CN210037866U - 光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置，涉及横向振动监测技术领域。该装置包括一个外框，外框内设有能随被测对象水平振动而相对于铅垂面左右往复摆动的自重式摆锤，在自重式摆锤摆动的两个侧边各固定有一根与外框固定的光纤光栅，两根光纤光栅均通过光纤与光纤光栅测试仪连接；当被测对象水平振动时，利用两根光纤光栅的应变增加量和应变减小量与加速度之间的函数关系与计算方法，实现被测对象横向加速度的测试。该装置结构简单、易于制作、灵敏度高，纵向抑制比高，仅对横向加速度敏感，可以方便地实现被测对象横向加速度的高精度测试。

Description

光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置

技术领域

本实用新型涉及横向振动监测技术领域，更具体地说是一种光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置。

背景技术

在土木工程结构安全监测等领域，振动监测十分普遍且尤为重要，而振动监测需要依靠加速度传感器。

虽然传统的电学加速度传感器(一般包括压阻式加速度传感器，压电式加速度传感器，电容式加速度传感器等)发展了很长时间，技术也比较成熟，但却有很多的局限性，比如容易受到电磁干扰，不能长距离传输，大面积复用成本较高，容易受水汽侵蚀而腐蚀等。光纤传感技术的出现为解决这些难题提供了可能性。

目前，基于波长调制型光纤振动传感器以布喇格光纤光栅加速度传感器最为常见，它具有抗电磁干扰，可远距离传输，易于组网等显著特点。布喇格光纤光栅加速度传感器结构大多采用梁式(简支梁、悬臂梁、异型梁等)结构。由于其结构本身的特点，大多数布喇格光纤光栅加速度传感器用于垂向加速度测试，研究多侧重于纵向曾敏，同时抑制其横向加速度灵敏度(如专利 CN205246695U，仅对纵向振动有响应，横向抑制比高)，鲜有涉及横向加速度曾敏研究。虽然部分光纤光栅加速度传感器可以通过转置安装的方式进行测试，但是转置使用会出现零点漂移，稳定性变差，致使监测精度差，不能满足使用要求。

在边坡危岩落石定位、地震监测等领域，横向震动监测分析及其对精度的要求尤为重要和严格，目前尚无高精度的方法和装置，这成为制约横向震动高精度高灵敏度工程结构安全监测的一个瓶颈。因此，研制一种横向高灵敏度加速度测试方法及其装置非常需要和急需。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置，解决了现有光纤光栅传感器无法精确测试横向加速的问题。其测试装置结构简单、易于制作、灵敏度高，纵向抑制比高，仅对横向加速度敏感，可以方便地实现被测对象横向加速度的高精度测试。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置，其特征在于，该装置包括一个外框，外框内设有能随被测对象水平振动而相对于铅垂面左右往复摆动的自重式摆锤，在自重式摆锤摆动的两个侧边各固定有一根与外框固定的光纤光栅，两根光纤光栅均通过光纤与光纤光栅测试仪连接；当被测对象水平振动时，利用两根光纤光栅的应变增加量和应变减小量与加速度之间的函数关系与计算方法，实现被测对象横向加速度的测试。

优选的，外框设有一个能固定在被测水平振动对象上的水平底下框和上框，还包括2个竖框，2个竖框上同一水平摆动中轴线位置相对设有两个顶尖，两个顶尖分别与摆锤两侧的两个锥形盲孔自由转动配合，与自重式摆锤摆动的两个侧边固定的两根光纤光栅的另一端与上框固定并通过孔穿过上框；当自重式摆锤向下呈垂直静止状态时，两根光纤光栅呈竖直平行式；光纤光栅测试仪1 与该两根光纤光栅通过光纤连接。

进一步的，所述的光纤光栅与摆锤侧边固定的一端可以延长并通过孔穿出外框。

优选的，所述的顶尖设有水平方向可调式结构。

优选的，所述的可调式结构为：顶尖后部设有与两个竖框上的螺纹孔相配合的外螺纹。

优选的，所述的自重式摆锤的顶部为半圆柱形顶部。

进一步的，所述的自重式摆锤的重心低于摆动中轴线；所述的外框还包括六个面，使外框成为一个封闭的盒子；一个呈长方体的封闭的盒子；所述的光纤光栅采用粘结或焊接方式进行两端固定。

优选的，所述的顶尖和摆锤均为金属材质。

优选的，所述的光纤光栅为普通布拉格光纤光栅。

优选的，所述的普通布拉格光纤光栅为普通二氧化硅布拉格光纤光栅，其弹光系数为0.78。

本实用新型的积极效果是：本实用新型所要解决的技术问题是提供一种光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置，解决了现有传感器无法测试横向加速的问题。其测试方法及其装置的结构简单、易于制作、灵敏度高，纵向抑制比高，仅对横向加速度敏感，可以方便地实现吧被测件横向加速度的高精度测试。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置的立体结构示意图。

图2为图1的正视图。

图3为图1的侧面剖视图。

图中各标号含义为：1、光纤光栅测试仪，2、(光纤光栅高灵敏度横向加速度)测试装置，3、光纤，4、外框，4-1、上框，4-2、水平底下框，4-3、4-4、竖框,5、(自重式)摆锤，5-1、半圆柱型顶部，5-2、5-3、锥形盲孔,6、顶尖， 7、光纤光栅，7-1、左光纤光栅，7-2、右光纤光栅。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

作为本实用新型一种具体实施方式。本实用新型采用的技术方案是：一种光纤光栅高灵敏度横向加速度测试方法所用的测试装置2，其特征在于，该装置2包括一个外框4，外框4内设有能随被测对象水平振动而相对于铅垂面左右往复摆动的自重式摆锤5，在自重式摆锤5摆动的两个侧边各固定有一根与外框4固定的光纤光栅7，两根光纤光栅7均通过光纤2与光纤光栅测试仪1连接；当被测对象水平振动时，利用两根光纤光栅7的应变增加量和应变减小量与加速度之间的函数关系与计算方法，实现被测对象横向加速度的测试。

本装置解决了现有光纤光栅传感器无法精确测试横向加速的问题。其测试装置结构简单、易于制作、灵敏度高，纵向抑制比高，仅对横向加速度敏感，可以方便地实现被测对象横向加速度的高精度测试。

作为本实用新型装置的的一种具体实施方式。见图1-3。优选的，外框4 设有一个能固定在被测水平振动件上的水平底下框4-1或上框4-2，还包括两个竖框4-3、4-4，两个竖框4-3、4-4上同一水平摆动中轴线位置相对设有两个顶尖6，两个顶尖6分别与摆锤5两侧的两个锥形盲孔自由转动配合，与自重式摆锤5摆动的两个侧边固定的两根光纤光栅7的另一端与上框4-1固定并通过孔穿过上框4-1；当自重式摆锤5向下呈垂直静止状态时，两根光纤光栅7 呈竖直平行式；光纤光栅测试仪1与该两根光纤光栅7通过光纤3连接。

可以更方便更好地地实现被测对象横向加速度的高精度测试。

作为本实用新型装置的的一种具体实施方式。见图1-3。进一步的，所述的光纤光栅7与摆锤5侧边固定的一端可以延长并通过孔穿出外框4。方便使用。

作为本实用新型装置的的一种具体实施方式。见图1-3。优选的，所述的顶尖6设有水平方向可调式结构。方便使用。

作为本实用新型装置的的一种具体实施方式。见图1-3。优选的，所述的可调式结构为：顶尖6后部设有与两个竖框4-3、4-4上的螺纹孔相配合的外螺纹。方便使用。

作为本实用新型装置的的一种具体实施方式。见图1-3。优选的，所述的自重式摆锤5的顶部为半圆柱形顶部5-1。方便使用。

当有平行于摆锤5摆动方向的振动发生时，摆锤5会摆动，固定在摆锤5 与外框4之间光纤光栅7用于直接感知摆锤的摆动情况，从而实现振动信息感知。

自重式摆锤的重心距离转轴或摆动中轴线(两个锥形盲孔的中轴线)的距离L大于自重式摆锤转轴位置的旋转半径r。

作为本实用新型装置的的一种具体实施方式。优选的，所述的顶尖6和摆锤5均为金属材质。

作为本实用新型装置的的一种具体实施方式。优选的，所述的光纤光栅7 为普通布拉格光纤光栅。

作为本实用新型装置的的一种具体实施方式。优选的，所述的普通布拉格光纤光栅为普通二氧化硅布拉格光纤光栅，其弹光系数为0.78。

本装置的测试方法及原理是：使用本装置的光纤光栅高灵敏度横向加速度测试方法在于，包括一个测试装置2，该测试装置2包括一个外框4，外框4 内设有能随被测对象水平振动而相对于铅垂面左右往复摆动的自重式摆锤5，在自重式摆锤5摆动的两个侧边各固定有一根与外框4固定的光纤光栅7，两根光纤光栅7均通过光纤2与光纤光栅测试仪1连接；当被测对象水平振动时，利用两根光纤光栅7的应变增加量和应变减小量与加速度之间的函数关系与计算方法，实现被测对象横向加速度的测试。

作为本实用新型方法的一种具体实施方式。进一步的，所述的计算方法包括公式Δl＝rθ，式中，△l为光纤的长度变化量；θ为摆锤5的偏转角；r为摆锤 5的有效旋转半径。

摆锤5的偏转角与加速度存在如下关系：

式中，a为加速度，g为重力加速度。

当θ较小时的时候：

固定在外框4的上框4-1与摆锤5之间的光纤光栅7的应变为：

式中，ε为光纤光栅的应变；l为固定在外框4的上框4-1与摆锤5之间的光纤光栅7的长度。

光纤光栅7的中心波长与应变的关系为：

式中，Δλ为光纤光栅7中心波长的变化量；λ光纤光栅7的中心波长；Pe为光纤材料的弹光系数。

由式②～式⑤得出该光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置的灵敏度为：

作为本实用新型的一种具体实施方式。优选的，采用二氧化硅材质的普通布拉格光纤光栅，其弹光系数为0.78。

例:当摆锤5的有效旋转半径为5mm，固定在外框4的上框4-1与摆锤5之间的光纤光栅7的长度20mm时，由式(6)可得该传感器的灵敏度约为8.53× 10⁴pm/g.

以上未述及部分本领域的技术人员均能实施。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置，其特征在于，该装置包括一个外框(4)，外框(4)设有上框(4-1)和一个能固定在被测水平振动对象上的水平底下框(4-2)，外框内设有能随被测对象水平振动而相对于铅垂面左右往复摆动的自重式摆锤(5)，在自重式摆锤(5)摆动的两个侧边各固定有一根光纤光栅(7)；与自重式摆锤(5)摆动的两个侧边固定的两根光纤光栅(7)的另一端分别与上框(4-1)固定并分别与光纤光栅测试仪(1)连接；当被测对象水平振动时，利用两根光纤光栅(7)的应变增加量和应变减小量与加速度之间的函数关系与计算方法，实现被测对象横向加速度的测试。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置，其特征在于，还包括两个竖框，两个竖框(4-3、4-4)上同一水平摆动中轴线位置相对设有两个顶尖(6)，两个顶尖(6)分别与摆锤两侧的两个锥形盲孔(5-2、5-3)自由转动配合；与自重式摆锤(5)摆动的两个侧边固定的两根光纤光栅(7)的另一端通过孔穿出上框(4-1)；当自重式摆锤(5)向下呈垂直静止状态时，两根光纤光栅(7)呈竖直平行式。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置，其特征在于，所述的光纤光栅(7)可与摆锤(5)侧边固定的一端延长并通过孔穿出水平底下框(4-2)。

4.根据权利要求2所述的光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置，其特征在于，所述的顶尖(6)设有水平方向可调式结构。

5.根据权利要求4所述的光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置，其特征在于，所述的可调式结构为：顶尖(6)后部设有与2个竖框(4-3、4-4)上的螺纹孔相配合的外螺纹。

6.根据权利要求2所述的光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置，其特征在于，所述的自重式摆锤(5)的顶部为半圆柱形顶部(5-1)。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置，其特征在于，所述的自重式摆锤(5)的重心低于摆动中轴线；所述的外框(4)还包括六个面，使外框成为一个封闭的盒子；一个呈长方体的封闭的盒子；所述的光纤光栅(7)采用粘结或焊接方式进行两端固定。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置，其特征在于，所述的光纤光栅(7)为普通布拉格光纤光栅。

9.根据权利要求8所述的光纤光栅高灵敏度横向加速度测试装置，其特征在于，所述的普通布拉格光纤光栅为普通二氧化硅布拉格光纤光栅，其弹光系数为0.78。

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