CN201203508Y - 高灵敏度温度自补偿型光纤光栅加速度传感装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于结构振动测试领域，具体涉及一种高灵敏度温度自补偿型光纤光栅低频加速度传感装置。由两根光纤光栅、转轴、横杆、阻尼液、弹簧、质量块、外壳组成。光栅分别与外壳连杆和横杆连接，刻于同一根光纤上，横杆连接转轴与质量块，转轴两端与外壳连接，弹簧上端连接质量块，下端连接外壳，外壳内充满阻尼液。本实用新型通过杠杆原理将质量块的振动传至光纤光栅，引起其波长改变，从而通过波长解调得到结构的振动信号。本实用新型经过参数优化，具有高灵敏度，量程范围亦能满足工程需要；通过双光栅结构实现严格的温度自补偿；引入转动轴使传感器结构更加稳定，消除几何非线性的影响，增强信号的正确性和传感器的耐久性。

Description

高灵敏度温度自补偿型光纤光栅加速度传感装置

技术领域

本实用新型属于结构振动测试领域，具体涉及一种高灵敏度温度自补偿型光纤光栅低频加速度传感装置。

背景技术

在房屋、桥梁等结构的施工、验收、维护等各个阶段，都需要通过对结构进行测试以达到对其性能状态的全面掌握，从而决定对其采取相应的工程措施。而振动测试作为结构测试众多手段的一种，有着极其重要的特殊地位。对结构的振动测试最能直接反映结构的性能，是获得结构频率、振型、阻尼等基本参数的最有效手段，也是结构测试中分布最广，应用最多，不可缺少的测试方法。

然而，传统的振动测试系统存在难以克服的局限性：基于电子系统，传感器和采集系统均易受电磁干扰；空间利用率低，一个通道只能布置一个传感器，以至于布线繁杂；所需采集设备繁多，现场操作工序繁复；线路中信号亦会受到干扰，难于维护。相比之下，光纤光栅传感系统由于其固有的特性使其恰能较好地克服这些局限，它们能够抗电磁干扰，耐腐蚀，兼备传感、传输功能，可复用，寿命长，可实现远距离的检测与传输并且在使用期限内维护费用较低。至发展到目前来看，应用光纤光栅作为传感元件还是仅限于以监测温度、应变为主，很少有直接应用在结构振动监测上的传感器(加速度计)。已有的一些光纤光栅加速度计由于自身结构的缺陷，也存在着灵敏度不高，温度影响大、长期使用中非线性影响大等缺点。在本实用新型提出的高灵敏度温度自补偿型光纤光栅加速度传感装置上，将体现出现有传感器所不具备的优势。

高灵敏度对于一个监测结构振动的传感器来说至关重要，灵敏度越高就越能捕捉到结构微幅的振动，而恰恰在大型土木结构中，这种微幅振动中隐藏着为工程师及研究人员关心的频率成分。通过传感器对这些微幅振动进行有效辨别和拾取，在整个测试系统中是最直接、最有价值的。提高灵敏度的手段一般有两种：一种是提高测试系统灵敏度，也即光纤光栅解调设备的灵敏度；另一种是通过传感器自身结构参数优化来提高传感器的灵敏度。前一种方法是基于光学技术的发展的，要求一系列相关产业开发，成本较高；而后一种是通过结构的重新设计、参数优化而能够以低成本和高可行性实现的，且没有产业依赖关系，可以通过结构领域的研究人员进行实现。

在工程测量中，光纤光栅传感材料的应变灵敏度为1.2pm/με，而温度灵敏度为10～15pm/C°，可见在使用光纤光栅传感器进行结构振动测试时，温度补偿十分重要。而传统的温度补偿方法是在一个通道里配备一个温度补偿传感器，用它来对一个通道中多达十数个的传感器进行温度补偿，这些传感器往往相距很远布置，并不在同一温度场中，因此这样的温度补偿准确性和可靠度都值得商榷。要做到合理准确又有效的温度补偿，只能通过单个传感器的温度自补偿来实现，传感器自身能够对自己周围的温度变化进行补偿，从而真正解决温度补偿不准确的问题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种适用于结构振动测试的、具有较宽工作范围、并能减少仪器非线性因素影响的高灵敏度温度自补偿型光纤光栅加速度传感装置。

本实用新型提出的高灵敏度温度自补偿型光纤光栅加速度传感装置，由上光纤锚杆1、一号光纤光栅2、轴杆3、横杆4、二号光纤光栅5、阻尼液6、光纤7、下光纤锚杆8、微型弹簧10、质量块11、外壳12组成，其中，一号光纤光栅2、二号光纤光栅5分别位于光纤7上，一号光纤光栅2的一端锚固于上光纤锚杆1上，上光纤锚杆1另一端固定于外壳12顶部，外部光纤由此进入，二号光纤光栅5的一端锚固于下光纤锚杆8上，下光纤锚杆8另一端固定于外壳12底部，一号光纤光栅2与二号光纤光栅5之间锚固于横杆4一端，横杆4另一端连接质量块11，使质量块11能绕轴3振动；质量块11底部连接弹簧10一端，弹簧10另一端固定于外壳12底部，外壳12一侧底部设有光纤出口9，光纤7下端导圆角后从光纤出口9伸出外壳12；外壳12内充满阻尼液6。

本实用新型中，一号光纤光栅2与二号光纤光栅5的长度相等。

本实用新型的运动可看作弹簧k-阻尼c-质量块m的单自由度系统，系统的动力学方程为：

$m\stackrel{\·\·}{v}\left(t\right)+c\stackrel{\·}{v}\left(t\right)+\mathrm{kv}\left(t\right)=-m{\stackrel{\·\·}{v}}_g\left(t\right)\≡p_{\mathrm{eff}}\left(t\right)---\left(1\right)$

式中

为外罩支承的竖向加速度，k为系统刚度，k＝2(a/b)²k₁+k₂，k₁为光纤的抗拉刚度。

传感器的灵敏度传感器的灵敏度系数K可表示为：

$K={\mathrm{\λ}}_B(1-P)\·\frac{a/b}{l}\·\frac{m}{2{(a/b)}^2{k}_1+k_2}---\left(2\right)$

$\≤{\mathrm{\λ}}_B(1-P)\·\frac{m}{2l\sqrt{2k_1{k}_2}}---\left(3\right)$

当 ${\left(\frac{a}{b}\right)}^2=\frac{k_2}{2k_1}$ 时，灵敏度系数取到最大值，式(3)即为本传感器高灵敏度设计的原理。经过优化后的灵敏度系数能达到0.2gal/pm，完全能满足工程结构中微幅振动测试的需要。

当振子发生上下振动时，一号光纤光栅2(FBG1)和二号光纤光栅5(FBG2)的中心波长变化分别为：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}=(1-P){\mathrm{\ϵ}}_1+({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\ξ}}_1)\mathrm{\ΔT}---\left(4\right)$

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}=(1-P){\mathrm{\ϵ}}_2+({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\ξ}}_2)\mathrm{\ΔT}---\left(5\right)$

式中，Δλ_B1和Δλ_B2分别为FBG1和FBG2的中心波长改变量，λ_B1和λ_B2分别为FBG1和FBG2的初始中心波长，P为弹光系数，α₁和α₂分别为FBG1和FBG2的热膨胀系数，ξ₁和ξ₂分别为FBG1和FBG2热光系数，ΔT为温度改变值，ε₁和ε₂分别为FBG1和FBG2的应变量。

因为两根光纤光栅的封装方式完全一样，长度完全一样，且在同一根光纤上刻写光栅，故有：

α₁＝α₂；ξ₁＝ξ₂；又λ_B1、

Δλ_B2，故可以认为：λ_B1＝λ_B2＝λ_B。

由于两根光纤光栅为反向布置，两者应变等幅反向，故有：ε₁＝-ε₂＝ε；

故可以导出：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2}}{2{\mathrm{\λ}}_B(1-P)}---\left(6\right)$

上式表明，波长变化只和应变有关，和温度无关。故此传感器利用双光纤光栅的结构能很好地进行温度补偿。

本实用新型的工作过程如下：固定本实用新型于待测结构上，结构的振动引起质量块11振动，通过横杆的杠杆作用将振动传至上下两根光纤光栅，引起其中心波长的改变，从而通过对光栅波长的解调，可以得到结构的振动信号。

本实用新型具有如下特点和优点：

(1)灵敏度是加速度传感器的重要参数，结构振动测试要求高灵敏度以测量结构微幅振动。本实用新型采用了杠杆的传动原理，将质量块振动转为到光纤光栅的动应变，经过结构和参数优化，达到了使灵敏度系数大幅增大的效果，其量程范围亦能满足工程需要。

(2)针对光纤光栅对温度变化极为敏感的特性，本实用新型提出了一种双光栅温度自补偿的结构，以对加速度信号进行有效的温度补偿，且这种补偿是严格的同温度场下的补偿，比传统温度补偿更为精确。且可以提高传感器的动态范围。

(3)结构阻尼可以改变加速度传感器的共振区特性，且能防止其工作在共振区时由于幅值过大引起传感器部件损坏，延长传感器的使用寿命。本实用新型对传感器施加适当的液态阻尼，可使共振区附近的幅频特性曲线变得平直起来，从而增加了加速度传感器的频率响应范围。

(4)通过核心构件——转动轴的引入，使整个传感器结构更加稳定，并能消除以往设计中几何非线性的影响，无论是对于获得信号的正确性还是长期耐久性能都有很大提高。

附图说明

图1为本实用新型的结构图示。

图中标号：1为上光纤锚杆，2为一号光纤光栅，3为轴杆，4为横杆，5为二号光纤光栅，6为阻尼液，7为光纤，8为下光纤锚杆，9为底部光纤出口，10为微型弹簧，11为质量块，12为外壳。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本实用新型。

实施例1，将下列器件按图1所示方式连接，该领域技术人员均能顺利完成本实用新型装置的实施。上光纤锚杆1为金属管，上部连接光纤入口，下部锚固一号光纤光栅2，横杆4连接质量块11及轴杆3，轴杆3为可自由转动的转轴，与外壳连接，一号光纤光栅2和二号光纤光栅5一并刻在光纤7上，并在横杆4左端锚固，二号光纤光栅5下部在下光纤锚杆8顶端锚固，光纤7下部转弯通向底部光纤出口9，微型弹簧10的上部连接质量块11，下部连接外壳12。质量块11为0.25kg，横杆4在轴杆3左端为7mm，在其右端至质量块中心为2cm，阻尼液6采用硅油，外壳12采用普通钢材制作，长×宽×高尺寸为0.04m×0.04m×0.06m。

Claims (2)

1、一种高灵敏度温度自补偿型光纤光栅加速度传感装置，由上光纤锚杆(1)、一号光纤光栅(2)、轴杆(3)、横杆(4)、二号光纤光栅(5)、阻尼液(6)、光纤(7)、下光纤锚杆(8)、微型弹簧(10)、质量块(11)、外壳(12)组成，其特征在于一号光纤光栅(2)、二号光纤光栅(5)分别位于光纤(7)上，一号光纤光栅(2)的一端锚固于上光纤锚杆(1)上，上光纤锚杆(1)另一端固定于外壳(12)顶部，二号光纤光栅(5)的一端锚固于下光纤锚杆(8)上，下光纤锚杆(8)另一端固定于外壳(12)底部，一号光纤光栅(2)与二号光纤光栅(5)之间锚固于横杆(4)一端，横杆(4)另一端连接质量块(11)，使质量块(11)能绕轴(3)振动；质量块(11)底部连接弹簧(10)一端，弹簧(10)另一端固定于外壳(12)底部，外壳(12)一侧底部设有光纤出口(9)，光纤(7)下端导圆角后从光纤出口(9)伸出外壳(12)；外壳(12)内充满阻尼液(6)。

2、根据权利要求1所述的高灵敏度温度自补偿型光纤光栅加速度传感装置，其特征在于一号光纤光栅(2)与二号光纤光栅(5)的长度相等。

Images