块沿x轴方向摆动；

所述第二振动组件包括第二基板，以及垂直于所述第二基板上设置的第二拼接板，所述第二拼接板上设置第二固定支座，在所述第二基板上通过第二铰链连接第二质量块，使所述第二质量块沿y轴方向摆动；

所述第三振动组件包括第三基板，以及垂直于所述第三基板上设置的第三拼接板，所述第三拼接板上设置第三固定支座，在所述第三基板上通过第三铰链连接第三质量块，使所述第三质量块沿z轴方向摆动；

所述第一基板、所述第二基板和所述第三基板两两垂直拼接围成一个空间，所述第一固定支座和所述第一质量块向所述空间内部延伸、所述第二固定支座和所述第二质量块向所述空间内部延伸、所述第三固定支座和所述第三质量块向所述空间内部延伸，

并且，所述第一质量块与所述第三固定支座之间形成第一间隙，所述第二质量块与所述第一固定支座之间形成第二间隙，所述第三质量块与所述第二固定支座之间形成第三间隙；

其中，所述第一质量块与所述第三固定支座上安装第一光纤，并且所述第一光纤的光栅置于所述第一间隙内；所述第二质量块与所述第一固定支座上安装第二光纤，并且所述第二光纤的光栅置于所述第二间隙内；所述第三质量块与所述第二固定支座上安装第三光纤，并且所述第三光纤的光栅置于所述第三间隙内。

优选地，所述第一质量块上开设第一质量块光纤槽，所述第二质量块上开设第二质量块光纤槽，所述第三质量块上开设第三质量块光纤槽；

所述第一固定支座上开设第一支座光纤槽，所述第二固定支座上开设第二支座光纤槽，所述第三固定支座上开设第三支座光纤槽；

所述第一光纤嵌入所述第一质量块光纤槽和所述第三支座光纤槽内，所述第二光纤嵌入所述第二质量块光纤槽和所述第一支座光纤槽内，所述第三光纤嵌入所述第三质量块光纤槽和所述第二支座光纤槽内。

优选地，所述传感器还包括封装盖，用于封装所述第一基板、所述第二基板和所述第三基板两两垂直拼接围成的空间。

优选地，所述第一铰链为两个，两个所述第一铰链之间镂空；所述第二铰链为两个，两个所述第二铰链之间镂空；所述第三铰链为两个，两个所述第三铰链之间镂空。

本发明的另一个目的在于提供一种微型化三轴光纤光栅振动传感器的制备方法，所述制备方法包括：

S1、制备第一振动组件、第二振动组件和第三振动组件；

S2、组装第一振动组件、第二振动组件和第三振动组件；

S3、将第一光纤固定在光纤夹具平台，通过显微镜系统放大第一光纤的光栅，并在上位机图像处理软件中连续采集实时图像信息，使第一光纤的光栅在上位机中完全显现；

在第一质量块光纤槽和第三支座光纤槽内注射胶黏剂，水平调整光纤夹具平台并旋转光纤夹具平台，第一光纤的的非光栅区均匀沾取胶黏剂；

微调光纤夹具平台将第一光纤放入第一质量块光纤槽和第三支座光纤槽内中，使第一光纤的光栅置于第一间隙内，加热固化对第一光纤进行封装；

S4、按照步骤S3的方法，对第二光纤和第三光纤进行封装；

S5、将封装盖安装在组装好的第一振动组件、第二振动组件和第三振动组件，完成传感器封装。

本发明提供的一种微型化三轴光纤光栅振动传感器及其制备方法，传感器结构设计为在空间上交错形式，将结构相同的第一振动组件、第二振动组件和第三振动组件组合为三轴振动传感器，可实现高精度的组合装配。

本发明提供的一种微型化三轴光纤光栅振动传感器及其制备方法，将第一振动组件、第二振动组件和第三振动组件的基板为外壳的封装方式实现传感器的微型化，封装后的传感器结构稳定，传感性能一致性高。

本发明提供的一种微型化三轴光纤光栅振动传感器及其制备方法，传感器通过铰链让质量块做往复运动时带动光纤光栅，光纤光栅的中心波长发生漂移，通过测量中心波长的漂移量实现测量振动。本发明具有结构尺寸小，测量三个轴向振动的优点，可应用于振动监测与光纤传感技术领域。

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微型化三轴光纤光栅振动传感器的爆炸图。

图2示出了本发明本发明一种微型化三轴光纤光栅振动传感器的组装示意图。

图3示出了本发明一个实施例中测量x轴方向振动的原理示意图。

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无法满足宇航环境的安装空间对振动传感器尺寸微型化需求的技术问题，本发明提供一种微型化三轴光纤光栅振动传感器及其制备方法。

结合图1和图2，根据本发明的实施例，提供一种微型化三轴光纤光栅振动传感器，包括结构相同的第一振动组件1、第二振动组件2和、第三振动组件3和封装盖4。

第一振动组件1包括第一基板101，以及垂直于第一基板101上设置的第一拼接板102，第一拼接板102上设置第一固定支座105，在第一基板101上通过第一铰链104连接第一质量块103，使第一质量103块沿x轴方向摆动。

第二振动组件2包括第二基板201，以及垂直于第二基板201上设置的第二拼接板202，第二拼接板202上设置第二固定支座205，在第二基板201上通过第二铰链204连接第二质量块203，使第二质量块203沿y轴方向摆动。

第三振动组件3包括第三基板301，以及垂直于第三基板301上设置的第三拼接板302，第三拼接板302上设置第三固定支座305，在第三基板301上通过第三铰链304连接第三质量块303，使第三质量块303沿z轴方向摆动。

根据本发明的实施例，第一铰链104为两个，两个第一铰链104之间镂空。第二铰链204为两个，两个第二铰链204之间镂空。第三铰链304为两个，两个第三铰链304之间镂空。

第一振动组件1、第二振动组件2和第三振动组件3组装在一起时，第一基板101、第二基板201和第三基板301两两垂直拼接围成一个空间，第一基板101、第二基板201和第三基板301作为传感器的外壳。第一固定支座105和第一质量块103向空间内部延伸、第二固定支座205和第二质量块203向空间内部延伸、第三固定支座305和第三质量块303向空间内部延伸，并且第一质量块103与第三固定支座305之间形成第一间隙8，第二质量块203与第一固定支座105之间形成第二间隙9，第三质量块303与第二固定支座205之间形成第三间隙10。

第一质量块103与第三固定支座305上安装第一光纤5，并且第一光纤5的光栅置于第一间隙8内。第二质量块203与第一固定支座105上安装第二光纤6，并且第二光纤6的光栅置于第二间隙9内。第三质量块303与第二固定支座205上安装第三光纤7，并且第三光纤7的光栅置于第三间隙10内。

进一步地，第一质量块103上开设第一质量块光纤槽107，第二质量块203上开设第二质量块光纤槽207，第三质量块303上开设第三质量块光纤槽307。第一固定支座105上开设第一支座光纤槽106，第二固定支座205上开设第二支座光纤槽206，第三固定支座305上开设第三支座光纤槽306。

第一光纤5嵌入第一质量块光纤槽107和第三支座光纤槽306内，第二光纤6嵌入第二质量块光纤槽207和第一支座光纤槽106内，第三光纤7嵌入第三质量块光纤槽307和第二支座光纤槽206内。

第一振动组件1、第二振动组件2和第三振动组件3组装在一起时，第一基板101、第二基板201和第三基板301作为传感器的外壳，封装盖4封装第一基板101、第二基板201和第三基板301两两垂直拼接围成的空间。

在一个实施例中，第一振动组件1、第二振动组件2和第三振动组件3组装在一起时，传感器结构整体尺寸为15mm×15mm×15mm。

本发明当传感器受到振动时，质量块在惯性的作用下绕着铰链进行往复摆动，使光纤的光栅(FBG)发生轴向应力变化，从而使光纤的光栅(FBG)的中心波长发生漂移，通过测量光纤的光栅(FBG)中心波长的漂移量，就可以实现测量振动的目的。

第一质量103块沿x轴方向摆动，使第一光纤5的光栅发生轴向应力变化，从而测量x轴方向的振动。第二质量块203沿y轴方向摆动，使第二光纤6的光栅发生轴向应力变化，从而测量y轴方向的振动。第三质量块303沿z轴方向摆动，使第三光纤7的光栅发生轴向应力变化，从而测量z轴方向的振动。

下面结合图3以第一质量103块沿x轴方向摆动，使第一光纤5的光栅发生轴向应力变化，测量x轴方向的振动的为例对本发明的传感原理进行说明。

设第一质量块103的质量为m，当受到加速度为a，沿x轴方向的外界力时，第一质量块103绕着第一铰链104中心沿x轴方向作往复摆动。

振动传感器处于稳定状态时，力矩动平衡方程可表示为：

maH-kΔLh-Kw＝0 (1)

其中，H为第一质量块质量103的质心到第一铰链104中心的距离；k为第一光纤5的刚度；ΔL为第一光纤5的光栅长度变化量；h为第一光纤5的光栅到第一铰链104中心的距离；K为第一铰链104的转动刚度；w为第一铰链104转动的角度。

根据几何关系可以得到第一光纤5的光栅长度变化量ΔL与的第一光纤5的光栅到第一铰链104中心的距离h的关系：

ΔL＝hw (2)

第一光纤5在第一质量块103运动的带动下做轴向伸缩，第一光纤5的轴向应变ε可以表示为：

其中，L为第三固定支座305与第一质量块103之间第一间隙8的宽度。

根据耦合定理，第一光纤5的光栅的初始中心波长λ与第一光纤5的光栅的中心波长的漂移量Δλ可以表示为：

其中，P_e为第一光纤5的光栅的有效弹光系数。

结合公式(1)、(2)和(4)，传感器x轴方向振动测量的灵敏度公式可以变换为：

当传感器处于自由状态时，动力学平衡方程可表示为：

其中，J为第一质量块103相对于第一铰链104中心的转动惯量，其中，第一光纤5的刚度k可以表示为：

其中，F为第一光纤5的轴向力；E为第一光纤5的杨氏模量；A为第一光纤5的截面面积。

由此，传感器x轴方向的谐振频率f的计算公式为：

根据本发明的实施例，提供一种微型化三轴光纤光栅振动传感器的制备方法包括：

步骤S1、制备第一振动组件1、第二振动组件2和第三振动组件3。第一振动组件1、第二振动组件2和第三振动组件3使用不锈钢金属材料制备。

步骤S2、组装第一振动组件1、第二振动组件2和第三振动组件3。

使用磨砂纸在第一振动组件1、第二振动组件2和第三振动组件3细节上进行仔细打磨，再使用无尘纸蘸取少量无水乙醇擦除表面残留物进行清洗后，将第一振动组件1、第二振动组件2和第三振动组件3晾干。

晾干后的第一振动组件1、第二振动组件2和第三振动组件3组装，第一基板101、第二基板201和第三基板301两两垂直拼接围成一个空间，通过激光机激光束汇聚成的小光斑精准定位，对第一基板101、第二基板201和第三基板301进行激光焊接。

步骤S3、将第一光纤5固定在光纤夹具平台，通过显微镜系统放大第一光纤5的光栅，并在上位机图像处理软件中连续采集实时图像信息，使第一光纤5的光栅在上位机中完全显现。

在第一质量块光纤槽107和第三支座光纤槽306内注射胶黏剂，水平调整光纤夹具平台并旋转光纤夹具平台，第一光纤5的的非光栅区(光栅以外的两端)均匀沾取胶黏剂，避免第一光纤5直接放入注有胶黏剂的第一质量块光纤槽107和第三支座光纤槽306内中而产生气泡，导致粘连效果较差。本实施例中胶黏剂使用353ND胶。

微调光纤夹具平台将第一光纤5放入第一质量块光纤槽107和第三支座光纤槽306内中，使第一光纤5的光栅置于第一间隙8内，加热固化对第一光纤5进行封装。

步骤S4、按照步骤S3的方法，对第二光纤6和第三光纤7进行封装。

步骤S5、使用激光机焊接的方式，将封装盖4安装在组装好的第一振动组件1、第二振动组件2和第三振动组件3，完成传感器封装。

本发明通过铰链结构让质量块做往复摆动时带动光纤光栅，让光纤光栅的中心波长发生漂移，通过测量中心波长的漂移量来实现测量振动的目的，具有结构尺寸小，测量三个轴向振动的优点，可适用于振动测量。

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)

1.一种微型化三轴光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述传感器包括结构相同的第一振动组件、第二振动组件和第三振动组件；

所述第一振动组件包括第一基板，以及垂直于所述第一基板上设置的第一拼接板，所述第一拼接板上设置第一固定支座，在所述第一基板上通过第一铰链连接第一质量块，使所述第一质量块沿x轴方向摆动；

所述第二振动组件包括第二基板，以及垂直于所述第二基板上设置的第二拼接板，所述第二拼接板上设置第二固定支座，在所述第二基板上通过第二铰链连接第二质量块，使所述第二质量块沿y轴方向摆动；

所述第三振动组件包括第三基板，以及垂直于所述第三基板上设置的第三拼接板，所述第三拼接板上设置第三固定支座，在所述第三基板上通过第三铰链连接第三质量块，使所述第三质量块沿z轴方向摆动；

所述第一基板、所述第二基板和所述第三基板两两垂直拼接围成一个空间，所述第一固定支座和所述第一质量块向所述空间内部延伸、所述第二固定支座和所述第二质量块向所述空间内部延伸、所述第三固定支座和所述第三质量块向所述空间内部延伸，

并且，所述第一质量块与所述第三固定支座之间形成第一间隙，所述第二质量块与所述第一固定支座之间形成第二间隙，所述第三质量块与所述第二固定支座之间形成第三间隙；

其中，所述第一质量块与所述第三固定支座上安装第一光纤，并且所述第一光纤的光栅置于所述第一间隙内；所述第二质量块与所述第一固定支座上安装第二光纤，并且所述第二光纤的光栅置于所述第二间隙内；所述第三质量块与所述第二固定支座上安装第三光纤，并且所述第三光纤的光栅置于所述第三间隙内。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一质量块上开设第一质量块光纤槽，所述第二质量块上开设第二质量块光纤槽，所述第三质量块上开设第三质量块光纤槽；

所述第一固定支座上开设第一支座光纤槽，所述第二固定支座上开设第二支座光纤槽，所述第三固定支座上开设第三支座光纤槽；

所述第一光纤嵌入所述第一质量块光纤槽和所述第三支座光纤槽内，所述第二光纤嵌入所述第二质量块光纤槽和所述第一支座光纤槽内，所述第三光纤嵌入所述第三质量块光纤槽和所述第二支座光纤槽内。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括封装盖，用于封装所述第一基板、所述第二基板和所述第三基板两两垂直拼接围成的空间。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一铰链为两个，两个所述第一铰链之间镂空；所述第二铰链为两个，两个所述第二铰链之间镂空；所述第三铰链为两个，两个所述第三铰链之间镂空。

5.一种微型化三轴光纤光栅振动传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

S1、制备第一振动组件、第二振动组件和第三振动组件；

S2、组装第一振动组件、第二振动组件和第三振动组件；

S3、将第一光纤固定在光纤夹具平台，通过显微镜系统放大第一光纤的光栅，并在上位机图像处理软件中连续采集实时图像信息，使第一光纤的光栅在上位机中完全显现；

在第一质量块光纤槽和第三支座光纤槽内注射胶黏剂，水平调整光纤夹具平台并旋转光纤夹具平台，第一光纤的的非光栅区均匀沾取胶黏剂；

微调光纤夹具平台将第一光纤放入第一质量块光纤槽和第三支座光纤槽内中，使第一光纤的光栅置于第一间隙内，加热固化对第一光纤进行封装；

S4、按照步骤S3的方法，对第二光纤和第三光纤进行封装；

S5、将封装盖安装在组装好的第一振动组件、第二振动组件和第三振动组件，完成传感器封装。