CN218122016U - 基于3d打印制造的椭圆柔性铰链光纤光栅加速度传感器 - Google Patents
基于3d打印制造的椭圆柔性铰链光纤光栅加速度传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及光纤光栅传感监测技术领域，特别涉及基于3D打印制造的椭圆柔性铰链光纤光栅加速度传感器，包括PLA复合基体、传感器底座、布拉格光栅和光纤；PLA复合基体固定安装在传感器底座的内部，包括一对等强度梁、一个主质量块、两个柔性铰链和两个次质量块。本实用新型采用左右对称的等强度梁和柔性铰链作为弹性元件，与基体中的惯性质量块组成质量‑弹簧系统，以响应被测物体的机械振动,对称的结构给光纤光栅的中心波长带来的变化大小相等而方向相反，因此可以将测量灵敏度提高一倍；同时等强度梁、柔性铰链、主质量块和次质量块组成形成一个整体，有利于降低组装成本,提高长期可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤光栅传感监测技术领域，特别涉及基于3D打印制造的椭圆柔性铰链光纤光栅加速度传感器。
背景技术
光纤光栅传感器因其抗电磁干扰、体积小、重量轻、传输损耗小、传输容量大、传输距离远等优势广泛应用于铁路、桥梁、和船舶等重要领域。振动信号是健康监测中的重要指标，通过对结构的在线监测可以尽可能早的发现安全隐患并采取措施。加速度在一定程度上体现了物体的振动特征，物体振动的速度和位移信号可以从加速度信号中提取出来。通过测量振动过程中的加速度值可以对物体的振动进行监测。
虽然电磁式加速度传感器相应的产品己经很成熟了，但是由于固有的一系列缺陷使得该类传感器在大型结构和设备中受到了极大的限制，同时也制约了更加精确的振动测量技术的进步。如受电磁干扰，传输距离不够远，稳定性差，布线和安装困难等缺点。所以研究光纤光栅加速度传感器具有巨大的经济意义和科学价值。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型公开了基于3D打印制造的椭圆形柔性铰链光纤光栅加速度传感器。
具体技术方案如下：
基于3D打印制造的椭圆柔性铰链光纤光栅加速度传感器，所述加速度传感器包括PLA复合基体、传感器底座、布拉格光栅和光纤；所述PLA复合基体固定安装在传感器底座的内部，包括一对等强度梁、一个主质量块、两个柔性铰链和两个次质量块；所述主质量块通过前后两个等强度梁与传感器底座连接；所述次质量块为水平部分和竖直部分一体成型的倒L型，对称设置在主质量块的左右两侧，且竖直部分分别通过对称的柔性铰链与主质量块连接，水平部分的上表面沿垂直于等强度梁的方向开设水平的光纤沟槽；所述光纤一端穿入传感器底座的光纤穿孔后安装于光纤沟槽内，并通过胶黏剂粘连固定，另一端与解调仪连接；所述两个次质量块水平部分的顶面空隙处安装布拉格光栅。
所述传感器底座、等强度梁、柔性铰链、主质量块和次质量块是由3D打印机一体打印而成。
所述柔性铰链为椭圆柔性铰链，在主质量块和次质量块的连接处上下表面形成相对的椭圆弧，连接处中间薄两端厚。
所述一对等强度梁在主质量块的前后对称设置。
所述传感器底座包括水平的底板和竖直的三面围板，等强度梁与相对的两块围板连接，光纤穿孔开设于第三块围板上。
所述光纤布拉格光栅经过5N的预拉伸后通过胶黏剂粘连固定于两个次质量块水平部分的顶面空隙。
所述光纤沟槽开设于水平部分的上表面的中轴线处。
与现有技术相比，本实用新型具有如下有益技术效果：
本发明基于3D打印制造的等强度梁和柔性铰链的光纤光栅加速度传感器的工作原理是：把传感器固定在待测物体上，在外界激振源的作用下，传感器随物体一起振动，从而导致主质量块和次质量块在振源激励作用下进行微幅振动，惯性质量块将产生惯性力，从而使得受到预拉伸应力的布格光栅发生轴向的微小伸长或收缩的形变即轴向应变,这种轴向应变将导致布拉格光栅的反射波长产生相应的漂移。建立布拉格光栅的实际应变量与传感器结构应变的线性关系,将外界信号的加速度量最终转化为光纤光栅中心波长的漂移量，通过光纤反射波长漂移量的测量便可获得外界加速度的大小。利用解调仪在计算机上显示光纤光栅加速度传感器的输出波形，由相应的正弦输出波形，计算出待测物体的振动频率以及光纤光栅的峰峰值波长漂移量，最终通过波长漂移量与加速度的线性关系来确定待测物体的振动加速度大小。
本实用新型加速度传感器的芯体结构简单，仅由一个一体化的底座与复合基体和一根光纤布拉格光栅构成，传感器安装方便，谐振频率高；形成一个不可分割的整体，也有利于提高器件的长期可靠性
采用左右对称的等强度梁和柔性铰链作为弹性元件，以代替弹簧或其它弹性体,与基体中的惯性质量块组成质量-弹簧系统，以响应被测物体的机械振动。
次质量块在振源激励作用下围绕各自的柔性铰链微幅振动，拉动布拉格光栅两端反向运动，对称结构能够保证布拉格光栅对加速度的响应显著增大，大幅提高响应灵敏度。对称的结构给光纤光栅的中心波长带来的变化大小相等而方向相反，因此可以将测量灵敏度提高一倍。
附图说明
图1为基于3D打印制造的等强度梁和柔性铰链的光纤光栅加速度传感器的复合基体结构示意图；
图2为基于3D打印制造的等强度梁和柔性铰链的光纤光栅加速度传感器的复合基体与底座结构示意图；
图中，1、等强度梁；2、主质量块；3、柔性铰链；4、次质量块；5、光纤沟槽；6、布拉格光栅；7、光纤穿孔；8、传感器底座；9、光纤。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行进一步说明，但本实用新型的保护范围不仅限于附图。
图1为基于3D打印制造的等强度梁和柔性铰链的光纤光栅加速度传感器的复合基体结构示意图，图2为基于3D打印制造的等强度梁和柔性铰链的光纤光栅加速度传感器的复合基体与底座结构示意图，如图所示：
本实用新型基于3D打印制造的椭圆柔性铰链光纤光栅加速度传感器，包括PLA复合基体、传感器底座8、布拉格光栅6和光纤9；所述PLA复合基体固定安装在传感器底座8的内部，包括一对等强度梁1、一个主质量块2、两个柔性铰链3和两个次质量块4；所述主质量块2通过前后两个对称的等强度梁1与传感器底座8连接；所述次质量块4为水平部分和竖直部分一体成型的倒L型，对称设置在主质量块2的左右两侧，且竖直部分分别通过对称的柔性铰链3与主质量块2连接，水平部分的上表面沿垂直于等强度梁1的方向的中轴线处开设水平的光纤沟槽5；所述光纤9一端穿入传感器底座8的光纤穿孔7后安装于光纤沟槽5内，并通过胶黏剂粘连固定，另一端与解调仪连接；所述两个次质量块4水平部分的顶面空隙处安装布拉格光栅6。
所述传感器底座8、等强度梁1、柔性铰链3、主质量块2和次质量块4是由3D打印机一体打印而成。所述柔性铰链3为椭圆柔性铰链，在主质量块2和次质量块4的连接处上下表面形成相对的椭圆弧，连接处中间薄两端厚。所述传感器底座8包括水平的底板和竖直的三面围板，等强度梁1与相对的两块围板连接，光纤穿孔7开设于第三块围板上。所述光纤布拉格光栅6经过5N的预拉伸后通过胶黏剂粘连固定于两个次质量块4水平部分的顶面空隙。
工作时，把传感器固定在待测物体上，在外界激振源的作用下，传感器随物体一起振动，从而导致左右两个次质量块4围绕各自的柔性铰链3产生微幅振动，次质量块4将产生惯性力，从而使得受到5N预拉伸应力的布拉格光栅6发生如图2所示的轴向方向上的微小伸长或收缩的形变，即轴向应变，这种轴向应变将导致光纤布拉格光栅6的反射波长产生相应的漂移，拉动布拉格光栅6的两端反向运动。建立光纤布拉格光栅6的实际应变量与结构应变的线性几何关系，将外界信号的加速度量最终转化为光纤光栅中心波长的漂移量，通过对光纤布拉格光栅6的反射波长漂移量的测量便可获得外界机械振动加速度的大小。利用动态波长解调仪及其处理器，在计算机上显示光纤光栅加速度传感器的输出波形，由相应的正弦输出波形，计算出待测物体的振动频率以及光纤光栅的峰峰值波长漂移量,最终通过波长漂移量与加速度的线性关系来确定待测物体的振动加速度大小。
Claims (7)
1.基于3D打印制造的椭圆柔性铰链光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述加速度传感器包括PLA复合基体、传感器底座(8)、布拉格光栅(6)和光纤(9)；所述PLA复合基体固定安装在传感器底座(8)的内部，包括一对等强度梁(1)、一个主质量块(2)、两个柔性铰链(3)和两个次质量块(4)；所述主质量块(2)通过前后两个等强度梁(1)与传感器底座(8)连接；所述次质量块(4)为水平部分和竖直部分一体成型的倒L型，对称设置在主质量块(2)的左右两侧，且竖直部分分别通过对称的柔性铰链(3)与主质量块(2)连接，水平部分的上表面沿垂直于等强度梁(1)的方向开设水平的光纤沟槽(5)；所述光纤(9)一端穿入传感器底座(8)的光纤穿孔(7)后安装于光纤沟槽(5)内，并通过胶黏剂粘连固定，另一端与解调仪连接；所述两个次质量块(4)水平部分的顶面空隙处安装布拉格光栅(6)。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印制造的椭圆柔性铰链光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述传感器底座(8)、等强度梁(1)、柔性铰链(3)、主质量块(2)和次质量块(4)是由3D打印机一体打印而成。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印制造的椭圆柔性铰链光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述柔性铰链(3)为椭圆柔性铰链，在主质量块(2)和次质量块(4)的连接处上下表面形成相对的椭圆弧，连接处中间薄两端厚。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印制造的椭圆柔性铰链光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述一对等强度梁(1)在主质量块(2)的前后对称设置。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印制造的椭圆柔性铰链光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述传感器底座(8)包括水平的底板和竖直的三面围板，等强度梁(1)与相对的两块围板连接，光纤穿孔(7)开设于第三块围板上。
6.根据权利要求1所述的基于3D打印制造的椭圆柔性铰链光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述布拉格光栅(6)经过5N的预拉伸后通过胶黏剂粘连固定于两个次质量块(4)水平部分的顶面空隙。
7.根据权利要求1所述的基于3D打印制造的椭圆柔性铰链光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述光纤沟槽(5)开设于水平部分的上表面的中轴线处。
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