CN201548559U

CN201548559U - 一种温度自动补偿的强度解调型啁啾光纤光栅加速度计

Info

Publication number: CN201548559U
Application number: CN2009202017355U
Authority: CN
Inventors: 董新永; 李岚; 周文俊; 赵春柳
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2019-12-02

Abstract

本实用新型涉及一种温度自动补偿的强度解调型啁啾光纤光栅加速度计。现有的加速度计需要额外的温度补偿装置。本实用新型针包括基座、悬臂梁、质量块、啁啾光纤光栅和箱体。箱体为中空的长方体结构，箱体内侧壁靠近底部的位置开有光纤出口，箱体的内侧壁居中位置上设置有基座，悬臂梁一端与基座垂直设置，另一端与质量块固定设置。悬臂梁横截面呈直角梯形，悬臂梁的中性面倾斜设置啁啾光纤光栅，啁啾光纤光栅的末端与光纤连接，光纤穿过光纤出口密封设置，箱体内填充有阻尼液。本实用新型采用光纤光栅进行温度自补偿，以达到加速度计对温度不敏感的效果。

Description

一种温度自动补偿的强度解调型啁啾光纤光栅加速度计

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种温度自动补偿的强度解调型啁啾光纤光栅加速度计。

背景技术

光纤传感器与传统的传感器相比，光纤传感器具有独特的优点：灵敏度高、重量轻、体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀、本质安全。由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，这使它可以方便有效地用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。鉴于光纤光栅传感器的如上优势，光纤光栅加速度计的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。

在之前已经报道的几种光纤光栅加速度中，大多数采用悬臂梁结构作为光纤光栅承载装置。当悬臂梁自由端发生振动时，应变会随着振动传递到光纤光栅上，从而改变光纤光栅的反射峰的位置。虽然这几种加速度计的灵敏度不错，但是需要额外的温度补偿装置，而且加速度的测量范围有限。在实际工程应用中，使用光纤光栅加速度计进行测量时，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数十个的传感器进行温度补偿，实际中这数十个传感器相距很远，并不在同一个温度场里，所以对温度的补偿效果并不理想。要做到合理准确又有效的温度补偿，最好是通过传感器的温度自补偿来实现。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种适用于实际应用，具有较宽工作范围，并且能减少仪器非线性因素影响的高灵敏度强度解调型温度不敏感的光纤光栅加速度计。

本实用新型包括基座、悬臂梁、啁啾光纤光栅、质量块、光纤和箱体。箱体为中空的长方体结构，在箱体的一个侧壁靠近底部的位置开有光纤出口。基座固定设置在箱体的一个内侧壁居中位置上，悬臂梁的一端与基座固定连接，另一端与质量块固定连接。悬臂梁为柱体，其顶面和底面均为平行于箱体底面的直角梯形。啁啾光纤光栅附着在悬臂梁的中性面上，啁啾光纤光栅的始端设置在悬臂梁的顶面与中性面的交汇处、末端设置在悬臂梁的底面与中性面的交汇处，啁啾光纤光栅的倾斜角α为3～45度，啁啾光纤光栅的末端与光纤的一端连接，光纤穿过光纤出口，光纤出口密封设置。箱体内填充有阻尼液。

本实用新型采用一根光纤光栅进行温度自补偿，以达到加速度计对温度不敏感的效果；利用直角梯形悬臂梁结构，将加速度转化成光纤光栅的反射谱的展宽，利用高反射率的FBG达到强度解调的目的，成功解决了波长解调成本高的弊端。本实用新型中箱体内充满阻尼液防止加速度传感器在工作时因为振幅过大而导致的传感器部件损坏，延长传感器的使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的的侧视图；

图2为本实用新型的的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步描述。

如图1和图2所示，一种温度自动补偿的强度解调型啁啾光纤光栅加速度计包括基座1、悬臂梁2、啁啾光纤光栅3、质量块4、光纤5和箱体6。箱体6为中空的长方体结构，在箱体6的一个侧壁靠近底部的位置开有光纤出口7。基座1固定设置在箱体6的一个内侧壁居中位置上，悬臂梁2的一端与基座1固定连接，另一端与质量块4固定连接。质量块4的材料为铁，质量为100g。悬臂梁2为有机玻璃的柱体，其顶面和底面均为平行于箱体6底面的直角梯形，悬臂梁2的长度L为16.5cm，与基座1固定端的宽度d为3.0cm，高度h为0.5cm。啁啾光纤光栅3附着在悬臂梁的中性面上(中性面为悬臂梁的与箱体6内侧壁平行的侧面)。啁啾光纤光栅3的始端设置在悬臂梁2的顶面与中性面的交汇处、末端设置在悬臂梁2的底面与中性面的交汇处，啁啾光纤光栅3的倾斜角α(啁啾光纤光栅3与悬臂梁2底面的夹角)为3～45度，啁啾光纤光栅3的初始反射带宽范围为1541～1559nm，反射率为30dB，啁啾光纤光栅3的末端与光纤5的一端连接，光纤5穿过光纤出口7，光纤出口7密封设置。箱体内填充有阻尼液。将箱体安装在振动源上，通过测量光纤输出的光强，就可得到振动源的振动加速度及频率。

实施例中由于悬臂梁的刚度和质量块的质量将对加速度计的灵敏度和自振频率产生显著的影响，故可以通过改变悬臂梁的材料及结构参数和调节质量块的质量来改变加速度计的灵敏度和自振频率。箱体中的阻尼液有缓冲的作用，保护大幅振动中的加速度计免受破坏，增加其频率响应范围。阻尼液一般采用硅油。

本实施例利用直角梯形悬臂梁和质量块组成的弹簧-质量系统作为加速度计的主要结构，将啁啾光纤光栅倾斜粘贴在悬臂梁的侧面，且倾斜角α为3～45度。当箱体在竖直方向上存在振动加速度时，悬臂梁自由端上的质量块受外界力影响产生竖直方向位移，导致悬臂梁弯曲产生形变，如果位移向下梁向下弯曲，则光纤光栅在梁中性面以上的部分受到拉伸应变，而中性面以下的部分受到压缩应变，在中性面上无应变。在不同的厚度层上产生的应变呈梯度分布，可引起光纤光栅啁啾率的变化，表现为光纤光栅反射带宽的变化。而且箱体的振动加速度越大，悬臂梁的曲率越大，光纤光栅的啁啾率的改变越大，反射带宽的变化就越大。在采用长度较长(大于5cm)、起始反射率较高(大于99.9％或30dB)的光纤啁啾光栅情况下，其反射率在带宽增大和减小两种情况下的变化都很小，能维持在99％以上，从而实现加速度计光强度解调。

本实施例中，使啁啾光纤光栅的中点固定在悬臂梁侧面的中性面上，则悬臂梁因外界振动加速度弯曲时，其反射谱变化是对称的，在外界温度不改变的前提下中心波长保持不变。反射谱带宽Δλ_c与箱体的振动加速度a成线性关系，即

Δλ_c＝A₂×a

式中，A₂＝6C(1-p_e)λ_BcL_gLmsin(2θ)/Eb₀h³，其中C为悬臂梁和光纤光栅的应变传递系数，p_e为光纤光栅的光弹系数，λ_Bc为中心波长，L_g为啁啾光纤光栅的长度，L为悬臂梁的长度，m为质量块的质量，θ为光纤光栅和中性面的夹角，E为悬臂梁材料的杨氏模量，b₀为悬臂梁固定端的宽度，h为悬臂梁的厚度。以上各系数皆为已知或可通过测量得到，只要改变箱体的振动加速度a，就可以线性改变光纤光栅反射谱带宽Δλ_c。外界温度仅仅改变光纤光栅中心波长的漂移，而不会对反射带宽产生影响。当光纤光栅的具有高反射率时，反射光功率在一定范围内随反射带宽线性变化，通过测量反射光强便可得到振动加速度的大小。

Claims

1.一种温度自动补偿的强度解调型啁啾光纤光栅加速度计，包括基座、悬臂梁、啁啾光纤光栅、质量块、光纤和箱体，其特征在于：所述的箱体为中空的长方体结构，在箱体的一个侧壁靠近底部的位置开有光纤出口；基座固定设置在箱体的一个内侧壁居中位置上，悬臂梁的一端与基座固定连接，另一端与质量块固定连接；所述的悬臂梁为柱体，其顶面和底面均为平行于箱体底面的直角梯形；啁啾光纤光栅附着在悬臂梁的中性面上，啁啾光纤光栅的始端设置在悬臂梁的顶面与中性面的交汇处、末端设置在悬臂梁的底面与中性面的交汇处，啁啾光纤光栅的倾斜角α为3～45度，啁啾光纤光栅的末端与光纤的一端连接，光纤穿过光纤出口，光纤出口密封设置；箱体内填充有阻尼液。