CN204359817U - 基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器 - Google Patents

Abstract

基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器，包括封装外壳，封装外壳内设有惯性质量块、光纤Bragg光栅、毛细钢管，毛细钢管内嵌入两个光纤Bragg光栅，毛细钢管固定于惯性质量块的中部且与惯性质量块紧密结合。本实用新型一种基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器，该装置监测精度高，且具有无需供电、抗电磁干扰能力强，体积小重量轻，成本低，信号传输距离远，可实现准分布式测量的特点。

Description

基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器

技术领域

本实用新型一种基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器，属于光纤智能材料结构健康监测领域，应用于准确可靠地监测输电线路舞动。

背景技术

输电线路舞动对输配电系统安全运行造成严重危害，我国是输电线路舞动发生最频繁的国家之一，要实现智能电网、坚强电网的建设，保证输电线的可靠与安全运行，需对输电线舞动进行实时监测预警。传统输电线路舞动监测装置存在易受电磁干扰、使用寿命短、缺乏供电电源等缺点。为克服其不足，研究开发新型输电线路的舞动监测装置一直是电力工业界亟待解决的问题。

目前，公知的输电线舞动监测方式主要有：人工监测、基于电测量原理的舞动监测、基于图形的方法监测。人工监测，主要依靠在待建重要线路拟通过的重冰区架设观察线，设立专人值守的观测站，记录气象信息及舞动情况。对已建线路主要是通过人工巡线发现问题。人工监测可对出现的线路问题及时检修，可观测站常设于山岭中，交通不便且成本高，误差大。基于电测量原理的舞动监测，打破传统人工监测的局限性，大大提高输电线舞动监测的效率。国内大都处于实验室研发阶段，且电测量应用主要受传感器电源与数据传送通信技术因素限制。基于图形的方法监测，可直观、生动、确切的描述现场，通过计算机或微处理器对采集的图像按目标效果进行相应的处理，且随着半导体技术的发展，使视频图像处理技术成本下降，准确度提高。但在数据传送，浏览图像的方面技术还不成熟。迄今为止，实际应用的光纤光栅加速度的工作频率范围较低，一般为零至几十赫兹，限制了光纤光栅加速度传感器的实际应用场合。

发明内容

本实用新型提供一种基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器，该装置监测精度高，且具有无需供电、抗电磁干扰能力强，体积小重量轻，成本低，信号传输距离远，可实现准分布式测量的特点。

本实用新型采取的技术方案为：

基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器，包括封装外壳，封装外壳内设有惯性质量 块、光纤Bragg光栅、毛细钢管，毛细钢管内嵌入两个光纤Bragg光栅，毛细钢管固定于惯性质量块的中部且与惯性质量块紧密结合。

所述两个光纤Bragg光栅，每个光纤Bragg光栅的中心波长相同。

所述两个光纤Bragg光栅通过灌注胶体封装在毛细钢管中。

所述毛细钢管开槽，其槽口的形状为中间宽，沿毛细钢管长度方向宽度逐渐减小。

所述槽口长度为8-9mm，宽度为0.1-0.18mm。

本实用新型基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器，技术效果如下：

1)、本实用新型使用的光纤Bragg光栅的特征量是波长，避免光强的变化对测量的影响。

2)、Bragg波长与应变呈良好的线性关系，可将输电线舞动水平与垂直的加速度产生的应变转化为Bragg波长的改变，进行准确的间接测量。

3)、采用双光纤Bragg光栅，对传感光栅进行温度补偿，提高传感器的温度稳定性。

4)、本实用新型不受电磁干扰影响，绝缘性能好，可在高电压环境下使用，传输损耗小，可实现远距离监测。

附图说明

图1是本实用新型基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器的结构示意图；

图2是本实用新型基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器的纵剖面结构示意图。

具体实施方式

图1是基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器原理图，高频光纤Bragg光栅加速度传感器是利用光纤光栅的应变效应来实现加速度的测试。当光纤光栅受到纵向的拉力是光纤光栅的中心波长与应变的关系为：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=(1-P_e)\mathrm{\ϵ}---\left(1\right)$

式中P_e为光纤光栅的有效弹光系数，△λ为为光纤光栅中心波长变化量，λ为光纤光栅中心波长，ε为光纤光栅的轴向应变。当传感器做加速度运动时，惯性质量块m受到与运动方向相反的惯性力作用，使光纤Bragg光栅1的中心波长因纵向的拉力而发生漂移，惯性力与光纤Bragg光栅1中心波长的变化关系为：

$\mathrm{ma}=\mathrm{EA}\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{(1-P_e)\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

$A=\frac{\mathrm{\π}}{4}({d_1}^2-{d_2}^2)---\left(3\right)$

式中a为运动加速度，E为光纤的杨氏模量，A为钢管受力的横截面积，d1为钢管外径，d2为钢管外径。在光纤Bragg光栅1确定的情况下，通过调节惯性质量块2可控制加速度传感器系统的灵敏度系数。加速度传感系统的灵敏度系数：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{a}=\frac{(1-P_e)\mathrm{\λm}}{\mathrm{EA}}---\left(4\right)$

由式可知，在光纤Bragg光栅1确定的情况下，惯性质量块m越大，加速度传感器系统的灵敏度系数越大。

Bragg光纤光栅加速度传感器的无阻尼固有频率：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{EA}}{\mathrm{mL}}}---\left(5\right)$

由式(5)可知，在Bragg光纤光栅确定的情况下，惯性质量块m越大，加速度传感器系统的固有频率越小。

图2是基于双光纤Bragg光栅1高频加速度传感器纵剖面构造图，由图可知一种基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器具体组成为：惯性质量块2、光纤Bragg光栅1、毛细钢管3、封装外壳4四部分。毛细钢管3内嵌入两个光纤Bragg光栅1，将毛细钢管3固定于惯性质量块2的中部，使两者紧密结合，再将惯性质量块2封装。基于双光纤Bragg光栅1高频加速度传感器采用双光纤Bragg光栅1，且每个光栅中心波长相同。该处设计对传感光栅进行温度补偿，提高传感器的温度稳定性。试验证明经过温度补偿使波长随温度漂移量由2.3nm/℃降至0.005nm/℃。

由于应用中要灌注胶体至毛细钢管3中以固定光纤Bragg光栅1，需要在加载位置与固定端之间开槽方便浇灌。为了使得开槽对传感器自身的影响降低到最小，还对其进行开槽优化设计。根据边界条件，建立毛细钢管有限元模型，经模型分析，得出毛细钢管3延长度方向刚度较大，固有振动频率较高，达到了1340.7Hz，远远大于激励频率范围。因此在对毛细钢管3进行开口设计时，采用MD Nastran的拓扑优化功能进行设计，在特定的设计空间、载荷以及边界条件的前提下，以毛细钢管3的最小柔度为目标函数，寻求材料的最优分布。优化后试件的开槽，槽口的形状表现为中间宽，沿管长度方向宽度逐渐减小的形式，长度为8-9mm，宽度为0.1-0.18mm。

Claims (5)

1.基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器，包括封装外壳（4），封装外壳（4）内设有惯性质量块（2）、光纤Bragg光栅（1）、毛细钢管（3），其特征在于，

毛细钢管（3）内嵌入两个光纤Bragg光栅（1），毛细钢管（3）固定于惯性质量块（2）的中部且与惯性质量块（2）紧密结合。

2.根据权利要求1所述基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器，其特征在于，所述两个光纤Bragg光栅（1），每个光纤Bragg光栅（1）的中心波长相同。

3.根据权利要求1或2所述基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器，其特征在于，所述两个光纤Bragg光栅（1）通过灌注胶体封装在毛细钢管（3）中。

4.根据权利要求1所述基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器，其特征在于，所述毛细钢管（3）开槽，其槽口的形状为中间宽，沿毛细钢管（3）长度方向宽度逐渐减小。

5.根据权利要求4所述基于双光纤Bragg光栅高频加速度传感器，其特征在于，所述槽口长度为8-9mm，宽度为0.1-0.18mm。