CN203551099U - 一种光纤光栅传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种光纤光栅振动传感器，其包括：支架；L型臂架，其包括结合在一起形成L型的竖臂和横臂，其中所述L型臂架通过竖臂上的枢接点枢轴地连接到所述支架，使得所述L型臂架能够围绕所述枢接点相对于所述支架转动，并且其中所述横臂配置有可调节质块，其中所述可调节质块在所述横臂上的位置可调以改变所述可调节质块到所述竖臂的距离，以及/或者其中所述可调节质块的质量能够被增加或减小；以及光纤光栅，所述光纤光栅的光纤在第一固定点处被固定到所述支架并在第二固定点处被固定到所述L型臂架的竖臂，其中所述光纤光栅的光栅结构位于第一固定点和第二固定点之间。本实用新型的传感器频响范围广且具有可调的灵敏度。
Description
技术领域
本实用新型涉及使用光纤光栅进行测量的技术领域，具体地涉及一种光纤光栅传感器。
背景技术
在目前的用于测量振动/位移/速度/加速度的传感器市场上，主要以利用电磁技术的传感器为主。但电磁场会产生干扰信号，可能会干扰其它设备、尤其是通信设备的运行，这使得电磁传感器不适合在诸如铁路领域的某些重要场合中应用。为了避免电磁信号对使用者的影响，近十几年来发展出了利用光进行测量及传输的光纤振动传感器。由于采用了光纤技术，光纤传感器灵敏、稳定且使用寿命长，因此受到业内广泛的欢迎。但由于光纤拉伸能力有限，目前的光纤光栅传感器主要应用在桥梁、建筑上，用来测量建筑的微小变化或微小振动。
例如，中国专利申请CN101982740A公开了一种具有悬臂梁结构的光纤光栅传感器，其中为了减少剧烈振动对光纤光栅的损伤（如崩断）而使用了限位柱结构。但是限位柱结构的使用限制了振动的测量范围，使得该传感器仅适用于测量较小的振动。
又例如，中国专利申请CN1587946A介绍了一种通过检测振动时的光反射功率与平衡时的反射功率来检测微小振动的传感器。通过该传感器，虽然可以从设计上避免光纤的任何损伤，但这种设计也是仅适用于微弱的振动。
再例如，中国专利申请CN101285847A公开了一种对温度不灵敏的光纤光栅传感器，它采用弹簧来补偿外界温度对布拉格光栅波长漂移的影响。但是该光纤光栅传感器测量振动的频率范围有限，虽然可以很灵敏，但不适用于振动频率很高的测量。
实用新型内容
基于现有技术的不足，本实用新型提出了一种新型的光纤光栅传感器。
根据本实用新型的一个方面，提供一种光纤光栅传感器，其包括：
支架；
L型臂架，其包括结合在一起形成L型的竖臂和横臂，其中所述L型臂架通过竖臂上的枢接点枢轴地连接到所述支架，使得所述L型臂架能够围绕所述枢接点相对于所述支架转动，并且其中所述横臂配置有可调节质块，其中所述可调节质块在所述横臂上的位置可调以改变所述可调节质块到所述竖臂的距离，以及/或者其中所述可调节质块的质量能够被增加或减小；以及
光纤光栅，所述光纤光栅的光纤在第一固定点处被固定到所述支架并在第二固定点处被固定到所述L型臂架的竖臂，其中所述光纤光栅的光栅结构位于第一固定点和第二固定点之间。
根据本实用新型的一个实施例，所述光纤光栅传感器还包括弹性部件，所述弹性部件的一端固定到所述支架，另一端与所述L型臂架的竖臂相结合以对所述竖臂施加弹力，使得所述光栅结构由于所述弹力而具有一定的预形变量。
根据本实用新型的一个实施例，所述光纤光栅传感器还包括用于调节所述弹力的大小从而调节所述预形变量的调节装置。
根据本实用新型的一个实施例，所述弹性部件布置在所述支架的通孔中。
根据本实用新型的一个实施例，所述弹性部件为弹簧。
根据本实用新型的一个实施例，所述弹性部件为弹簧，并且所述调节装置为沿弹簧伸缩方向插入所述弹簧中的螺钉，其中通过改变所述螺钉插入所述弹簧中的长度来改变所述弹力的大小。
根据本实用新型的一个实施例，所述螺钉具有可旋转手柄，其中通过旋转所述手柄来改变所述螺钉插入所述弹簧中的长度。
根据本实用新型的一个实施例，所述光纤光栅传感器还包括用于容纳所述光纤光栅传感器的各组件的外壳。
根据本实用新型的一个实施例，所述外壳被用橡胶密封。
根据本实用新型的一个实施例，所述外壳内灌注有硅油。
根据本实用新型的一个实施例，所述光纤光栅的光纤被配置为从所述外壳的两侧穿出。
根据本实用新型的一个实施例，所述可调节质块能够沿着所述横臂的长度方向滑动。
根据本实用新型的一个实施例，所述横臂具有沿所述横臂的长度方向的滑轨，所述可调节质块能够沿着所述滑轨滑动。
根据本实用新型的上述方面和实施例的光纤光栅传感器至少具有以下优点中的一个或多个：能够测量剧烈的振动；频响范围广；能够根据不同的振动而调整传感器的响应强度及频率；具有可灵活调节的光纤光栅预拉伸量、灵敏度。由于具有上述优点中的一个或多个，根据本实用新型的光纤光栅传感器适用于多种振动环境中。
附图说明
图1示出根据本实用新型的一个实施例的光纤光栅传感器的结构示意图；
图2示出根据本实用新型的另一实施例的光纤光栅传感器的结构示意图；
图3示出根据本实用新型的又一实施例的光纤光栅传感器的结构示意图；
图4示出在振动台上测得的根据本实用新型的实施例的光纤光栅传感器的加速度-波长测试图表，其中加速度的范围为50-100m/s2；
图5示出在振动台上测得的根据本实用新型的实施例的光纤光栅传感器的加速度-波长测试图表，其中加速度的范围为50-500m/s2；
图6示出在增加可调节质块的质量后在振动台上测得的根据本实用新型的实施例的光纤光栅传感器的加速度-波长测试图表，其中加速度的范围为50-100m/s2；以及
图7示出分别对应于不增加可调节质块的质量和增加可调节质块的质量这两种情况的根据本实用新型的实施例的光纤光栅传感器的共振频谱扫描曲线。
具体实施方式
根据本实用新型实施例的光纤光栅传感器利用布拉格反射光栅的特性来测量振动（包括振幅、速度、加速度、频率）。布拉格反射光栅的特点是只有与光栅波长相等的光能够通过光栅。当光栅被拉伸时，其反射波长发生变化。因此，可以通过测量反射光波长，来得到光栅的形变信息，即波长的改变量，从而推导出施加于传感器的振动加速度值，得到振动的加速度及频率信息（如果不是单一次的振动的话）。
图1示出了根据本实用新型的一个实施例的光纤光栅传感器的结构示意图。在该实施例中，光纤光栅传感器包括支架（图中未示出）、光纤光栅1和L型臂架2。L型臂架2包括结合在一起形成L型的竖臂21和横臂22，其中L型臂架2通过竖臂21上的枢接点23枢轴地连接到支架，使得L型臂架2能够围绕枢接点23相对于所述支架转动。光纤光栅1的光纤在第一固定点11处被固定到支架，并在第二固定点12处被固定到L型臂架2的竖臂21。光纤光栅1的光栅结构位于第一固定点11和第二固定点12之间。
横臂23配置有可调节质块24。可调节质块24在横臂22上的位置可调，以改变可调节质块24到竖臂21的距离。或者，也可以增加或减小可调节质块的质量，以达到与改变可调节质块24的位置相同的效果。可选地，也可以两种手段结合起来实施。在一个实施例中，可调节质块24能够沿着横臂22的长度方向滑动。可选地，横臂22配置有沿横臂22的长度方向的滑轨，可调节质块24能够沿着滑轨滑动。
L型臂架2的横臂22上的可调节质块24越靠近横臂22的远端（即到竖臂21的距离越远）或者其质量越重，传感器的灵敏度就越高，对微弱振动的测量就越准确。L型臂架2的横臂22上的可调节质块24越远离远端（即到竖臂21的距离越近）或者其质量越轻，传感器的频响范围就越大，适合测量剧烈的振动。在横臂22配置有位置可变和/或质量可调的可调节质块24的情况下，根据所测量的振动的不同，可随时调整该光纤光栅传感器的灵敏度及频响范围。
图2示出了根据本实用新型的另一实施例的光纤光栅传感器的结构示意图。与图1中的实施例的不同在于，该实施例中的光纤光栅传感器除了包括与图1相同的支架（图中未示出）、光纤光栅1和L型臂架2之外，还包括有弹性部件3。弹性部件3的一端固定到支架，另一端与L型臂架2的竖臂21相结合以对竖臂21施加弹力，使得光纤光栅1的位于第一固定点11和第二固定点12之间的光栅结构由于受到该弹力而被拉伸，从而具有一定的预形变量。随着弹性部件3所施加的弹力的不同，光栅结构承受的拉力也不同。弹力越大，光栅结构受到的拉力就越大，光栅结构的布拉格光栅的波长变化就越大。这是因为，布拉格光栅所能承受的最大形变量是定值，预形变量越大，剩余的可用来测量振动加速度的形变量就越小，也就限制了传感器能测量到的最大振动加速度值。因此，通过调节弹性部件3对竖臂21所施加的弹力的大小，就可以调节传感器能够测量的加速度/速度/位移的范围。
可选地，光纤光栅传感器还可以包括用于调节所述弹力的大小从而调节预形变量的调节装置4（如图2中的实施例所示）。通过该调节装置4，可以随时调节弹性部件3对竖臂21所施加的弹力大小，也就调节了光栅结构的预形变量，从而可以灵活地随时调节传感器的测量范围。
在一个实施例中，所述弹性部件3为弹簧，通过螺钉端头向弹簧端头挤压的方式达到对弹簧施压的目的。螺钉沿着螺孔向内旋紧的过程中，施加在弹簧上的压力逐渐增加，优选的，螺钉为微调螺钉，这样可以精确的控制螺钉的深入量，即控制弹簧的挤压量。可选地，螺钉具有可旋转手柄，通过旋转所述手柄来改变螺钉插入弹簧中的长度。本领域技术人员可以理解的是，虽然在上述实施例中以弹簧为例来说明弹性部件3，以带有螺纹的螺钉为例来说明调节装置4，但是，除弹簧以外的其它弹性部件或弹性材料以及与之相对应的调节装置都是容易想到的，并且都适用于本实用新型，从而落入本实用新型的精神和范围之内。
图3示出了根据本实用新型的一个具体实施例的光纤光栅传感器的结构示意图。如图3所示，光纤光栅传感器包括光纤光栅（包括光纤101和光栅结构102）、支架6（图中只示出了支架的一部分，其长35mm，宽15mm，高15mm）、L型臂架2（包括竖臂和横臂，竖臂20mm长，横臂25mm长，厚度5mm，宽度10mm，材质为304不锈钢）、弹簧3、调节弹簧3对竖臂所施加的弹力的调节装置4、以及将上述各组件容纳在内的外壳5。支架6用来固定及支撑传感器，并将传感器固定在外壳5中。可选地，支架6通过螺母固定在外壳5的内壁上。图3中的光纤光栅是一根高弹性光纤光栅（最大拉伸下布拉格光栅变化12nm），光栅结构102位于第一固定点11和第二固定点12之间（间距大约20mm左右）。传感器整体密封在外壳5中，仅有光纤101的两端从外壳两侧伸出。可选地，所述外壳5被用橡胶密封。将传感器固定在待测点上即可以测量出待测点的振动加速度/速度/位移（振幅）。
光纤101一端焊接在固定支架6上，另一端焊接在L型臂架2的竖臂上。L型臂架2的竖臂通过转轴23被固定在支架上，转轴表面很光滑，能够保障L型臂架2的自由转动。弹簧3被布置在支架6中的一个孔洞中，其一端固定到支架6，另一端穿过该孔洞抵住L型臂架2的竖臂。被弹簧3的弹力挤压的L型臂架2的竖臂拉动固定在其上的光纤101，使得光栅结构102产生预形变量。预形变量的大小与弹力的大小相关。在一个实施例中，通过调节装置4调节光栅结构102的预形变量，使得光纤光栅的波长变化为2nm左右（根据需要可拉伸不同的程度）。
如图3所示，L型臂架2的横臂上沿其长度方向配置有滑轨25，可调节质块24可沿着滑轨25滑动。可选地或者附加地，可调节质块24的质量大小也可以被调节。在图3的实施例中，调节装置4为带有调节手柄的螺钉，螺钉上配置有与弹簧3相吻合的螺纹。调节手柄的至少一部分暴露在外壳的外部，使得用户可在外部进行调节。图3中与图1和图2中标号相同的各组件在结构和性能上也与图1和图2中的相同，在此不再一一赘述。
图3中的传感器采用弹簧的设计，通过弹簧来控制光栅结构的实际拉伸量，从而可以调节可测量的振动加速度的范围。同时，弹簧可以有效地减少每次振动测量中信号的谐振，从而延长光纤的寿命。可选地，也可以在外壳5中灌注硅油以减少谐振，延长光纤的使用寿命。L型臂架2的横臂带有可滑动的轨道25，通过增减质块24的质量大小和/或改变其在轨道25上的位置，可以改变传感器的灵敏度，从而能够测量到极小的振动信号，但此时传感器的频响范围会减小，反之亦然。
根据图3的实施例，此传感器具有灵活可调的可测振动加速度范围、灵敏度及频响范围，适合测量剧烈的振动并可应用在多种场合，解决了传统光纤光栅传感器只适合测量微小运动偏移及功能单一的问题。
在上面的一个或多个实施例中，虽然以测量振动为例进行了说明，但可以理解的是，根据本实用新型的光纤光栅传感器并不限于测量振动，而是也可以用于测量一般运动的位移、速度、加速度等参数。
图4示出在振动台上测得的根据本实用新型的实施例的光纤光栅传感器的加速度-波长测试图表，其中加速度的范围为50-100m/s2。图4中的图表是在振动台频率为80Hz时测得的加速度与所得到的波长变化量的关系曲线。经过曲线拟合（直线部分），得到传感器的灵敏度为10.1pm/g。而图5则示出了在振动台的频率为140Hz的情况下当加速度为50-500m/s2时波长变化量与加速度的的关系曲线。图5说明传感器能够测量到非常强烈的振动。当将L型臂架的横臂上的可调质块的质量增大和/或将其位置改变得更远离竖臂后，在振动台的振动频率为80HZ的情况下传感器所测得的加速度与波长变化量的曲线如图6所示。通过线性拟合，得到此时传感器的灵敏度为23pm/g，这说明增大质块质量和/或增大其到竖臂的距离后能有效地增加传感器的灵敏度。
制约传感器寿命的另一个因素是共振频率，传感器必须避免工作在共振频率附近，否则会严重影响其寿命甚至是导致其损坏。在振动台上测量了当加速度为40m/s2时，振动频率从240Hz至700Hz的频率-波长变化谱图，其中以10Hz为扫描步长。图7示出了这样的测试曲线。在图7中，圆点曲线和方框曲线分别代表了传感器在2种状态下的共振频率测量曲线，2种状态分别是质块质量增加和/或到竖臂的距离增大（圆点）及质块质量不增加和/或到竖臂的距离不增大（方框）。由图7可见，在两种情况下的测量中，在380HZ、550HZ、610HZ均有较小的峰存在，这是振动台引起的共振。而方框曲线的510HZ，圆点曲线的320HZ则是2种条件下传感器的共振峰。由图7可见，当质块质量增加和/或到竖臂的距离增大后，传感器的灵敏度变高，但是共振频率低，适合测量低频下的微弱振动；当质块质量减小和/或到竖臂的距离减小时，传感器灵敏度变差，但共振频率变大，适合测量高频下的强烈震动。
虽然上面已经结合附图描述了本实用新型的具体实施例，但是本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本实用新型进行各种改变、修改和等效替代。这些改变、修改和等效替代都将落入随附的权利要求所限定的精神和范围之内。
Claims (13)
1. 一种光纤光栅传感器，其特征在于，包括：
支架；
L型臂架，其包括结合在一起形成L型的竖臂和横臂，其中所述L型臂架通过竖臂上的枢接点枢轴地连接到所述支架，使得所述L型臂架能够围绕所述枢接点相对于所述支架转动，并且其中所述横臂配置有可调节质块，其中所述可调节质块在所述横臂上的位置可调以改变所述可调节质块到所述竖臂的距离，以及/或者其中所述可调节质块的质量能够被增加或减小；以及
光纤光栅，所述光纤光栅的光纤在第一固定点处被固定到所述支架并在第二固定点处被固定到所述L型臂架的竖臂，其中所述光纤光栅的光栅结构位于第一固定点和第二固定点之间。
2. 根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，还包括弹性部件，所述弹性部件的一端固定到所述支架，另一端与所述L型臂架的竖臂相结合以对所述竖臂施加弹力，使得所述光栅结构由于所述弹力而具有一定的预形变量。
3. 根据权利要求2所述的光纤光栅传感器，其特征在于，还包括用于调节所述弹力的大小从而调节所述预形变量的调节装置。
4. 根据权利要求2所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述弹性部件布置在所述支架的通孔中。
5. 根据权利要求2-4中任一项所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述弹性部件为弹簧。
6. 根据权利要求3所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述弹性部件为弹簧，并且所述调节装置为沿弹簧伸缩方向插入所述弹簧中的螺钉，其中通过改变所述螺钉插入所述弹簧中的长度来改变所述弹力的大小。
7. 根据权利要求6所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述螺钉具有可旋转手柄，其中通过旋转所述手柄来改变所述螺钉插入所述弹簧中的长度。
8. 根据权利要求1-4中任一项所述的光纤光栅传感器，其特征在于，还包括用于容纳所述光纤光栅传感器的各组件的外壳。
9. 根据权利要求8所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述外壳被用橡胶密封。
10. 根据权利要求8所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述外壳内灌注有硅油。
11. 根据权利要求8所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅的光纤被配置为从所述外壳的两侧穿出。
12. 根据权利要求2-4中任一项所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述可调节质块能够沿着所述横臂的长度方向滑动。
13. 根据权利要求2-4中任一项所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述横臂具有沿所述横臂的长度方向的滑轨，所述可调节质块能够沿着所述滑轨滑动。
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|---|---|---|---|---|
| CN104457957A (zh) * | 2013-09-23 | 2015-03-25 | 同方威视技术股份有限公司 | 一种光纤光栅传感器 |
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| WO2015127814A1 (zh) * | 2014-02-27 | 2015-09-03 | 同方威视技术股份有限公司 | 光纤光栅振动传感器 |
| CN104269962B (zh) * | 2014-09-18 | 2017-10-20 | 力帆实业(集团)股份有限公司 | 混合动力发动机用发电机转子总成 |
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