CN2784933Y - 光纤光栅加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光纤光栅传感器，特别是用于测量物体加速度和振动信号的由光纤布喇格光栅为传感基质的传感器，属于传感技术领域。在现有技术中，对物体的加速度及振动进行即时测量的传感器还没有得到满意的解决。本实用新型公开了一种光纤光栅加速度传感器，其技术方案如下：这种光纤光栅加速度传感器，包括单模光纤、光纤布喇格光栅、等强度悬臂梁、质量块、滑杆等，其特点是：将光纤光栅粘贴于等强度悬臂梁靠近固定端的表面上，等强度悬臂梁自由端与质量块柔性连接，质量块被穿在滑杆上，可沿与梁垂直方向(y方向)运动。本实用新型的有益效果是：这种传感器具有测量精度高、抗干扰、耐腐蚀、适合在恶劣环境下工作等特点。

Description

光纤光栅加速度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤光栅传感器，特别是用于测量物体加速度和振动信号的由光纤布喇格光栅为传感基质的传感器，属于传感技术领域。

背景技术

光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。光纤光栅传感器是借助某种装置将被测参量的变化转化为作用于光纤光栅上的应变或温度的变化，从而引起光纤光栅布喇格波长的变化。通过标定并建立光纤光栅的应变或温度响应与被测参量变化关系，即可由光纤光栅中心波长的变化，测量出被测量的变化。将光纤光栅阵列与波分复用和时分复用系统相结合，将其埋入材料和结构内部或贴装在其表面，从而对材料的特性(如温度、应变、压力、加速度等)实现多点监测。这种传感器阵列已被广泛应用于工业、建筑业和科学研究等多个领域。

但是，现有技术中，对物体的加速度及振动进行即时测量的传感器还没有得到满意的解决。

发明内容

本实用新型的目的旨在利用光纤光栅作为传感器件，对物体的加速度及振动信号进行传感测量，可应用于各种接触式加速度或振动信号测量。

本实用新型是一种新型的光纤光栅加速度传感器，利用光纤光栅作为基本传感器件，采用悬臂梁结构，对物体的加速度及振动进行传感测量。检索结果表明，目前尚没有与之一致的光纤光栅加速度传感器的专利报导。

本实用新型公开了一种光纤光栅加速度传感器，其技术方案如下：

这种光纤光栅加速度传感器，包括单模光纤、光纤布喇格光栅、等强度悬臂梁、质量块、滑杆，其特点是：将光纤光栅粘贴于等强度悬臂梁靠近固定端的表面上，等强度悬臂梁自由端与质量块柔性连接，质量块被穿在滑杆上，可沿与梁垂直方向(y方向)运动。

光纤光栅加速度传感器是由一个梁长为L的悬臂梁、一个质量为m的质量块以及相关的构件组成。将光纤光栅粘贴于悬臂梁靠近固定端的表面上，梁自由端与质量块m柔性连接，质量块m被限制在只能沿与梁垂直方向(y方向)运动。根据弹性力学原理，当悬臂梁自由端受垂直作用力时，梁将发生弯曲，这时悬臂梁将产生一个与施力方向相反的弹性回复力。整个加速度传感器与被测物体紧密相连，当被测物体的加速度沿y方向的分量为a时，质量块m上所受惯性力的大小为F＝ma。惯性力的作用使悬臂梁发生弯曲，因此带动传感光纤光栅伸长或压缩，传感光纤光栅中心波长亦随之产生漂移。通过检测光纤光栅中心波长漂移量的大小，即可推知加速度a的大小。

为了保证在测量范围内传感光纤光栅波长漂移的线性度，本光纤光栅加速度传感器采用等强度悬臂梁结构，并将传感光纤光栅粘贴于接近梁固定端位置。悬臂梁与质量块m之间通过滚珠柔性连接，以保证悬臂梁仅沿y方向受惯性力作用，从而使传感光纤光栅的形变不受剪切、扭转等力之影响。

测试原理是：

对于等强度悬臂梁，受荷载P作用而弯曲，当挠度Y不大时，等强度梁的曲率半径ρ可近似为常量。根据材料力学知识，由荷载P、梁的性质(杨氏模量E)及几何尺寸，可求得等强度悬臂梁上各点的应变为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6L}{\mathrm{Eb}{h}^2}\left|P\right|---\left(1\right)$

其中，L、b、h分别为梁长、梁固定端宽度和厚度。

则对于粘贴在梁上的光纤光栅，其波长漂移为：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_B}=\mathrm{\η}(1-p_e)\mathrm{\ϵ}---\left(2\right)$

其中，p_e为光纤光栅的弹光系数，一般为0.22。η为粘贴系数，与选取的粘接剂及粘贴效果有关。

于是有：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_B}=\mathrm{\η}(1-p_e)\frac{6L}{\mathrm{Eb}{h}^2}\left|P\right|---\left(3\right)$

进行加速度测量时，将该传感器以某种连接方式刚性连接到被测物体的测试点上。设被测物体沿传感器y方向的加速度分量为a，则施加在质量块m的惯性力大小为：

                     F＝ma                  (4)

且力F的方向与加速度方向一致。此时，相当于在等强度悬臂梁自由端施加了大小为F的荷载而引起梁弯曲。由于各矢量均沿y方向，因此，我们只取其模进行计算，而用正负号表示其方向。计算可得

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_B}=\mathrm{\η}(1-p_e)\frac{6L}{\mathrm{Eb}{h}^2}\mathrm{ma}---\left(5\right)$

此式即为该光纤光栅加速度传感器的基本公式。在梁参数及粘接系数一定的情况下，传感光纤光栅的波长漂移Δλ与被测物体的加速度a成正比。

本实用新型的有益效果是：利用光纤光栅作为传感基质，采用悬臂梁设计结构，对加速度及振动信号进行接触式测量。基于光纤光栅本身的优点，这种传感器具有测量精度高、抗干扰、耐腐蚀、适合在恶劣环境下工作等特点。

附图说明

图1是本实用新型的传感器结构图1。

图2是本实用新型的传感器中悬臂梁结构图。

图中：1.单模光纤，2.光纤布喇格光栅，3.等强度悬臂梁，4.质量块，5.滑杆，6.外壳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

这种光纤光栅加速度传感器，包括单模光纤1、光纤布喇格光栅2、等强度悬臂梁3、质量块4、滑杆5，其特点是：将光纤光栅1、2粘贴于等强度悬臂梁3靠近固定端的表面上，等强度悬臂梁自由端与质量块柔性连接，质量块被穿在滑杆5上，可沿与梁垂直方向(y方向)运动。

光纤光栅为光纤布喇格光栅。

等强度悬臂梁可以是矩形弹性梁。

滑杆可以是限制质量块运动方向的弹簧、导轨机构。

实施例：

光纤光栅2的自由态中心波长为1536.000nm，峰值反射率为90％，带宽为0.26nm。等强度悬臂梁3材料为锰钢，长度38mm，宽度8mm，厚度0.2mm。质量块4材料为铜，质量为40克。光纤光栅2粘贴于等强度悬臂梁3的中轴线靠近固定端位置处。等强度悬臂梁3与质量块4通过滚珠柔性连接。质量块4被滑杆5限制于只能沿与等强度悬臂梁3垂直的位置运动。等强度悬臂梁3和滑杆5被固定于外壳6。

在实际应用时，将本光纤光栅加速度传感器外壳与被测物体刚性连接，并使滑杆的方向与待测加速度方向一致。本光纤光栅加速度传感器的光纤1接到光波长检测设备上，即可由波长检测设备，根据光纤光栅波长漂移，计算得出被测物体加速度的值。

Claims (4)

1.一种光纤光栅加速度传感器，包括单模光纤(1)、光纤布喇格光栅(2)、等强度悬臂梁(3)、质量块(4)、滑杆(5)，其特征在于：将光纤光栅(1、2)粘贴于等强度悬臂梁(3)靠近固定端的表面上，等强度悬臂梁自由端与质量块柔性连接，质量块被穿在滑杆(5)上，可沿与梁垂直方向，即y方向运动。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：光纤光栅为光纤布喇格光栅。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：等强度悬臂梁可以是矩形弹性梁。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：滑杆结构是可以限制质量块运动方向的弹簧、导轨机构。

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