CN202916297U - 高灵敏度fbg加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高灵敏度FBG加速度传感器，包括基座、上盖，基座和上盖之间通过螺钉连接，基座和上盖形成的空间内设有悬臂梁，悬臂梁一端与基座螺纹连接，另一端与质量块螺纹连接，质量块处于悬空状态，悬臂梁上设有两个支块，其中支块一设于悬臂梁与基座的连接端，支块二设于支块一与质量块之间，基座两侧设有光缆接头，光纤通过两个光缆接头且固定于支块一和支块二上，光栅栅区位于支块一和支块二之间。实用新型有益的效果是：本实用新型光栅栅区两端固定在悬臂梁与支块之间，提高了传感器的灵敏度，避免了出现啁啾或多峰现象，推导了设计计算的力学模型，对传感器进行了过载安全保护设计、光栅预拉伸设计等；采用有限元分析计算得出了悬臂梁应变分布情况及6阶固有频率，证明分析结果与设计计算吻合。

Description

高灵敏度FBG加速度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤光栅传感器，尤其是一种高灵敏度FBG加速度传感器。 

背景技术

光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。现有的光纤光栅加速度传感器在使用时，容易出现啁啾或多峰现象，其灵敏度是一个问题。并且在外界过大冲击作用时，过大的加速度会使光栅产生很大的轴向应变使得光栅被拉断。 

发明内容

本实用新型要解决上述现有技术的缺点，提供一种耐用的高灵敏度FBG加速度传感器。 

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案：这种高灵敏度FBG加速度传感器，包括基座、上盖，基座和上盖之间通过螺钉连接，基座和上盖形成的空间内设有悬臂梁，悬臂梁一端与基座螺纹连接，另一端与质量块螺纹连接，质量块处于悬空状态，悬臂梁上设有两个支块，其中支块一设于悬臂梁与基座的连接端，支块二设于支块一与质量块之间，基座两侧设有光缆接头，光纤通过两个光缆接头且固定于支块一和支块二上，光栅栅区位于支块一和支块二之间。 

作为优选，所述光栅设有预拉伸。 

作为优选，所述基座底部设有一个限位螺钉，限位螺钉的中心位置与质量块的集中载荷共线，限位螺钉的端面与质量块之间设有间隙。 

作为优选，所述基座采用铝合金材质。 

作为优选，所述基座和上盖形成的空间内的螺纹连接处设有螺纹密封胶。 

作为优选，所述基座和上盖形成的空间内部设有润滑油阻尼液。 

实用新型有益的效果是：本实用新型通过调整支块的尺寸可以明显改善传感器的灵敏度，同时光栅栅区部分采用悬空方式，不直接粘贴到悬臂梁上可以有效避免出现中心波长啁啾或 展宽现象；得出了该新型加速度传感器的具体结构尺寸，同时对于预拉伸、防过载破坏及温度补偿进行了结构设计；对传感器的传感单元进行了有限元仿真分析，结果与前面设计理论结果十分吻合；故本实用新型设计的光纤光栅加速度传感结构为新型加速度传感器设计提供了一种新颖的设计思路和方法，具有极大的实用意义和价值。 

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图； 

图2是传感单元力学模型结构图； 

图3是纯弯梁弯曲变形表面几何关系图； 

附图标记说明：基座1，上盖2，质量块3，悬臂梁4，支块一5，支块二6，光缆接头7，光纤8，光栅栅区9，限位螺钉10。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明： 

实施例：如图1所示，一种高灵敏度FBG加速度传感器，包括基座1、上盖2，基座1和上盖2之间通过螺钉连接，基座1和上盖2形成的空间内设有悬臂梁4，悬臂梁4一端与基座1螺纹连接，另一端与质量块3螺纹连接，质量块3处于悬空状态，悬臂梁4上设有两个支块，其中支块一5设于悬臂梁4与基座1的连接端，支块二6设于支块一5与质量块3之间，基座1两侧设有光缆接头7，光纤8通过两个光缆接头7且固定于支块一5和支块二6上，光栅栅区9位于支块一5和支块二6之间。由于传感器用作加速度震动测量，故内部所有螺纹连接处均需做防松处理，即通过涂覆螺纹密封胶防松，尾端光缆接头7与光缆连接方式仍采用常规方式（压紧及涂胶水）连接，整个基座1内部填充润滑油阻尼液。 

建立外界激励的加速度、频率信息与光纤光栅之间的力学模型是设计的关键，设计时采用悬臂梁4和质量块3力学模型，外界激励加速度产生的惯性力转换为悬臂梁4表面的应变，将光栅固定在悬臂梁4表面。这样，表面的应变将使光栅中心波长发生变化，结合光栅应变特性、力学理论知识，可以建立中心波长变化与外界激励加速度的线性关系，从而通过光栅波长变化量的检测可以换算出外界激励加速度大小，同时，传感器自身设计固有频率决定了可以探测外界激励信号的工作频率范围。将光栅时域波长变化信号进行FFT变换即可得到外 界激励信号的频率特性曲线，从而检测出外界激励信号的频率成分。 

加速度传感器设计时两个重要的指标即：动态范围（工作频率）及灵敏度。在结构检测领域（桥梁、大坝等）使用时，通常要求传感器在一定的动态范围内有很好的灵敏度，这样才能监测出结构体的微小震动情况。铁路、公路桥的竖直方向加速度通常低于0.35g，横向加速度低于0.1g，公路、铁路桥及高层建筑等大型结构的振动均为低频振动，固有频率一般小于10Hz。这里，采用悬臂梁和质量块力学模型作为加速度传感器传感单元。其简化的传感单元结构如图2所示，可简化为由惯性质量m、弹性元件k和阻尼C组成的单自由度的二阶系统，由于光纤刚度远小于弹性悬臂梁的刚度，故计算时忽略了光纤刚度的影响。 

对于上述力学模型可以得到其固有频率为： 

$f_n=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{{\mathrm{Ebh}}^3}{4(m+m_c)L^3}}$

结合材料力学、光纤光栅波长变化与应变关系、弯曲形变定理可得到该结构形式： 

$S=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{a}=0.78\frac{t+2h}{t}\frac{6m}{{\mathrm{Ebh}}^2}(L-x){\mathrm{\λ}}_0$

其中， 

f_n：悬臂梁的固有频率；S：加速度灵敏度系数；Δλ：波长变化量； 

a：加速度；λ₀：原始波长；m：质量块质量；m_c：悬臂梁质量； 

E：悬臂梁弹性模量；b：悬臂梁宽度；L：悬臂梁长度； 

t：悬臂梁厚度；h：支块厚度（支块一和支块二视为等厚）； 

同时结合结构自身设计边界尺寸约束，采用数值优化方法得到，当悬臂梁几何尺寸为L=45，m_c=90，b=15，t=1（单位均为mm）时其灵敏度及固有频率均较高，其中悬臂梁选用65Mn材料，其弹性模量E=200GPa，h=7.5mm代入计算得到传感器灵敏度为800pm/g，固有频率为50HZ。目前业内其它厂家采用悬臂梁结构的加速度传感器，在几何尺寸相当的情况下，其灵敏度远低于这一数值（如菲薄泰达到360pm/g，紫衫300pm/g），可见可以改变h来调整传感器的灵敏度。 

由于加速度传感器设计量程为±1g，这就要求光栅不仅需要轴向拉伸，还需要轴向压缩。为保证光栅轴向压缩时仍能检测到光栅中心波长变化量，对光栅实施预拉伸是很重要的。根 据悬臂梁材料力学原理可知，其表面应变与外力存在以下关系： 

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6F(L-x)}{{\mathrm{Ebh}}^2}$

结合前面设计传感器单元结构尺寸，当外界激励加速度为1g时，悬臂梁表面最大应变为ε＝40.81με，则结合材料力学中纯弯曲梁变形几何关系如图3所示，悬臂梁表面应变与表面高度h处应变有如下关系： 

$\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\ϵ}1}=\frac{t/2}{t/2+h}$

$\mathrm{\ϵ}1=\frac{t+2h}{t}\mathrm{\ϵ}$

根据裸光栅波长与应变的关系，即k＝1.2pm/με，可以换算得到悬臂梁给光栅的应变相当于光栅中心波长的变化量Δλ为：Δλ＝kε1＝783.55pm。 

因此，要满足加速度传感器量程为±1g要求，需对光栅实施不低于783.55pm的预拉伸，设计时按照预拉伸1000pm进行封装。 

感器在外界过大冲击作用下（远大于自身设计量程1g）时，过大加速度会使光栅产生很大的轴向应变使得光栅被拉断，根据光纤的材料特性，其在受到外力拉伸时，断裂前最大拉伸率为初始长度的1%左右，也即10000με。因此，对于光栅进行过载保护设计显得很重要。结合前面计算公式可知，光栅产生10000με相当于在悬臂梁表面产生625με，则自由端惯性力为： 

$F=\frac{{\mathrm{\ϵEbh}}^2}{6(L-x)}=13.65N$

当悬臂梁自由端在惯性力F=13.65N作用下，其自由端最大挠度为： 

$r=\frac{{4\mathrm{FL}}^3}{{\mathrm{Ebh}}^3}=1.44\mathrm{mm}$

也即是当悬臂梁4自由端产生1.44mm位移时，光栅将被拉断。为了避免这一现象，在传感器基座上安装一限位螺钉10，该螺钉中心位置与悬臂梁4自由端集中载荷共线，设计时，当限位螺钉10完全旋入指定位置时，螺钉端面距离质量块3位移为1mm（小于1.44mm极限尺寸）。 

光栅两端固定于同一材的质悬臂梁上，同时，光栅处于拉伸状态，外界温度变化时，光 栅中心波长也会发生变化。这里没有设计内部温度补偿，需借助外部温度传感器进行区域温度补偿。由于传感器基座1采用了铝合金材质，其具有很高的热导率，对于周围环境温度的变化能快速传递到传感器内部，同时内部光栅处于裸露，可以快速响应外界温度变化。因此采用外部周围补偿的方式是可以很好剔除温度对波长的影响的。 

前面从理论计算方面对加速度传感器传感单元结构进行应变、固有频率计算分析，前面的分析未有考虑结构局部的变化（如开孔、垫高）的影响，在根据前面理论计算得出传感单元各结构件尺寸、质量后，建立了三维模型，对设计的三维模型进行仿真分析可以很好的校验前面的理论计算。 

传感单元静力分析，在分析时建立了相关约束条件，在悬臂梁左端施加固定支撑约束，定义悬臂梁与质量块连接面为完全绑定支撑约束，在悬臂梁自由端添加集中载荷0.9N。设置悬臂梁材料为65Mn、质量块材料为黄铜。通过网格划分计算求解可得其应变分布云图，从图中可以看出，最大应变发生在悬臂梁靠近固定端侧，支块与悬臂梁表面连接处应变值在31.34—39.17με之间，与前面计算的表面应变值40.81με比较接近。支块上表面应变值很小，主要由于该处结构材料相对较厚，材料内部之间的应变很小，主要变形是由于悬臂梁发生弯曲支块整体产生位移。 

传感单元模态分析，在分析时建立了相关约束条件，在悬臂梁左端施加固定支撑约束，定义悬臂梁与质量块连接面为完全绑定支撑约束，设置悬臂梁材料为65Mn、质量块材料为黄铜。通过网格划分计算求解提取其前6阶固有频率，如下表所示。 

一阶固有频率为52Hz，这与前面我们计算的结构固有频率48.42Hz很接近。其余高阶固有频率对于结构的研究就显得没有意义了。为此，计算了传感单元在一阶固有频率为52Hz时结构应变分布云图，从图中可以看出，最大应变发生在悬臂梁表面靠近固定端，最大应力为16562MPa>>500MPa（悬臂梁不锈钢材料抗拉强度），故在该频率下悬臂梁将发生断裂现象。结合前面仿真计算和数值计算看以，得出的最大等效应变和一阶固有频率值几乎相近，故可判断上述分析得出结果是可信的。 

本实用新型光栅栅区两端固定在悬臂梁与支块之间，提高了传感器的灵敏度，避免了出现啁啾或多峰现象，推导了设计计算的力学模型，对传感器进行了过载安全保护设计、光栅预拉伸设计等。采用有限元分析计算得出了悬臂梁应变分布情况及6阶固有频率，证明分析结果与设计计算吻合。 

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。 

Claims (6)

1.一种高灵敏度FBG加速度传感器，包括基座（1）、上盖（2），基座（1）和上盖（2）之间通过螺钉连接，其特征是：基座（1）和上盖（2）形成的空间内设有悬臂梁（4），悬臂梁（4）一端与基座（1）螺纹连接，另一端与质量块（3）螺纹连接，质量块（3）处于悬空状态，悬臂梁（4）上设有两个支块，其中支块一（5）设于悬臂梁（4）与基座（1）的连接端，支块二（6）设于支块一（5）与质量块（3）之间，基座（1）两侧设有光缆接头（7），光纤（8）通过两个光缆接头（7）且固定于支块一（5）和支块二（6）上，光栅栅区（9）位于支块一（5）和支块二（6）之间。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度FBG加速度传感器，其特征是：所述光栅设有预拉伸。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度FBG加速度传感器，其特征是：所述基座（1）底部设有一个限位螺钉（10），限位螺钉（10）的中心位置与质量块（3）的集中载荷共线，限位螺钉（10）的端面与质量块（3）之间设有间隙。

4.根据权利要求1所述的高灵敏度FBG加速度传感器，其特征是：所述基座（1）采用铝合金材质。

5.根据权利要求1所述的高灵敏度FBG加速度传感器，其特征是：所述基座（1）和上盖（2）形成的空间内的螺纹连接处设有螺纹密封胶。

6.根据权利要求1所述的高灵敏度FBG加速度传感器，其特征是：所述基座（1）和上盖（2）形成的空间内部设有润滑油阻尼液。

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