CN216816726U - 一种基于轴承的l形刚性梁fbg加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，包括：壳体、轴承座、L形刚性梁、轴承、限幅结构、质量块、调平螺母和弹性件；所述壳体至少包括竖直板件、水平板件和水平承载台，水平承载台位于水平板件之上，轴承座固定在水平承载台上，轴承设置在轴承座内；L形刚性梁包括相互垂直的第一板件和第二板件，所述轴承穿过第一板件和第二板件的连接部，第二板件远离第一板件的一端与质量块固定连接，质量块的底部通过弹性件与调平螺母连接，调平螺母设置在水平板件上；限幅结构与水平板件固定连接，且第二板件穿过限幅结构的通孔，竖直板件、第一板件和限幅结构开有同轴的用于光纤穿过的槽孔；实现了低频振动的准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及FBG加速度传感器技术领域，特别涉及一种基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感技术的振动传感器具有灵敏度高、传输损耗低、抗电磁干扰能力强等优点。在同一光纤中复用加速度、温度、位移、压力、pH、湿度和磁场等FGB传感器，能够克服传统电学传感器中使用多种类传感器和重型电缆的需求以及抗干扰能力弱的缺点。在地震监测、结构健康监测、国土安全、航天以及资源勘探等领域的振动测量占据着重要的地位。
近年来，国内外研究人员对FBG加速度传感器开展了广泛而深入的研究，主要集中在加速度传感器结构设计和弹性元件选择方面，目前FBG加速度传感器的弹性元件选择主要有悬臂梁、膜片、铰链和弹簧四种。Casas-Ramos等提出一种新型悬臂式FBG振动传感器，固有频率227.3Hz，工作带宽为10-210Hz，传感器分辨率为0.006g，线性度和相对灵敏度误差分别为1.9％和±4.4％。Tianliang Li等提出了一种基于膜片结构FBG传感的加速度传感器，实现温度和加速度的实时解耦和测量。在30-90℃范围内，温度灵敏度为8.66pm/℃，加速度灵敏度为20.19pm/g，工作带宽为10-200Hz。Bing Yan等[11]提出基于并联双柔性铰链的新型光纤光栅加速度计，由两个平行连接的直圆柔性铰链组成。测量范围达30-200Hz，灵敏度为54pm/g。Linessio等提出了一种基于全向柔性铰链的二维FBG加速度计，该传感器具有温度补偿功能，用于二维加速度的测量。
发明人发现，上述传感器存在固有频率过高、灵敏度低等问题，难以在工程实际中实现低频振动的准确测量。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，实现了低频振动的准确测量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，包括：壳体、轴承座、L形刚性梁、轴承、限幅结构、质量块、调平螺母和弹性件；
所述壳体至少包括竖直板件、水平板件和水平承载台，水平承载台位于水平板件之上，轴承座固定在水平承载台上，轴承设置在轴承座内；
L形刚性梁包括相互垂直的第一板件和第二板件，所述轴承穿过第一板件和第二板件的连接部，第二板件远离第一板件的一端与质量块固定连接，质量块的底部通过弹性件与调平螺母连接，调平螺母设置在水平板件上；
限幅结构与水平板件固定连接，且第二板件穿过限幅结构的通孔，竖直板件、第一板件和限幅结构开有同轴的用于光纤穿过的槽孔。
可选的进一步限定，水平承载台固定在水平板件的上表面。
可选的进一步限定，水平承载台固定在竖直板件上，且位于水平板件的上侧。
可选的进一步限定，第一板件和第二板件的端面均为矩形，且矩形端面的宽度大于厚度。
可选的进一步限定，所述的槽孔开设在竖直板件、第一板件和限幅结构的上表面。
可选的进一步限定，限幅结构的正方体或者长方体结构，限幅结构的底面与水平板件的上表面固定连接。
可选的进一步限定，所述弹性件为弹簧。
可选的进一步限定，轴承座的两侧固定有用于覆盖轴承端部的轴承盖。
可选的进一步限定，所述质量块为长方体结构或者正方体结构。
可选的进一步限定，第二板件远离第一板件的一端与质量块一体成型。
可选的进一步限定，水平承载台为长方体结构或者正方体结构，且水平承载台的底部开有门字形凹槽。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明所述的基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，竖直板件、第一板件和限幅结构开有同轴的用于光纤穿过的槽孔，光纤穿过槽孔，施加预应力后固定，可避免栅区粘贴带来的光纤光栅啁啾现象。
2、本发明所述的基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，L形梁端面设计成矩形，宽度远大于厚度，并通过两端轴承固定，可以通过提高抗弯刚度减少横向串扰的影响。
3、本发明所述的基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，限幅结构能够限制质量块的振动幅值，有效保护光纤光栅不会被拉断。
4、本发明所述的基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，采用转动轴能使传感器结构更加稳定，消除了几何非线性的影响。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例提供的基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的结构振动模型示意图。
其中，1-壳体；2-轴承座；3-L形刚性梁；4-质量块；5-弹簧；6-调平螺母；7-限幅结构；8-轴承盖；9-FBG。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
如图1所示，本发明实施例1提供了一种基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，包括：壳体1、轴承座2、L形刚性梁3、轴承、限幅结构7、质量块4、调平螺母6和弹性件；
所述壳体1至少包括竖直板件、水平板件和水平承载台，水平承载台位于水平板件之上，轴承座固定在水平承载台上，轴承设置在轴承座2内；
L形刚性梁3包括相互垂直的第一板件和第二板件，所述轴承穿过第一板件和第二板件的连接部，第二板件远离第一板件的一端与质量块4固定连接，质量块4的底部通过弹性件5与调平螺母6连接，调平螺母6设置在水平板件上，通过调平螺母使质量块和L形刚性梁保持水平；
限幅结构7与水平板件固定连接，且第二板件穿过限幅结构7的通孔，竖直板件、第一板件和限幅结构7开有同轴的用于FBG9穿过的槽孔。
可选的，水平承载台固定在水平板件的上表面，水平承载台固定在竖直板件上，且位于水平板件的上侧，第一板件和第二板件的端面均为矩形，且矩形端面的宽度大于厚度。
可选的，所述的槽孔开设在竖直板件、第一板件和限幅结构的上表面，限幅结构的正方体或者长方体结构，限幅结构的底面与水平板件的上表面固定连接。
本实施例中，所述弹性件为弹簧，可以理解的，在其他一些实施方式中，也可以是其他具备弹性功能的弹性元件。
可选的，轴承座2的两侧固定有用于覆盖轴承端部的轴承盖8，所述质量块为长方体结构或者正方体结构。
可以理解的，在其他一些实施方式中，第二板件远离第一板件的一端与质量块一体成型。
本实施例中，水平承载台为长方体结构或者正方体结构，且水平承载台的底部开有门字形凹槽以节省材料。
当外界产生振动时，传感器整体会随振动信号运动，其加速度在质量块上产生相反的惯性力，质量块随惯性力上下振动，驱动L形梁绕轴承转动，将质量块振动转化为光栅的均匀应变，从而影响其反射光的中心波长。反射光中心波长的漂移量与质量块的线性位移量成比例，同时也与加速度成比例，因此测量反射光中心波长的漂移量即可获得加速度大小，从而实现对外界振动的传感。另外由于两根光纤光栅分别粘于L形刚性梁两侧，当传感器振动时两根光纤形变方向相反，即两根光纤的反射光中心波长漂移量大小相等、方向相反，同时温度对两根光纤的影响相同，将两者差分，则可达到温度补偿作用和增加灵敏度的效果。
如图2所示，为结构振动模型示意图，当振动激励信号加速度a作用在传感器敏感方向时，质量块在惯性力作用下绕轴承微幅振动。
当加速度a施加到传感器上时，质量块相对于外壳的位移Δx2可表示为
式中，w0为系统的固有角频率；m为质量块质量；K为光纤和弹簧组成的系统总弹性系数(N/m)。
设两根光纤中的一个伸长Δx1，则另一个压缩Δx1，则光纤的合力
F1＝2k1Δx1 (2)
式中，k1是光纤的弹性系数，光纤的杨氏模量为Ef，横截面积为Af，光纤的有效工作长度为l，则
设光纤的中心到转轴的中心距离为L1，质量块中心到轴承中心距离为L2，光纤传递到质量块上的力为N，则由力矩平衡可得：
F1L1＝NL2 (3)
对质量块进行受力分析，弹簧发生形变所产生的弹力为F2，形变量为Δx2，则合力F＝F2+N，可得：
式中，k2为弹簧的弹性系数，由相似
得：
则光纤发生的应变e为：
最终得到FBG加速度传感器的灵敏度为S：
式中，lB为光栅的中心波长，Pe为光纤的有效弹光系数。
该FBG加速度传感器的固有频率f为：
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，其特征在于：
包括：壳体、轴承座、L形刚性梁、轴承、限幅结构、质量块、调平螺母和弹性件；
所述壳体至少包括竖直板件、水平板件和水平承载台，水平承载台位于水平板件之上，轴承座固定在水平承载台上，轴承设置在轴承座内；
L形刚性梁包括相互垂直的第一板件和第二板件，所述轴承穿过第一板件和第二板件的连接部，第二板件远离第一板件的一端与质量块固定连接，质量块的底部通过弹性件与调平螺母连接，调平螺母设置在水平板件上；
限幅结构与水平板件固定连接，且第二板件穿过限幅结构的通孔，竖直板件、第一板件和限幅结构开有同轴的用于光纤穿过的槽孔。
2.如权利要求1所述的基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，其特征在于：
水平承载台固定在水平板件的上表面；
或者，
水平承载台固定在竖直板件上，且位于水平板件的上侧。
3.如权利要求1所述的基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，其特征在于：
第一板件和第二板件的端面均为矩形，且矩形端面的宽度大于厚度。
4.如权利要求1所述的基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，其特征在于：
所述的槽孔开设在竖直板件、第一板件和限幅结构的上表面。
5.如权利要求1所述的基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，其特征在于：
限幅结构的正方体或者长方体结构，限幅结构的底面与水平板件的上表面固定连接。
6.如权利要求1所述的基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，其特征在于：
所述弹性件为弹簧。
7.如权利要求1所述的基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，其特征在于：
轴承座的两侧固定有用于覆盖轴承端部的轴承盖。
8.如权利要求1所述的基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，其特征在于：
所述质量块为长方体结构或者正方体结构。
9.如权利要求1所述的基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，其特征在于：
第二板件远离第一板件的一端与质量块一体成型。
10.如权利要求1所述的基于轴承的L形刚性梁FBG加速度传感器，其特征在于：
水平承载台为长方体结构或者正方体结构，且水平承载台的底部开有门字形凹槽。
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