CN216746413U - 一种基于lpg和fbg的联级结构振动传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及传感器技术领域，提供一种基于LPG和FBG的联级结构振动传感器，包括振动台和测量悬臂，测量悬臂内设有感应芯体，感应芯体由长周期光纤光栅、单模光纤纤芯和光纤布拉格光栅依次连接而成，测量悬臂靠近长周期光纤光栅的一端固接于振动台上。与现有技术相比，本实用新型线性范围大、灵敏度较高、测量范围宽，该传感器制作简单、成本低廉，适用于大规模生产并投入实用化领域中。

Description

一种基于LPG和FBG的联级结构振动传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于LPG和FBG的联级结构振动传感器。

背景技术

光纤光栅已成为光纤传感最重要的无源器件器件之一，可以分为光纤布拉格光栅(FBG)和长周期光栅(LPG)。近年来，光纤光栅传感器因为具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、容易实现分布式传感以及耐高温、耐腐蚀等优势而发展迅速。由此，基于LPG、FBG及其组合的光栅传感器结构因其新颖的模态耦合特性而备受关注。其中，LPG的其中一个核心模式耦合到一个包层模式，其舒适场扩展到周围环境中，相对较长的光栅长度降低了其空间测量分辨率。此外，透射谱发生在一个相对较大的波长带宽，因此它们的多路复用能力相当有限。FBG具有体积小、反射式工作、反射率高、反射带宽窄，复用潜力大等优点。然而，对于普通FBG增敏时需要去除去纤芯外的包层，使纤芯与周围环境接触，是通过侧磨、侵蚀光纤包层来实现的，导致光纤强度和重复性以及大规模复用的可能性显著降低。

近年来该领域出现过一些设计方案，比如2011年南京航空航天大学、芦吉云、曾捷、梁大开等人提出申请号为200920235715.X的一种“基于级联长周期光纤光栅的Bragg光栅高速解调系统”，利用LPG的线性滤波特性，将FBG的波长变化转换成检测光强变化，进而测振动信号，然而这种传感器只在有FBG的振动特性，并未将LPG的振动特性充分利用到；2019年武汉理工大学魏莉、姜达洲、余玲玲等人提出申请号为201910158962.2的“一种基于长周期光纤光栅弯曲特性的二维加速度传感器及测量方法”，利用长周期光纤光栅的弯曲特性来获得测量信号，降低了水平振动对垂直加速度测量的干扰，但是仅仅利用到LPG的振动特性，未充分考虑到FBG的振动特性，灵敏度还有待提高；北京航空航天大学魏鹏、赵一鸣、刘清波提出了申请号为201811292764.7的“一种耐高温双轴光纤光栅振动传感器”，利用横向和轴向两个方向上设置两个粘贴传感光纤光栅的等强度悬臂梁实现双轴测量，从而测量振动信号，然而此法发只用到了FBG的振动传感特性，而且结构较大使用安装条件受限制，灵敏度和测量范围有待提高。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于LPG和FBG的联级结构振动传感器，线性范围大、灵敏度较高、测量范围宽，该传感器制作简单、成本低廉，适用于大规模生产并投入实用化领域中。

为解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

提供一种基于LPG和FBG的联级结构振动传感器，包括振动台和测量悬臂，所述测量悬臂内设有感应芯体，所述感应芯体由长周期光纤光栅、单模光纤纤芯和光纤布拉格光栅依次连接而成，所述测量悬臂靠近所述长周期光纤光栅的一端固接于所述振动台上。

相比现有技术，本基于LPG和FBG的联级结构振动传感器至少具有如下有益效果：本实用新型在振动频率增大或减小过程中，传感器的实时动态响应灵敏，不会出现迟滞，可以不受信号频率变化的影响，实现可逆的信号频率振动测量；并且，本基于LPG和FBG的联级结构振动传感器线性范围大、灵敏度较高、测量范围广，制作起来十分简单，成本低廉，能够大规模投入到实际生产中。

可选地，所述测量悬臂包括光纤包层以及涂覆于所述光纤包层外侧的光纤涂覆层，所述感应芯体包裹于所述光纤包层内。

可选地，所述长周期光纤光栅和所述光纤布拉格光纤分别熔接于所述单模光纤纤芯的两端。

可选地，所述测量悬臂靠近所述长周期光纤光栅的一端粘接于所述振动台上。

可选地，所述测量悬臂水平固接于所述振动台上。

可选地，所述长周期光纤光栅的周期为700um，投射光谱谐振波长1571.4nm，损害峰值≥20dB。

可选地，所述振动台为压电陶瓷堆栈振动台。

可选地，所述测量悬臂远离所述振动台的一端设有玻璃球且所述玻璃球与所述感应芯体的所述光纤布拉格光栅相连接。

可选地，所述玻璃球熔接于所述光纤布拉格光栅远离所述长周期光纤光栅的一端。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

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为本实用新型实施例提供的基于LPG和FBG的联级结构振动传感器的结构示意图；

图2为图1中提供的基于LPG和FBG的联级结构振动传感器的反射图谱；

图3为图2中提供的基于LPG和FBG的联级结构振动传感器的检测原理图。

附图标号说明：

振动台100、压电陶瓷110；

测量悬臂200、感应芯体210、长周期光纤光栅211、单模光纤芯体212、光纤布拉格光栅213、光纤包层220、光纤涂覆层230、玻璃球240。

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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

现结合附图对本实用新型实施例提供的基于LPG和FBG的联级结构振动传感器进行说明。

请参阅图1，一种基于LPG和FBG的联级结构振动传感器，包括振动台100和测量悬臂200，测量悬臂200内设有感应芯体210，感应芯体210由长周期光纤光栅211、单模光纤纤芯212和光纤布拉格光栅213依次连接而成，测量悬臂200靠近长周期光纤光栅211的一端固定连接在振动台100上，形成在振动台100上的悬臂梁结构。其中，振动台100用于接收振动，感应芯体210将振动台100上的振动信号转换为振动信号。为方便理解，以下将长周期光纤光栅211简称为LPG，光纤布拉格光栅213简称为FBG。

具体实施时，参阅图3，振动台100在测量体上发生振动，测量悬臂200受到垂直于振动台100水平面的周期力，随之发生弯曲并振动，而感应芯体210上的LPG和FBG对微弯角度很敏感，则对应的周期激励振动转为微弯的交替，测量悬臂200在垂直于振动台100的水平面上下运动时，跟着纵轴方向的周期性变大或变小，感应芯体210产生的轴向应变也跟着变大或者变小，从而引起LPG和FBG包层和纤芯的折射率以及LPG和FPG的光纤光栅周期发生变化，从而导致第一反射峰的损耗幅峰值发生变化，使得输出的光强随着基于LPG和FBG的联级结构振动传感器的振动呈线性变化，与此同时第一反射峰的损耗也会随着对应的中心波长的移动而变化，在一定范围内，可以近似地认为中心波长的增加或减少而引起光强做线性的增加或减少，此时第一反射峰所对应的峰值为两者光强的变化总和，随后通经过环行器反馈端，再经过光电探测器进行信号转化后穿入数字示波器，使得到的振动实时信号与标准振动传感器的实时信号同时呈现在示波器中，将数据导出并进行处理后即可得到本基于LPG和FBG的联级结构振动传感器的振动信号。

其中，感应纤体的感应原理如下：宽带光源输出光由单模光纤导入到感应芯体210中，光源从靠近LPG一端输入，当光沿着单模光纤纤芯212传播时，参阅图2，部分入射光直接经过LPG传播到FBG中并被FBG反射，所反射的光一部分耦合到单模光纤包层220中，形成包层模式发射光，另一部分继续通过单模光纤纤芯212反射传播，形成纤芯模式反射光，纤芯模式反射光在反射过程中又经过LPG，此时包层模式反射光在反射过程中被耦合到感应芯体210中，与纤芯模式反射光叠加共同构成经过带反射峰；光源从LPG一端输入的另一部分入射光被耦合到单模光纤的包层中向前传播，传播至FBG时所形成的包层模式光被FBG耦合到纤芯中，并被FBG反射，然后反向再次传播到LPG，最终形成窄带反射峰；其他入射光由于被吸收或散射而丢失，很少一部分光沿着FBG纤芯继续向前传播。

与现有技术相比，本实用新型在振动频率增大或减小过程中，传感器的实时动态响应灵敏，不会出现迟滞，可以不受信号频率变化的影响，实现可逆的信号频率振动测量；并且，本基于LPG和FBG的联级结构振动传感器线性范围大、灵敏度较高、测量范围广，制作起来十分简单，成本低廉，能够大规模投入到实际生产中。

进一步地，测量悬臂200包括光纤包层220以及光纤涂覆层230，光纤涂覆层230涂覆在光纤包层220的外侧，感应芯体210包裹在光纤包层220的内部，光纤涂覆层230、光纤包层220以及感应芯体210层层包裹，将感应芯体210保护在内侧，同时使感应芯体210传播的光源在光纤包层220中吸收、折射或反射，以达到测量的效果。

在本实用新型另一个实施例中，长周期光纤光栅211和光纤布拉格光栅213分别熔接在单模光纤纤芯212的两端，使得光源可以在感应芯体210上稳定传播，保证感应芯体210的测量灵敏性。此外，长周期光纤光栅211远离光纤布拉格光栅213的一端熔接有导入单模光纤，宽带光源从该导入单模光纤进入到感应芯体210中。

在本实用新型另一个实施例中，测量悬臂200靠近长周期光纤光栅211的一端粘接于振动台100上，形成在振动台100上的悬臂梁结构，悬臂梁能够将振动加强，使感应芯体210能够准确地得出振动信息。在振动台100振动过程中，本感应芯体210在靠近振动台100的一端形成微弯形变，采用长周期光纤光栅211对该部分进行测量，可准确得出测量信息，充分发挥长周期光纤光栅211优势，而感应在远离振动台100的一端在振动作用下会产生轴向力，感应芯体210的该部分在轴向力的作用下发生轴向形变，采用光纤布拉格光栅213对该部分进行测量，能够准确得到该部分的振动信息，最后结合长周期光纤光栅211所得到的信息，实现对振动信号的精准测量。

此外，测量悬臂200除了通过粘贴方式固定连接在振动台100上后，还可以通过螺钉连接等方式固定连接在振动台100上。

具体地，测量悬臂200水平固接在振动台100上，即测量悬臂200从固接端出发，整体水平放置，令振动台100所产生的振动信息能够很好地传递至测量悬臂200上。

优选地，长周期光纤光栅211的周期为700um，投射光谱谐振波长1571.4nm，损害峰值≥20dB。通过采用以上型号的长周期光纤光栅211，可以进一步提高振动的测量灵敏性和测量准确性。

在本实用新型另一个实施例中，振动台100为压电陶瓷堆栈振动台，振动台100上设有压电陶瓷110，压电陶瓷110能够将机械能和电能相互转换，在振动作用下，压电陶瓷110会引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，具有敏感的特性，测出振动信号，可以与感应芯体210所得到的测量结果进行对照。

在本实用新型另一个实施例中，测量悬臂200远离振动台100的一端设有玻璃球240，且玻璃球240与感应芯体210的光纤布拉格光栅213相连接，玻璃球240的大小结合测量悬臂200的长度，能够调节本基于LPG和FBG的联级结构振动传感器的灵敏度和测量范围。在振动过程中，玻璃球240增大了测量悬臂200端部的质量，加强了测量悬臂200端部的振动幅度，当玻璃球240的质量越大，振动幅度越大，测量灵敏度越低。

进一步地，玻璃球240熔接于光纤布拉格光栅213远离长周期光栅的一端，使得从光纤布拉格光栅213传出的光被发射回光纤布拉格光栅213或折射吸收在外部环境中。

上述实施方式仅为本实用新型的优选实施方式，不能以此来限定本实用新型保护的范围，本领域的技术人员在本实用新型的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本实用新型所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于LPG和FBG的联级结构振动传感器，其特征在于，包括振动台和测量悬臂，所述测量悬臂内设有感应芯体，所述感应芯体由长周期光纤光栅、单模光纤纤芯和光纤布拉格光栅依次连接而成，所述测量悬臂靠近所述长周期光纤光栅的一端固接于所述振动台上。

2.根据权利要求1所述的基于LPG和FBG的联级结构振动传感器，其特征在于，所述测量悬臂包括光纤包层以及涂覆于所述光纤包层外侧的光纤涂覆层，所述感应芯体包裹于所述光纤包层内。

3.根据权利要求1所述的基于LPG和FBG的联级结构振动传感器，其特征在于，所述长周期光纤光栅和所述光纤布拉格光纤分别熔接于所述单模光纤纤芯的两端。

4.根据权利要求1所述的基于LPG和FBG的联级结构振动传感器，其特征在于，所述测量悬臂靠近所述长周期光纤光栅的一端粘接于所述振动台上。

5.根据权利要求1所述的基于LPG和FBG的联级结构振动传感器，其特征在于，所述测量悬臂水平固接于所述振动台上。

6.根据权利要求1所述的基于LPG和FBG的联级结构振动传感器，其特征在于，所述长周期光纤光栅的周期为700um，投射光谱谐振波长1571.4nm，损害峰值≥20dB。

7.根据权利要求1所述的基于LPG和FBG的联级结构振动传感器，其特征在于，所述振动台为压电陶瓷堆栈振动台。

8.根据权利要求1所述的基于LPG和FBG的联级结构振动传感器，其特征在于，所述测量悬臂远离所述振动台的一端设有玻璃球且所述玻璃球与所述感应芯体的所述光纤布拉格光栅相连接。

9.根据权利要求8所述的基于LPG和FBG的联级结构振动传感器，其特征在于，所述玻璃球熔接于所述光纤布拉格光栅远离所述长周期光纤光栅的一端。

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