CN2812009Y - 温度自补偿增敏光纤光栅加速度传感器 - Google Patents

Abstract

一种温度自补偿增敏光纤光栅加速度传感器，包括：一基座，在测量被测物体加速度时，固定于被测物体上；一弹性元件，与所述基座连接，这样，所述基座能将被测物体的加速度传递到所述弹性元件上；一质量块，与所述弹性元件连接；两温度补偿块，与所述弹性元件连接；一光纤光栅，两端各与一所述温度补偿块固定连接。本实用新型是采用一根光栅实现温度补偿的目的，由于采用两端预拉伸，栅区部分不用胶粘剂，温度补偿完全是由机械结构和材料实现，这种新结构的光纤光栅加速度传感器可以提高测量加速度的灵敏度。

Description

温度自补偿增敏光纤光栅加速度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种测量加速度的传感器，尤其是指一种温度自补偿增敏光纤光栅加速度传感器。

背景技术

加速度传感器是测量物体加速度既即单位时间内物体运动速度的变化的一种传感器，广泛应用于军事和民用领域。民用领域如地质勘探、油气井的轨道测量、大地测量、铁路和公路的路面测量、各种船舶和车辆的导航、汽车的事故分析、汽车的刹车控制、车辆的人身安全保护装置、机器人的控制、工业设备的振动测量和自动控制、机械结构分析和医疗仪器等。在军事上，它可以单独使用，也可以和陀螺仪以及相关的执行元件组成惯性系统。它以其自主性、隐蔽性、连续性和实时性而独具特色，广泛地用于远、中、近程防空导弹、钎击机、轰炸机、运输机、核潜艇和导弹驱逐舰等军工装备上。

目前加速度传感器中出现了光纤光栅加速度传感器，是采用双光栅温度补偿的方法，这种加速度传感器理论上可以实现，在实际应用中，由于光栅是用胶粘剂粘接在等强度梁上，而胶粘剂的厚度的不均匀会影响光栅的灵敏度，所以很难将温度影响完全剔除。直接采用等强度梁的方式感应加速度的灵敏度较低。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述问题，提供一种只采用一根光栅实现温度补偿，且采用两端预拉伸，栅区部分不用胶粘剂，温度补偿完全是由机械结构和材料实现的一种温度自补偿增敏光纤光栅加速度传感器。

本实用新型的目的是这样实现的，一种温度自补偿增敏光纤光栅加速度传感器，其包括：

一基座，在测量被测物体加速度时，固定于被测物体上；

一弹性元件，与所述基座连接，这样，所述基座能将被测物体的加速度传递到所述弹性元件上；

一质量块，与所述弹性元件连接；

两温度补偿块，与所述弹性元件连接；

一光纤光栅，两端各与一所述温度补偿块固定连接。

本实用新型的效果：

本实用新型的温度自补偿增敏光纤光栅加速度传感器是光纤光栅加速度传感器中一种新的结构方式，可以采用一根光栅实现温度补偿的目的，由于采用两端预拉伸，栅区部分不用胶粘剂，温度补偿完全是由机械结构和材料实现，这种新结构的光纤光栅加速度传感器可以将测量加速度的灵敏度提高几倍，具体提高几倍可由客户决定。

为进一步说明本实用新型的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本实用新型进行详细的描述。

附图说明

图1本实用新型的加速度传感器内部结构俯视图；

图2本实用新型中弹性元件和温度补偿块的俯视图；

图3本实用新型中弹性元件和温度补偿块的侧视图。

附图中主要部件的说明：

1.弹性元件          2.光纤光栅       3.质量块

4、5.温度补偿块     6.基座

具体实施方式

下面根据实施例的附图对本发明的温度自补偿增敏光纤光栅加速度传感器的实施方式进行详细说明。

参见图1、2、3，图1为本实用新型的加速度传感器内部结构俯视图，图2本实用新型中弹性元件和温度补偿块的俯视图；图3本实用新型中弹性元件和温度补偿块的侧视图。

本实用新型的光纤光栅加速度传感器主要由一弹性元件1、一质量块3、一基座6、两温度补偿块4、5和一光纤光栅2组成。

基座6，在测量被测物体的加速度时，是固定在被测物体(未图示)上。

弹性元件1，弹性元件1与所述基座6形成刚性连接，这样，基座6能将被测物体的加速度传递到弹性元件1上。弹性元件1采用的是等腰三角形的等强度悬臂粱结构，材料选用低膨胀系数的殷钢。所述弹性元件1与所述基座6形成刚性连接的方式是：弹性元件1的根部采用螺母11与基座6进行螺纹连接，然后，在螺纹之间用螺纹紧固胶加强连接；也可以将上述螺母11改为铆钉与基座6进行铆接。

质量块3，与所述弹性元件1连接，连接方式是在所述弹性元件1的顶部12处，与所述质量块3的一边采用螺纹连接，然后，在螺纹之间用螺纹紧固胶加强连接。

温度补偿块4、5，与所述弹性元件1连接，连接方式是采用激光焊接，温度补偿块选用高膨胀系数的金属铝。

光纤光栅2，两端分别与所述温度补偿块4、5固定连接，是采用高强度胶粘剂连接。

由于光纤光栅2采用两端固定预拉伸的方式连接，当温度上升时，由于温度补偿块4、5的膨胀远远大于处于温度补偿块4、5之间的弹性元件1的悬臂梁的膨胀，为此光纤光栅2相当于受到压缩，光纤光栅2受压缩的波长减小量正好可以抵消由于温度上升的波长增大量。通过调整温度补偿块4、5之间的距离和温度补偿块4、5本身的尺寸就可以达到温度变化使光栅波长不变的目的，即进行温度自补偿。

下面对使用本实用新型的加速度传感器测量加速度的过程进行说明。

测量时，将基座6固定在被测物体上，当被测物体以加速度a运动时，质量块3受到一个与加速度方向相反的惯性力，即

                     F＝ma                             (1)

公式(1)中，m为质量块3的质量，是已知的量，根据公式(1)可知，只要测出惯性力F，就能测出被测物体的加速度a，下面将说明测量惯性力F的过程。

测量中，惯性力F使弹性元件1产生形变，即

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6\mathrm{FL}}{{\mathrm{EBt}}^2}---\left(2\right)$

公式(2)中，ε是弹性元件1表面的应变，E为弹性元件1的弹性模量，t为弹性元件1的厚度，B为弹性元件1的等强度梁根部的宽度、L为弹性元件1的等强度梁的长度。

当弹性元件1的形变时拉伸固定安装在弹性元件1上的敏感元件——光纤光栅2，使光纤光栅2产生应变，光纤光栅2的波长变化量与所受到应变的关系，即

                   Δλ＝κ·ε′                       (3)

公式(3)中，Δλ为光纤光栅2的波长变化量，κ为光栅常数，ε′为光纤光栅2受到的应变。

由弯曲形变定理可知，弹性元件1表面的应变ε和表面高h处的应变关系ε″为：

$\frac{\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}}=\frac{t/2}{t/2+h}---\left(4\right)$

公式(4)中，ε″为弹性元件1表面高h处的应变。

由于光纤光栅2在弹性元件表面高h处，所以ε′等于ε″。

为此，结合公式(1)，(2)，(3)，(4)就可以得到光栅波长变化量与加速度的关系：

$a=\frac{t+2h}{t}\·\frac{{\mathrm{EBt}}^2}{6\mathrm{mLk}}\·\mathrm{\Δ\λ}---\left(5\right)$

在公式(5)中，弹性元件1的厚度t、弹性元件1表面高h、弹性元件1的弹性模量E、质量块3的质量m、光栅常数κ、弹性元件1的等强度梁根部的宽度B、弹性元件1的等强度梁的长度L都是按用户的需求设定的常数，因此，公式(5)的Δλ前面的系数为常数，设该系数为C，则公式(5)成为：

                    a＝c·Δλ                       (6)

由公式(6)可知，在C为已知数时，被测物体的加速度a仅与变量即光纤光栅2的波长变化量Δλ有关，因此，用光纤光栅解调仪测量光纤光栅2的波长变化量，就可以得到被测物体加速度a的大小。

由公式(5)可知，弹性元件1表面高h越大，加速度传感器对加速度越敏感，因此达到增敏的目的。实际制作中可以根据客户要求的加速度灵敏度来设计弹性元件1表面高h的量。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型权利要求书的范围内。

Claims (8)

1、一种温度自补偿增敏光纤光栅加速度传感器，其特征在于包括：

一基座，在测量被测物体加速度时，固定于被测物体上；

一弹性元件，与所述基座连接，这样，所述基座能将被测物体的加速度传递到所述弹性元件上；

一质量块，与所述弹性元件连接；

两温度补偿块，与所述弹性元件连接；

一光纤光栅，两端各与一所述温度补偿块固定连接。

2、如权利要求1所述的温度自补偿增敏光纤光栅加速度传感器，其特征在于：

所述弹性元件采用的是等腰三角形的等强度悬臂粱结构。

3、如权利要求1所述的温度自补偿增敏光纤光栅加速度传感器，其特征在于：

所述弹性元件的材料选用低膨胀系数的殷钢。

4、如权利要求1所述的温度自补偿增敏光纤光栅加速度传感器，其特征在于：

所述弹性元件与所述基座的连接方式是：

在所述弹性元件的根部采用螺母与所述基座进行螺纹连接，然后，在螺纹之间用螺纹紧固胶加强连接，或者，

在所述弹性元件的根部采用铆钉与所述基座进行铆接。

5、如权利要求1所述的温度自补偿增敏光纤光栅加速度传感器，其特征在于：

所述质量块与所述弹性元件连接方式是：在所述弹性元件的顶部处，与所述质量块的一边采用螺纹连接，然后，在螺纹之间用螺纹紧固胶加强连接。

6、如权利要求1所述的温度自补偿增敏光纤光栅加速度传感器，其特征在于：

所述两温度补偿块与所述弹性元件连接方式是：采用激光焊接。

7、如权利要求1所述的温度自补偿增敏光纤光栅加速度传感器，其特征在于：

所述温度补偿块选用高膨胀系数的金属铝。

8、如权利要求1所述的温度自补偿增敏光纤光栅加速度传感器，其特征在于：

所述光纤光栅与所述温度补偿块固定连接方式是：采用高强度胶粘剂连接。

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