CN201155991Y - 一种新型的光纤光栅加速度传感器 - Google Patents

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张东生
罗裴
王立新
姜德生
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Abstract

本实用新型涉及一种新型的光纤光栅加速度传感器，属于机械振动测试技术领域。它是以钢丝(或钢管)和质量块组成的弹性系统为主体以响应物体的机械振动，采用双光纤光栅为敏感元件，将机械振动信号转化为光强度信息，具有信号传输距离远，不受电磁干扰等优点。该传感器利用双光纤光栅的反射光强与二者波长间隔之间的线性关系，将外界振动作用导致的两光栅的波长间隔改变量转化为光强度信号输出，对后端设备要求低，克服了悬臂梁型振动传感器频率响应速度低的缺点，实现了温度自补偿。本实用新型适用于对各种大型结构、机电、石油、化工、钻井、勘探、航天、航空、船舶和地震等领域的振动测试和监测。

Description

一种新型的光纤光栅加速度传感器
技术领域：
本实用新型涉及一种新型的光纤光栅加速度传感器，特别应用于各类机电设备、桥梁结构等振动测试，属于机械振动测试技术领域。
背景技术：
振动传感器在很多领域有着重要的应用，例如，对机电设备、桥梁结构等进行实时振动监测。它通过监测物体的振动状况，判断其工作状态，及时排除故障，避免发生重大事故。
传统的电类振动传感器(如压电式加速度传感器)输出的是弱电信号，不能进行长距离传输，不适合在大型结构(如桥梁)工程远程监测系统中使用。另外，电类传感器易受电磁干扰，亦不适宜在大型机电设备等强电磁场环境中工作。光纤光栅传感器是新一代光纤类传感器，具有传输距离远、抗电磁干扰、长期稳定性好等优点，在长期、远程、复杂环境安全监测领域得到普遍关注。
目前，人们提出了几种光纤光栅类振动传感器技术方案。一种是，专利号为200410066814的中国专利“基于光纤光栅的光纤微振动传感器”他采用的两种信号测试方法，该种技术都有一定的缺陷。第一种方案是采用光谱仪进行波长解调，但是光谱仪的扫描速度低，不能满足振动测试的高速波长解调要求；第二种方案只使用一个传感光栅，利用微弯损耗原理，这种方法信噪比低，灵敏度差。另外一种，专利号为200320112392的中国专利“光纤光栅微振动测试仪”采用匹配光纤光栅解调技术，克服了专用波长解调仪解调速度慢，成本高的缺点。但是这种，专利技术是将光纤光栅直接粘贴在待测振动物体表面，光纤光栅感测的是物体局部应变，不能反映物体的整体振动情况。专利号为2005200472292的中国专利“土木工程用光纤光栅低频振动传感装置”采用的是悬臂梁结构，只能测量低频范围内的振动，不能满足对高频振动的测量要求；另外，它把力直接作用在光纤光栅上，容易造成光纤光栅的折断。专利号为200510019733的中国专利“可调谐匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器”，将光纤光栅直接粘贴在悬臂梁上，光纤光栅得到很好的保护，但是，悬臂梁结构决定其测量范围局限在低频区域。专利号为WO2006115511美国专利“FIBER OPTIC ACCELEROMETER”采用四根弹簧作为弹性元件，把测量频率范围向高频区域拓展，但是，这种结构仍然将力直接作用于光纤光栅上容易折断，并且四个弹簧不易调整均衡。
发明内容：
为克服现有光纤光栅振动传感器的不足，本实用新型提供一种新型的光纤光栅加速度传感器。
本实用新型的有益效果是：这种新型的光纤光栅加速度传感器具有频率响应范围宽、自温度补偿、简单耐用、信号传输距离远，不受电磁干扰等优点。
本实用新型所采用的技术方案是：它是以钢丝(或钢管)和质量块组成的弹性系统为主体以响应物体的机械振动，采用双光纤光栅为敏感元件，将机械振动信号转化为光强度信息，
传感器由两个匹配的第一光纤光栅1、第二光纤光栅2、输出光纤3、钢丝或钢管4、质量块5、圆筒6、底座7和上端盖8组成。钢丝或钢管4在质量块中心处穿过并固定，将第一光纤光栅1、第二光纤光栅2、串接后刚性粘贴在一根钢丝上或钢管4内部，并分别位于质量块5两侧，把钢丝或钢管4放入圆筒6内并通过底座7和上端盖8固定，即构成光纤光栅加速度传感器。串接的第一光纤光栅1、第二光纤光栅2与二次仪表连接，二次仪表主要由3dB耦合器9、宽带光源10和光电转换器11组成，用于传感器的信号检测。根据技术要求：第一光纤光栅1、第二光纤光栅2两个布拉格光纤光栅带宽相等，静态时两个光栅中心波长的间隔等于带宽的一半。传感器的工作原理是：当把传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，质量块5和钢丝(或钢管)6组成的弹性系统作受迫振动，导致质量块5上下两段钢丝分别产生互为反向的(正、负)应变变化，使得粘贴其上的第一光纤光栅1、第二光纤光栅2波长互为反向漂移，但两个光纤光栅的反射谱始终保持相互交叠，两个光纤光栅反射的总光强度随着二者反射谱包络面积的变化而变化，并与物体振动加速度变化规律一致。(光的传播过程是)：由宽带光源发出的光经过3dB耦合器进入两个光纤光栅，经过反射后在经过3dB耦合器射入光电转换器，光电转换器件输出的电信号再由数据采集器进行数据采集，输入计算机上通过相关处理软件直接得到被测物的振动频率和加速度。
附图说明
附图1、是光纤光栅加速度传感器结构示意图。
附图1中：1-第一光纤光栅、2-第二光纤光栅、3-输出光纤、4-钢丝或钢管5-质量块、6-圆筒、7-底座、8-上端盖，9-耦合器、10-宽带光源、11-光电转换器。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的技术方案作进一步描述。
实施例1、
本实用新型的传感器结构以及与传感器连接的二次仪表光路连接如附图所示。传感器主要包括第一光纤光栅1、第二光纤光栅2、传输光纤3、钢丝4、质量块5、圆筒6、底座7、上端盖8；传感器连接的二次仪表部分包括耦合器9、宽带光源10、光电转换器11。
本实用新型的连接方式为：将第一光纤光栅1和第二光纤光栅2串联焊接后刚性粘贴到钢丝表面上；再将钢丝穿过质量块5并固定，质量块5介于第一光纤光栅和第二光纤光栅之间；将质量块5、钢丝4组成的弹性系统置于圆筒6中，钢丝两端固定在底座7和上端盖8上；串接的第一和第二光纤光栅通过输出光纤3与二次仪表中的3dB耦合器9连接，在仪表内部3dB耦合器9分别与宽带光源10和光电转换器11连接，。
本实用新型所使用的第一和第二光纤光栅带宽通常为0.3nm，两光纤光栅中心波长间隔等于0.12nm。钢丝或钢管刚度、直径和长度、质量块质量及光纤光栅带宽等参量确定传感器频率响应带宽、灵敏度和量程等指标。
实施例2、本发明的传感器结构以及与传感器连接的二次仪表光路连接如附图所示。传感器主要包括第一光纤光栅1、第二光纤光栅2、传输光纤3、钢管4、质量块5、圆筒6，底座7、上端盖8；传感器连接的二次仪表部分包括耦合器9、宽带光源10、光电转换器11。
本实用新型的连接方式为：将第一光纤光栅1和第二光纤光栅2串联焊接后刚性粘贴到钢管内部；再将钢管穿过质量块5并固定，质量块5介于第一光纤光栅和第二光纤光栅之间；将质量块5、钢管4组成的弹性系统置于圆筒6中，钢管两端固定在底座7和上端盖8上；串接的第一和第二光纤光栅通过输出光纤3与二次仪表中的3dB耦合器9连接，在仪表内部3dB耦合器9分别与宽带光源10和光电转换器11连接。

Claims (2)

1、一种新型的光纤光栅加速度传感器其特征在于：主要包括第一光纤光栅(1)、第二光纤光栅(2)，传输光纤(3)，钢丝或钢管(4)，质量块(5)，圆筒(6)，底座(7)，上端盖(8)；传感器连接的二次仪表部分包括耦合器(9)，宽带光源(10)，光电转换器(11)；连接方式为：将第一光纤光栅(1)和第二光纤光栅(2)串联焊接后刚性粘贴到钢丝表面上或钢管(4)内部；再将钢丝或钢管(4)穿过质量块(5)并固定，质量块(5)介于第一光纤光栅(1)和第二光纤光栅(2)之间；将质量块(5)、钢丝或钢管(4)组成的弹性系统置于圆筒(6)中，钢丝或钢管两端固定在底座(7)和上端盖(8)上；串接的第一和第二光纤光栅(1)、(2)通过输出光纤(3)与二次仪表中的3dB耦合器(9)连接，在仪表内部3dB耦合器(9)分别与宽带光源(10)和光电转换器(11)连接。
2、根据权利要求1所述的一种新型的光纤光栅加速度传感器，其特征在于钢丝或钢管穿过质量块(5)中心位置并固定，质量块(5)介于第一光纤光栅(1)、第二光纤光栅(2)两个光纤光栅之间。
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