CN2651754Y

CN2651754Y - 光纤光栅式加速度计

Info

Publication number: CN2651754Y
Application number: CN 200320100629
Authority: CN
Inventors: 田珂珂; 刘育梁
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2013-11-12

Abstract

一种光纤光栅式加速度计，其中包括：一壳体，该壳体为中空的矩形立方体，在壳体的一端开有一小孔；第一插针，该第一插针为圆柱体，在其中心开有一细孔；第二插针，该第二插针为圆柱体，在其中心开有一细孔，该第一、第二插针的细孔同心；一开口套筒，该开口套筒的内径略大于插针的外径，两插针容置在开口套筒内，其中第一插针的一端与壳体具有小孔的一端固定，该两插针之间有一间隙；一质量块，该质量块与插针的外形相同，该质量块与第二插针的一端固接；在质量块与壳体的另一端之间连接有一弹簧；一光纤光栅置于第一、第二插针的细孔内，其一端与第二插针粘固，另一端与第一插针粘固，形成粘接点，该光纤光栅的尾纤从壳体上的小孔穿出。

Description

光纤光栅式加速度计

技术领域

本实用新型属于光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种光纤光栅式加速度计，适合于工业、国防等许多领域中冲击、振动加速度的测试计量。

技术背景

加速度传感器是军械、车辆、船舶等抗冲击、抗振动测量，地震监测、惯性导航与制导系统中常用的重要传感器。惯性式加速度计的工作原理是在惯性空间设置质量块以感知被测件作加速度运动时产生的惯性力或位移，测量出此惯性力或位移即可测量出相应的加速度。传统的加速度传感器多采用电磁式的结构，由于电磁测量本身的特点所决定，不可避免带来电磁噪声干扰，结构复杂，不易安装等缺点。

新型的光纤光栅传感技术近年来已成为研究的热点。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在光纤纤芯内形成空间相位光栅。当多波长信号入射进入光纤时，满足光栅反射条件的某个波长信号(称为Bragg波长)，会被耦合成反向波并沿原光纤线路反向传输。光纤光栅传感的基本原理是：温度、应变和应力等物理量的变化会引起光纤光栅的栅距和有效折射率的变化，从而使光纤光栅反射的Bragg波长发生漂移，通过检测光纤光栅Bragg波长的变化就可以获得相应的温度、应变和应力的信息。其中应力或应变影响光纤光栅的Bragg波长是由于光栅周期的伸缩和光纤材料的弹光效应引起的。

由于光纤光栅的传感信号直接调制于光波波长，不受光源强度起伏、连接损耗及光纤弯曲损耗等影响，稳定性好，测量精度高；同时便于利用波分复用技术串联多个光纤光栅形成分布式传感网络，因此光纤光栅传感技术有着广阔的应用前景。目前光纤光栅已成功的应用于应力、应变、温度的直接测量，而借助于机械装置、埋入技术等也可以实现对位移、力、加速度等物理量的测量。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种光纤光栅式加速度计，其具有测量精度高、响应速度快、线性关系好、不受电磁干扰的光纤光栅式加速度传感器。本实用新型采用惯性加速度计的工作原理，利用现有的商用光纤光栅连接器部件，通过质量块在惯性力作用下的位移使光纤光栅受到应力的作用，其Bragg波长产生漂移，从而实现加速度的测量。

为达到上述目的，本实用新型采用的解决方案是：

一种光纤光栅式加速度计，其特征在于，其中包括：

一壳体，该壳体为中空的矩形立方体，在壳体的一端开有一小孔；

第一插针，该第一插针为圆柱体，在其中心开有一细孔；

第二插针，该第二插针为圆柱体，在其中心开有一细孔，该第一、第二插针的细孔同心；

一开口套筒，该开口套筒的内径略大于插针的外径，两插针容置在开口套筒内，其中第一插针的一端与壳体具有小孔的一端固定，该两插针之间有一间隙；

一质量块，该质量块与插针的外形相同，该质量块与第二插针的一端固接；

在质量块与壳体的另一端之间连接有一弹簧；

一光纤光栅置于第一、第二插针的细孔内，其一端与第二插针粘固，另一端与第一插针粘固，形成粘接点，该光纤光栅的尾纤从壳体上的小孔穿出。

其中在该壳体纵向的上下内壁上固接有凸条，在第二插针的壁面纵向与壳体上的凸条对应，开有凹槽，该凸条与凹槽滑动配合。

其中在该壳体纵向的两侧内壁上固定有两条限位轴，在第一、第二插针的轴向与限位轴对应，开有通孔，该限位轴与通孔滑动配合。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图对本实用新型详细说明如后，其中：

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型另一实施例的结构示意图；

图3为图2的A-A剖面图；

图4为本实用新型又一实施例的结构示意图。

具体实施方式

如附图1所示，其中：1为壳体、2为尾纤、3为光纤光栅、4和5为两插针、6为质量块、7为弹簧、8为粘接点、9为开口套筒、10为间隙、15为小孔。

本实用新型一种光纤光栅式加速度计，其中包括：

一壳体1，该壳体1为中空的矩形立方体，在壳体1的一端开有一小孔15；

第一插针4，该第一插针4为圆柱体，在其中心开有一细孔；

第二插针5，该第二插针5为圆柱体，在其中心开有一细孔，该第一、第二插针4、5的细孔同心；该第一、第二插针4、5为一带有微孔的精密套管，通常采用不锈钢、不锈钢镶陶瓷、全陶瓷、玻璃等材料制成，具有极好的温度稳定性、耐磨性和抗腐蚀的能力；插针的微孔直径为126微米，微孔深度为4毫米或10毫米；

一开口套筒9，该开口套筒9的内径略大于插针4、5的外径，两插针4、5容置在开口套筒9内，其中第一插针4的一端与壳体1具有小孔15的一端固定，该两插针之间有一间隙10；该开口套筒9的内径约为2.5毫米，比插针的外径大1微米，这样既能保证插针5顺利的插入，同时间隙也不能过大，保证了光纤光栅在两插针中不产生扭曲；

一质量块6，该质量块6与插针的外形相同，该质量块6与第二插针5的一端固接；

在质量块6与壳体1的另一端之间连接有一弹簧7；

一光纤光栅3置于第一、第二插针4、5的细孔内，其一端与第二插针5粘固，另一端与第一插针4粘固，形成粘接点8，该光纤光栅3的尾纤2从壳体1上的小孔15穿出。

当有水平方向的加速度a作用时，由于惯性作用，引起活动块相对于壳体做加速运动。如果弹簧7被拉伸(或压缩)x，相应的光纤光栅3被压缩(或拉伸)x，假定弹簧的弹性系数为k1，光纤光栅的弹性系数为k2，考虑开口套筒9与插针5之间的阻尼力为f，质量块6和插针5的质量和为m，那么其运动方程为

k₁x-k₂x-f＝ma，即

a = \frac{(k_{1} - k_{2}) x - f}{m} .

假定光纤光栅的长度为l，则所受应变为

ϵ = \frac{x}{l},

此时引起的Bragg波长漂移为

Δλ = (1 - P_{e}) λ \frac{x}{l} = \frac{(1 - P_{e})}{(k_{1} - k_{2})} \frac{λ}{l} (ma + f) .

从上式可以看出，Bragg波长的漂移反映了加速度的大小，通过监测波长的漂移量即可实现对加速度的测量。

本实施例中通过采用开口套筒保证两插针的对准精度并防止光纤光栅的扭曲。开口套筒和插针之间有较大的阻尼，可以通过加入润滑油来减小阻尼。

附图2和图3为本实施例的一变通结构，其大体上与第一实施例相同，不同之处在于，其中在该壳体1纵向的上下内壁上固接有凸条12，在第二插针5的壁面纵向与壳体1上的凸条12对应，开有凹槽11，该凸条12与凹槽11滑动配合，以保证两插针的对准精度，同时减小阻尼。

附图4为本实施例的又一变通结构，其大体上与第一实施例相同，不同之处在于，其中在该壳体1纵向的两侧内壁上固定有两条限位轴14，在第一、第二插针4、5的轴向与限位轴14对应，开有通孔13，该限位轴14与通孔13滑动配合，同样实现两插针的高精度对准，并减小阻尼。

本实用新型在安装时可预压缩光纤光栅，这样光纤光栅具有较大的应变范围而不会出现啁啾或断裂。从而实现大量程加速度的测量。

从上面的描述中可以清楚地看出，本实用新型提出的光纤光栅式加速度计，具有结构简单，测量精度高，成本低廉，抗电磁干扰等优点。

虽然参照上述实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权力要求书的精神和范围内的各种变型。

Claims

1、一种光纤光栅式加速度计，其特征在于，其中包括：

第一插针，该第一插针为圆柱体，在其中心开有一细孔；

在质量块与壳体的另一端之间连接有一弹簧；

2、根据权利要求1所述的光纤光栅式加速度计，其特征在于，其中在该壳体纵向的上下内壁上固接有凸条，在第二插针的壁面纵向与壳体上的凸条对应，开有凹槽，该凸条与凹槽滑动配合。

3、根据权利要求1所述的光纤光栅式加速度计，其特征在于，其中在该壳体纵向的两侧内壁上固定有两条限位轴，在第一、第二插针的轴向与限位轴对应，开有通孔，该限位轴与通孔滑动配合。