CN211577193U - 一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器，其结构主要由固定部分、敏感部分以及密封部分组成，光纤粘贴于两侧的凸台之间，当船体受加速度作用时，圆形铰链将带动包括粘贴凸台在内的质量块运动，光纤相应的被拉伸或压缩，最终通过光纤中心波长的形式显示在解调仪上。该传感器针对海洋恶劣的自然环境设计，结构小巧、易于安装，在仿真实验中展示出良好的实验结果。该传感器谐振频率达到3050Hz左右，灵敏度为2.50pm/g左右，完全符合高频加速度传感器的性能要求，同时传感器线性度高，测量过程数据偏移小，具备很强的可靠性与稳定性。

Description

一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器

技术领域

本实用新型是一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器，属于光纤光栅传感领域，针对船舶加速度实时自动化监测所设计，预防海洋灾害。

背景技术

海洋环境瞬息万变，船舶作为一种大型的运输交通工具，长期行驶于恶劣的海洋环境中，强风巨浪、海底暗礁以及船体碰撞等都会对船舶造成不可预估的风险与损失。同时船体所面临的威胁不仅存在于外部环境，也可能存在于船舶内部，晃荡一般发生在船体在波浪中的运动频率与液舱内液体固有振动频率相近的时候，当晃荡发生时，液体将对船体液舱结构产生强烈的冲击，甚至损坏船体结构。在这样的条件下，单单依靠个人主观对船体结构所遭受的损伤进行判断是非常困难且不可靠的，因此，对于船舶晃荡响应的监测是一项非常重要且迫在眉睫的课题。

作为传感单元，光纤光栅具有尺寸小、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、可靠性好、易于组建准分布式传感测量网络等优点，适宜应用于海洋恶劣的自然条件下。利用光纤光栅的温度和应变灵敏特性，目前已广泛用于各种物理量的测量，如：应力、应变、压力、位移、加速度、温度等；在加速度测量领域，适宜各种频段的传感器均有涉及，目前监测运动和波浪载荷的传感器已经相对成熟，测量砰击响应和晃荡响应的传感器仍需进一步的研究。

光纤光栅高频加速度传感器系统是通过在船体上安装加速度传感器，用以实现对于船舶晃荡响应的实时自动化监测，为船舶驾驶人员提供实时有效的反馈，针对突发情况能够做出及时的应对措施，保障生命和财产安全。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器，实现对于船体结构晃荡响应的实时自动化测量。

本实用新型为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器，其特征在于所述的传感器系统包括：固定部分、敏感部分以及密封部分。其中固定部分包括光纤粘贴凸台1、传感器底座3以及横向固定孔8。两个光纤粘贴凸台1分别粘贴光栅两侧；传感器底座3通过四个螺丝孔与水密盒子所固定；横向固定孔8位于水密盒子的两侧，封装完成后通过该固定孔插入顶针，保证传感器在运动过程中不会有过大的横向位移。

敏感部分由圆形铰链2、光纤光栅4以及温度补偿光栅7组成。其中圆形铰链2共有四个，通过铰链将上半部分包括光纤粘贴凸台1的质量块与传感器底座3相连，当传感器受到上下方向的加速度时，两侧质量块将左右不同向位移，从而使得粘贴在其上的光纤光栅4相应的拉长或压缩，最终船体加速度的变化将通过光纤光栅的波长变化在解调仪上显示出来；温度补偿光栅7粘贴于水密盒子的内侧，仅受温度变化的影响而不受加速度影响，通过补偿算法即可实现温度补偿，消除温度对传感器测量加速度的负面影响。

其中所述的密封部分由水密盒盖5、水密盒体6、光纤防水航插口9以及光纤防水航插固定孔10组成。水密盒盖5和水密盒体6组成水密盒子，通过螺丝孔将传感器固定在里面，盒盖与盒体的连接密封处，在密封槽内垫有橡胶材质的密封圈，保证整个水密盒子的完全密闭；光纤防水航插口9与光纤防水航插固定孔10位于水密盒子的侧面，是为了接入光纤防水航插所设计，光纤通过防水航插接出连入解调仪，确保了光纤在水密的状况下使用。

本实用新型所述的一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器，其特征在于：该传感器采用圆形铰链的结构，不仅具有高灵敏度且结构小巧的优势，同时在加速度作用下无机械摩擦，仅通过弯曲铰链的变形移动，就可以带动质量块进行平滑的无磨损运动。

本实用新型所述的一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器，其特征在于：该传感器结构小巧，能够安装于船舶上狭小的空间内且不占用船上的工作空间。

本实用新型所述的一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器，其特征在于：该传感器设置有完全密闭的水密盒子，同时光纤的引出也受水密航插的保护，保证了传感器的实用性、稳定性与可靠性。

本实用新型所述的一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器，其特征在于：该传感器量程范围广，不仅可以用于船舶晃荡响应的监测，同时可以用于其它需要加速度测量的结构或建筑。

本实用新型进一步公开了一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器的使用方法，其特征在于：

（1）传感器密封于水密盒子中，再通过水密盒子两侧延伸出来底板上的螺丝孔固定于船舶上，安装过程简单易操作。

（2）当传感器安装完成，并将光纤通过防水航插连接至解调仪后，如果传感器受到上下方向的加速度，那么圆形铰链将分别带动两侧的质量块不同向运动，粘贴在凸台之间的光纤将被相应的拉伸或压缩，从而导致光纤光栅的中心波长发生变化。

（3）由于船舶的晃荡响应将通过光纤光栅的波长反映在解调仪上，且光纤光栅的波长变化与光纤光栅的形变基本成线性关系，所以通过解调仪的补偿算法，船舶的晃荡响应与光纤光栅的波长变化也基本呈比例变化。

本实用新型更进一步公开了用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器在用于检测船体加速度方面的应用效果。仿真实验结果显示该传感器谐振频率达到3050赫兹左右，完全符合对于高频加速度传感器的性能要求。

本实用新型更详细的描述如下：

一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器由固定部分、敏感部分以及密封部分构成。

固定部分包括光纤粘贴凸台、传感器底座以及横向固定孔。光纤两端分别粘贴于两侧的凸台上，当传感器受到外部上下方向的加速度时，圆形铰链带动包括粘贴凸台之内的质量块运动，光纤发生相应的形变；传感器底座通过四个螺丝孔与水密盒子所固定，确保传感器与水密盒子相对静止；横向固定孔位于水密盒子的两侧，封装完成后通过该固定孔插入顶针，保证传感器在运动过程中不会有过大的横向位移，减小横向干扰。

敏感部分由圆形铰链、光纤光栅以及温度补偿光栅组成。其中圆形铰链共有四个，通过铰链将包含光纤粘贴凸台的质量块与传感器底座相连，当传感器受到上下方向的加速度时，两侧质量块将左右不同向位移，从而使得粘贴在其上的光纤光栅相应的拉长或压缩；光纤光栅的形变与光纤光栅的波长变化基本是线性关系的，通过解调仪端的补偿算法,可得光纤光栅的波长与船舶结构所受晃荡响应之间是呈比例变化的，所以船体结构的所受外部加速度将以光纤光栅的波长变化的形式在解调仪端显示。温度补偿光栅粘贴于水密盒子的内侧，仅受温度变化的影响而不受加速度影响，通过补偿算法即可实现温度补偿，消除温度对传感器测量加速度的负面影响。

密封部分包括水密盒盖、水密盒体、光纤防水航插口以及光纤防水航插固定孔。水密盒盖和水密盒体组成水密盒子，通过螺丝孔将传感器固定在里面，盒盖与盒体的连接密封处，在密封槽内垫有橡胶材质的密封圈，保证整个水密盒子的完全密闭，不受海水侵蚀以及其它外部条件的影响；光纤防水航插口与光纤防水航插固定孔位于水密盒子的侧面，是为了接入光纤防水航插所设计，光纤通过防水航插接出连入解调仪，确保了光纤的引出也受水密保护。

本实用新型公开的一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器及其使用方法，与现有技术及同类传感器相比，所具备的积极意义在于：

（1）该传感器结构尺寸小巧、易于安装，可以方便的安装于船舶各个位置，且不影响船舶日常工作。

（2）该传感器采用圆形铰链的结构，不仅具有高灵敏度且结构小巧的优势，同时在加速度作用下无机械摩擦，仅通过弯曲铰链的变形移动，就可以带动质量块进行平滑的无磨损运动。

（3）该传感器整体放置于完全密闭的水密盒子内，除了可以有效的防止海水侵蚀外，不锈钢材质的水密盒子还可以保护传感器不因外力损坏；光纤的引出也受防水航插的保护，确保了传感器整体的水密性、稳定性以及可靠性。

（4）该传感器量程范围广，规格良好，不仅可以用于船舶的晃荡响应监测，同时也可以用于其它需要对加速度进行测量的结构及建筑。

（5）该传感器水密盒子两侧设置有横向固定孔，由该固定孔插入顶针，确保传感器在运动过程中没有过大的横向位移，减小横向干扰的影响。

附图说明

图1为本实用新型的用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器的剖面图；

图2为本实用新型的用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器的前视图；

图3为本实用新型的用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器的侧视图；

图中各标号：

光纤粘贴凸台1， 圆形铰链2， 传感器底座3，

光纤光栅4， 水密盒盖5， 水密盒体6，

温度补偿光栅7， 横向固定孔8， 光纤防水航插口9，

光纤防水航插固定孔10。

具体实施方式

下面通过具体的实施方案叙述本实用新型。除非特别说明，本实用新型中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本实用新型的范围，本实用新型的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本实用新型实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本实用新型的保护范围。下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

实施例1

一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器，包括：传感器包括固定部分、敏感部分以及密封部分。

固定部分包括光纤粘贴凸台1、传感器底座3以及横向固定孔8。光纤两端分别粘贴于两侧的凸台上，当传感器受到外部上下方向的加速度时，圆形铰链2带动包括粘贴凸台之内的质量块运动，光纤发生相应的形变；传感器底座3通过四个螺丝孔与水密盒子所固定，确保传感器与水密盒子相对静止；横向固定孔8位于水密盒子的两侧，封装完成后通过该固定孔插入顶针，保证传感器在运动过程中不会有过大的横向位移。

敏感部分由圆形铰链2、光纤光栅4以及温度补偿光栅7组成。其中圆形铰链2共有四个，将包含光纤粘贴凸台1的质量块与传感器底座3相连，当传感器受到上下方向的加速度时，圆形铰链2带动两侧质量块将左右不同向位移，从而使得粘贴在其上的光纤光栅4相应的拉长或压缩；光纤光栅的形变与光纤光栅的波长变化基本是线性关系的，通过解调仪端的补偿算法,可得光纤光栅的波长与船舶结构所受晃荡响应之间是呈比例变化的，所以船体结构的所受外部加速度将以光纤光栅4的波长变化的形式在解调仪端显示。温度补偿光栅7粘贴于水密盒体6的内侧，仅受温度变化的影响而不受加速度影响，通过补偿算法即可实现温度补偿，消除温度对传感器测量加速度的负面影响。

密封部分包括水密盒盖5、水密盒体6、光纤防水航插口9以及光纤防水航插固定孔10。水密盒盖5和水密盒体6组成水密盒子，通过螺丝孔将传感器固定在里面，盒盖与盒体的连接密封处，在密封槽内垫有橡胶材质的密封圈，保证整个水密盒子的完全密闭，不受海水侵蚀以及其它外部条件的影响；光纤防水航插口9与光纤防水航插固定孔10位于水密盒子的侧面，可以外接光纤防水航插，光纤通过防水航插接出连入解调仪，确保了光纤的引出也受水密保护。

实施例2

一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器，其中所述传感器由固定部分、敏感部分以及密封部分组成。固定部分包括光纤粘贴凸台1、传感器底座3以及横向固定孔8；敏感部分由圆形铰链2、光纤光栅4以及温度补偿光栅7组成；密封部分包括水密盒盖5、水密盒体6、光纤防水航插口9以及光纤防水航插固定孔10，传感器整体不受外部海水及其它负面因素的影响。

光纤光栅的形变与光纤光栅的中心波长基本成线性关系，并且船舶所受晃荡响应的加速度将通过光纤光栅波长的形式反映在解调上，经过解调仪的补偿算法，基本也可以认定船舶所受晃荡响应的加速度也与光纤光栅的波长呈比例变化。

实施例3

一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器的使用方法包括：

（1）传感器通过底座的螺丝孔固定密封于水密盒子中，再通过水密盒子两侧延伸出来底板上的螺丝孔固定于船舶上，安装方式简单易操作。

（2）当传感器安装完成，并将光纤通过防水航插连接至解调仪后，如果传感器受到上下方向的加速度，那么圆形铰链将分别带动两侧的质量块不同向运动，粘贴在凸台之间的光纤将被相应的拉伸或压缩，从而导致光纤光栅的中心波长发生变化。

（3）由于船舶的晃荡响应将通过光纤光栅的波长反映在解调仪上，且光纤光栅的波长变化与光纤光栅的形变基本成线性关系，所以通过解调仪的补偿算法，船舶的晃荡响应与光纤光栅的波长变化也基本呈比例变化。

实施例4

本实用新型所公开的一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器，尺寸小巧、易于安装，可以方便的安装于船舶上的各处位置，用于对船舶外部所受加速度的自动化监测；该传感器量程范围广，规格良好，除了可用于船舶的晃荡响应监测外，也适用于其它需要对加速度进行测量的结构和建筑。

该传感器设计有水密外壳，水密盒盖与盒体的连接部位通过在密封槽内放置橡胶材质的密封圈，保证了整体的水密性，同时光纤的引出也受光纤防水航插的保护，确保传感器拥有优良的可靠性与稳定性。

实施例5

本实用新型所公开的一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器，采用参考光栅法进行温度补偿，消除温度对传感器测量示数的负面影响。温补光栅粘贴于水密盒体的内部一侧，因为与盒体保持相对静止，所以仅受温度变化影响而不受外部加速度变化的影响；与此相比，用于测量加速度变化的光纤光栅粘贴于两侧的凸台之间，当传感器外部施加上下方向的加速度时，圆形铰链将带动包括粘贴凸台在内的质量块发生不同向运动，导致光纤相应的被拉长或压缩，同时该光纤的测量示数也受外部温度变化的影响。

利用参考光栅法，可以将温度对测量数值的负面影响分离开来，这种温度补偿的方法不仅实现简单易操作，同时成本较低，适宜在海洋船舶这样复杂恶劣的环境中使用。

实施例6

本实用新型公开的一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器，在仿真实验中展示出良好的实验结果。该传感器谐振频率达到3050Hz左右，灵敏度为2.50pm/g左右，完全符合高频加速度传感器的性能要求，同时传感器线性度高，测量过程数据偏移小，具备很强的可靠性与稳定性。

Claims (2)

1.一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器，其特征在于该传感器结构包括：固定部分、敏感部分以及密封部分；

其中所述的固定部分包括光纤粘贴凸台（1）、传感器底座（3）以及横向固定孔（8）；两个光纤粘贴凸台（1）分别粘贴光纤光栅（4）两侧；传感器底座（3）通过四个螺丝孔与水密盒体（6）内部固定；横向固定孔（8）位于水密盒子的两侧；

所述的敏感部分包括：圆形铰链（2）、光纤光栅（4）以及温度补偿光栅（7）；其中圆形铰链（2）共有四个，铰链将上半部分光纤粘贴凸台（1）质量块与传感器底座（3）相连，温度补偿光栅（7）粘贴于水密盒体（6）的内侧；

所述的密封部分包括：水密盒盖（5）、水密盒体（6）、光纤防水航插口（9）以及光纤防水航插固定孔（10）；水密盒盖（5）和水密盒体（6）组成水密盒子，通过螺丝孔将传感器固定在里面，盒盖与盒体的连接密封处，在密封槽内垫有橡胶材质的密封圈；光纤防水航插口（9）与光纤防水航插固定孔（10）位于水密盒子的侧面。

2.根据权利要求1所述一种用于船舶晃荡响应监测的高频加速度传感器，其特征在于传感器整体零件均由不锈钢材质制成。

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