CN202285022U - 双光纤光栅加速度计探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种双光纤光栅加速度计探头，其包括壳体，壳体内设有简支梁和惯性质量块；简支梁的数量为2个，上下平行的安装于壳体中；惯性质量块固定于两个简支梁之间；上简支梁的上表面以及下简支梁的下表面上分别固定1个光纤光栅，两个光纤光栅相互平行设置，且竖直方向投影相互重合；两个光纤光栅位于同一侧的端部通过光纤连接，另一侧的端部通过光纤连接壳体外部。当有加速度时，惯性质量块与上下简支梁振动呈一体，简支梁发生弯曲使得简支梁上的一个光纤光栅受压缩，另一个光纤光栅受拉伸。通过检测加在光纤光栅的应变即可得到加速度大小。本实用新型尺寸小质量轻，在实现低频振动加速度的测量时，具有较高的灵敏度和分辨率。

Description

双光纤光栅加速度计探头

技术领域

本实用新型涉及光纤光栅传感技术、工程力学和光电检测等技术领域，是一种不受电磁干扰、尺寸小、能自动消除温度噪声的具有较高测量灵敏度和分辨率的加速度传感器探头。

背景技术

混凝土堤坝、卫星发射台和海上开采平台等大型工程结构中由于应力集中而产生一种振幅微小(10-8-10-10m)应力波。这种应力波振动频率一般在100Hz以下，它广泛存在于工程应用领域中，它反映了处于微振物体的本质状态特征，而表征这种应力波最直接的参数是其振动加速度。通过对加速度进行精确测量可实现振动体的状态分析和故障诊断。振动监测系统中对振动信号进行拾取主要依靠电磁类加速度传感器来实现，虽然电磁类加速度传感器已在振动测量中得到了广泛应用，但是其自身存在的诸多缺陷使得电磁类加速度传感器在振动测量领域的应用受到很大的限制，如电磁干扰和温度噪声不能从根本上消除，信号之间的串音、测量探头复杂，以及电线总体积大、布置空间容易受到等问题难以解决。近年来，许多光纤传感器被应用于振动监测和信息采集中，并受到广泛关注和大力推广，其中光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，FBG)传感器最具有发展前景。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种双光纤光栅加速度计探头，其基于光纤布拉格光栅(简称光纤光栅)设计，不但能实现低频振动加速度的测量，同时具有尺寸小，质量轻，不受电磁干扰，不受光路中功率波动影响等优点，还能自动消除温度噪声和相位噪声的影响，具有较高的测量灵敏度和分辨率。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：一种双光纤光栅加速度计探头，包括壳体，壳体内设有简支梁和惯性质量块；简支梁的数量为2个，上下平行的安装于壳体中；惯性质量块固定于两个简支梁之间；上简支梁的上表面以及下简支梁的下表面上分别固定1个光纤光栅，两个光纤光栅相互平行设置，且竖直方向投影相互重合；两个光纤光栅位于同一侧的端部通过光纤相互连接，另一侧的端部通过光纤连接壳体外部。

作为一种改进，本实用新型还包括基座，基座连接壳体下端，基座上表面中心与壳体下端面中心重合；基座的底面积大于壳体下端面的面积。基座与壳体可以为整体结构，基座的设置可使得本实用新型在应用时更好的避免其它振动造成的干扰，保证测量的灵敏度和精确度。

作为一种改进，本实用新型中所述2个简支梁均为矩形截面简支梁，各简支梁的两端分别固定于壳体的两侧部。采用矩形截面的简支梁，可以使得两个简支梁与圆柱体振子即惯性质量块之间“线”接触，保证简支梁的应变为线性应变，为分析提供便利。进一步的，当矩形截面的两个简支梁之间设置的惯性质量块为圆柱体时，惯性质量块的轴向平行于简支梁的表面，并垂直于简支梁的长度方向。简支梁的长度方向即以固定于壳体上的两个端部作为端点的方向。

优选的，本实用新型中两个光纤光栅在同一根光纤上制成，光纤光栅的制作为现有技术；这一根光纤可穿过两个简支梁，使得其上两个光纤光栅位置对称、相互平行的分别固定于上简支梁的上表面和下简支梁的下表面上，可采用粘贴或者其他形式进行固定。此外，如果不使用同一根光纤制成，只要保证所采用的两个光纤光栅的类型、性能相同即可，引出到壳体外的光纤端部为信号输出端。

优选的，本实用新型所述惯性质量块为圆柱体，其径向截面以及轴向皆垂直于简支梁的长度方向；惯性质量块的直径等于上下简支梁之间的距离。圆柱体的惯性质量块较之其它形状可以使得测量的灵敏度更高，另一方面，其外轮廓可较好的缓冲简支梁的受力，使得简支梁的寿命较长，进而也保证了本实用新型的使用寿命。

进一步的，本实用新型所述惯性质量块位于上下简支梁之间、简支梁长度方向的中间部位，可提高本实用新型的灵敏性。

本实用新型的有益效果为：本加速度计探头采用光纤光栅作为敏感元件，免受电磁干扰，适合于复杂电磁环境使用；本传感探头是将加速度引起的简支梁应变量转换为光纤光栅的中心波长漂移量，不受测量系统中光路功率波动影响；本传感探头采用双光纤光栅结构，将简支梁的压缩应变和拉伸应变分别作用于两个光纤光栅，而温度变化对光纤光栅中心波长的影响相同，这样测量中能够进行温度的自动补偿，克服了一般光纤光栅传感器温度、应变交叉敏感问题；本加速度计探头的双光纤光栅结构也将测量的灵敏度较单根光纤光栅提高一倍；本加速度计探头结构较为简单，体积较小，易于形成分布式传感网络，进行多点加速度测量，同时成本较低，安装简单，易于推广。

附图说明

图1所示为本实用新型的结构示意图；

图2所示图1的主视图；

图3所示为光纤光栅传感系统示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的内容更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式做进一步描述。

结合图1和图2，本实用新型包括壳体1，壳体1的下部设有底面积较大的基座11；壳体1内设有简支梁3和惯性质量块2；简支梁3为矩形截面的简支梁，数量为2个，且上下相互平行；各简支梁3的两端分别固定于壳体1的两侧壁上。惯性质量块2为圆柱体，固定于两个简支梁3之间，惯性质量块2的直径等于上下简支梁之间的距离。圆柱体惯性质量块2的轴向平行于简支梁3的表面，并垂直于简支梁3的长度方向；简支梁3的长度方向即以固定于壳体1上的两个端部作为端点的方向。上简支梁的上表面以及下简支梁的下表面上分别固定一个光纤光栅4，两个光纤光栅4相互平行设置，且竖直方向投影相互重合；两个光纤光栅4位于同一侧的端部通过光纤相互连接，另一侧的端部通过光纤连接壳体1外部。

本实用新型中两个光纤光栅4在同一根光纤5上制成；这一根光纤5穿过两个简支梁3，其上两个光纤光栅4位置对称、相互平行的，分别粘贴固定于上简支梁的上表面和下简支梁的下表面上。

本实用新型在应用时基于光纤光栅传感原理，具体为：

忽略温度和应变的交叉敏感，分别考察仅在单一温度或应变的作用下FBG(光纤布拉格光栅)传感特性。温度引起的光纤光栅Bragg波长变化公式为

Δλ_B/λ_B＝(α+ξ)ΔT＝K_TΔT

其中式中

为光纤的热膨胀系数，为光纤的热光系数，K_T为光纤光栅相对波长温度灵敏度系数。由(1)式可知，ΔT与Δλ_B存在着线性关系，通过检测波长的移位，即可确定被测温度变化量。

光纤轴向应变ε引起的光纤光栅Bragg波长变化公式为

Δλ_B/λ_B＝(1-P_e)ε＝K_εε

式中，P_e为有效弹光系数，

其中P₁₁、P₁₂为弹光系数，υ为光纤泊松比；K_ε为光纤光栅相对波长应变灵敏度系数。与温度类似，Δλ_B与ε也成线性关系，由Δλ_B可方便地求出外界应变ε。

由上可知，光栅Bragg波长变化与应变和温度的变化关系为

Δλ_B/λ_B＝(α+ξ)ΔT+(1-P_e)ε＝K_TΔT+K_εε(1)

显然，光栅中心反射波长对应变和温度都是敏感的，测量一个量的同时，势必要受到另一个量的影响。由此可见，解决应变和温度交叉敏感的问题是FBG传感检测技术实用化的关键。

如图3所示为光纤光栅传感系统示意图。从宽带光源发出的光经耦合器传送到传感光栅上，传感光栅反射回一个中心波长为Bragg波长λ_B的窄带光波，待测量(应变、温度等)加在传感光栅上使λ_B产生漂移Δλ_B，这个产生漂移的反射窄带光波又经耦合器导入波长检测系统，从中检测出Δλ_B，进而确定待测量。

本实用新型中，粘贴固定与上简支梁上表面的光纤光栅即第一光纤布拉格光栅FBG1，粘贴固定于下简支梁下表面的即第二光纤布拉格光栅FBG2；粘贴时确保两光栅与简支梁梁表面粘贴的牢固性和准直性，并且两光栅严格对称。当有加速度时，因为惯性质量块固定于两个简支梁之间，也就确保了惯性质量块与上下简支梁振动呈一体。

当有加速度时，惯性质量块上下振动，设其振动加速度为a，则惯性质量块所受到的惯性力为F＝ma。在质量块惯性力F作用下，简支梁发生弯曲，其中一光栅受压缩，另一光栅受拉伸。若简支梁厚度为h，长度为L，宽度为b，依据材料力学和弹性力学知识结合公式F＝ma，惯性力引起的光纤光栅的应变ε为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{3\mathrm{FL}}{{\mathrm{bh}}^{2}E}=\frac{3\mathrm{Lm}}{{\mathrm{bh}}^{2}E}\·a---\left(2\right)$

式中E为梁的弹性模量。

式(2)给出了光纤光栅的应变ε和振动加速度为a的数学关系。因此，可以通过测量FBG的瞬时应变而得到外界加速度值。

当光信号通过FBG1和FBG2时，因为它们是完全一致的光纤光栅，在没有振动信号时，设FBG中心反射波长为λ_B1＝1540nm。当质量块以加速度a振动时，两个FBG的长度伸长和缩短，从而影响其反射谱发生变化，中心波长产生漂移。假设外界温度变化为ΔT，根据公式(1)，两光纤光栅的中心波长漂移量分别为

Δλ_B1＝λ_B11-λ_B1＝λ_B1[K_TΔT+K_ε(-ε)](3)

Δλ_B2＝λ_B12-λ_B1＝λ_B1[K_TΔT+K_εε]   (4)

式中λ_B11为FBG1受压缩后输出的中心波长；λ_B12为FBG2受拉伸后输出的中心波长；ε为光纤光栅应变(当光栅受拉力时取“+”，反之取“-”)。由式(3)、(4)得到FBG1和FBG2的中心波长差为

Δλ_B＝Δλ_B2-Δλ_B1＝2λ_B1K_εε

根据公式(2)，上式转化为

${\mathrm{\Δ\λ}}_B={2\mathrm{\λ}}_{B1}{K}_{\mathrm{\ϵ}}\frac{3\mathrm{Lm}}{{\mathrm{bh}}^{2}E}\·a---\left(5\right)$

所以通过检测光纤光栅中心波长的漂移量Δλ_B便可检测振动加速度a。

由于工程测量中，FBG的应变灵敏度为2×10^-3nm/με，而温度灵敏度为0.03nm/℃，可见在加速度测量时，温度补偿十分重要。由式(5)可知，该传感探头能很好地对温度进行补偿，并且对应变测量的灵敏度比单光纤光栅提高了2倍。

本实用新型中所述具体实施案例仅为本实用新型的较佳实施案例而已，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本实用新型的技术范畴。

Claims (8)

1.一种双光纤光栅加速度计探头，其特征是，包括壳体，壳体内设有简支梁和惯性质量块；简支梁的数量为2个，上下平行的安装于壳体中；惯性质量块固定于两个简支梁之间；上简支梁的上表面以及下简支梁的下表面上分别固定1个光纤光栅，两个光纤光栅相互平行设置，且竖直方向投影相互重合；两个光纤光栅位于同一侧的端部通过光纤相互连接，另一侧的端部通过光纤连接壳体外部。

2.根据权利要求1所述的双光纤光栅加速度计探头，其特征是，还包括基座，基座连接壳体下端，基座上表面与壳体下端面中心重合；基座的底面积大于壳体下端面的面积。

3.根据权利要求1或2所述的双光纤光栅加速度计探头，其特征是，所述2个简支梁的截面均为矩形，各简支梁的两端分别固定于壳体的两侧部。

4.根据权利要求1或2所述的双光纤光栅加速度计探头，其特征是，两个光纤光栅在同一根光纤上制成。

5.根据权利要求1或2所述的双光纤光栅加速度计探头，其特征是，所述惯性质量块为圆柱体，其轴向以及径向截面皆垂直于简支梁的长度方向；惯性质量块的直径等于上下简支梁之间的距离。

6.根据权利要求3所述的双光纤光栅加速度计探头，其特征是，所述惯性质量块为圆柱体，其轴向平行于简支梁的表面，并垂直于简支梁的长度方向。

7.根据权利要求1或2或6所述的双光纤光栅加速度计探头，其特征是，所述惯性质量块位于上下简支梁之间、简支梁长度方向的中间部位。

8.根据权利要求1或2所述的双光纤光栅加速度计探头，其特征是，两个光纤光栅分别粘贴固定于上下简支梁上。

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