专利名称：一种光纤光栅加速度传感器及其测试方法
技术领域：
本发明涉及光纤光栅加速度传感器测试领域。
背景技术：
光纤光栅加速度传感器在很多领域有着重要的应用，例如在航空航天，大型 机电设备，桥梁结构，石油勘测、船舶、地震等的实时监测。光纤光栅加速度传感器通过把光 纤光栅埋入衬底材料和结构内部或粘贴于其表面，使其对待测参量敏感，通过中心波长的 漂移量来感测待测参量大�。嗖馕锾逭穸纯觯卸瞎ぷ髯刺笆迸懦收希苊夥⑸� 重大事故。传统的电类加速度传感器输出的是弱电信号，不能进行长距离传输，并且在室外 恶劣环境中工作可靠性差，而光纤光栅可实现远距离的监测与传输并且在使用期限内维护 费用较低，具有抗电磁干扰，耐腐蚀，可分布式测量等优点。现有的一些光纤光栅加速度传 感器由于自身结构的缺陷，存在着灵敏度不高，温度影响大以及长期使用中非线性影响显 著，不能二次开发使用等缺点。专利号为200710065323. 9的中国专利公开一篇“一种温度不敏感的光纤光 栅加速度传感器”。它的基本原理是质量块感受外界加速度激励，通过L型杠杆将振动信 号直接传递给与自身固接的裸光纤光栅上。通过材料热膨胀系数之间的差异实现温度补 偿。固定于杠杆端部的质量块用于调节传感器的灵敏度和自振频率。由于光纤光栅截面积 很小且不能弯折，这种结构存在着与杠杆不好固定且将力直接作用于裸光纤光栅上容易折 断的缺点。该传感器使用单一光栅，依据材料热膨胀系数的差异只能定性的降低温度对光 栅中心波长的影响不能精确的实现温度自补偿。当设计一旦确定，质量块质量的改变必将 会导致系统初始状态的不平衡且使光纤光栅具有一定的预应力，缩小了光纤光栅应变计的 量程范围。
发明内容
本发明目的是提供一种依据工程实际需要反复设计使用，通过方便的拆卸更换不 同尺寸的折叠弓形梁来改变系统刚度，从而实现灵敏度和自振频率可调且具有温度自补偿 的光纤光栅加速度传感器。一种光纤光栅加速度传感器，包括U形外壳、刚梁、第一光纤光栅、第二光纤光栅、 质量块、弹簧、阻尼液、卡槽、凹型杠杆、折叠弓形梁、密封盖，U形外壳的开口端设置密封盖， U形外壳的内壁上连接刚梁的一端，刚梁的另一端固定连接折叠弓形梁，折叠弓形梁与凹形 杠杆固定连接，固定在卡槽上的凹形杠杆连接质量块，质量块通过弹簧与外壳的内壁连接， 折叠弓形梁上分别设置第一光纤光栅、第二光纤光栅，U形外壳内设置阻尼液。
本发明的折叠弓形梁通过第一螺丝与刚梁固定连接，折叠弓形梁通过第二螺丝与 凹形杠杆连接。本发明通过改变折叠弓形梁的尺寸参数，达到调节系统灵敏度和自振频率。对精 度要求高的小应变采用高的灵敏度，对应变量程要求范围大的应变通过降低灵敏度来扩大 它的应变量程范围。本发明的密封盖，用于U形壳体内部部件的更换安装和阻尼液的注入，待其内部 各部件安装完毕后，使用螺纹连接或者胶粘的方式将密封盖与U形壳体连接，使各部件密 封在U形壳体腔体内。本发明的卡槽上设置转轴，转轴上设置螺母。本发明的U形外壳的侧壁上设置跳线引出孔，第一光纤光栅、第二光纤光栅的尾 纤与跳线熔接后通过跳线引出孔引出到U形外壳外。本发明的质量块质量远大于凹形梁的质量，用于减小光纤光栅加速度传感器的非 线性效应。本发明的凹型杠杆为不锈钢材质，且刚度较大。所述质量块为铜质材质。所述折 叠弓形梁为铍青铜材质，刚度较�。扰蛘拖凳洗�。本发明的第一光纤光栅、第二光纤光栅的性能参数完全一致。本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点
1、本发明的光纤光栅加速度传感器具有可反复设计使用，对精度要求高的小应变通过 降低自振频率来提高灵敏度，对应变量程范围大的应变，可以通过降低灵敏度来扩大它的 应变量程范围。2、本发明的折叠弓形梁与凹型杠杆通过螺丝固定易于更换方便二次设计，通过调 整折叠弓形梁的尺寸参数可以达到调节刚度的目的，从而进一步调整系统灵敏度和自振频 率范围。3、本发明的该折叠弓形梁顶部为等强度梁，可以保证光栅长度范围内各部分受到 的拉伸或压缩应变相同，布拉格光栅不会因为局部受力不均而发生啁啾现象。4、本发明的折叠弓形梁上下表面分别粘贴光纤光栅，方便的实现了温度自补偿并 使灵敏度提高了 一倍。5、本发明的卡槽加宽了凹型杠杆转轴处面积，避免直接在凹型杠杆上安装转轴降 低杠杆刚度，增大系统的非线性。在卡槽两侧进一步安装螺母，用于限制凹型杠杆横向灵敏度。6、本发明采用杠杆传动原理，将质量块振动转化为光纤光栅动应变，经过结构和 参数优化，达到了使灵敏度系数增大的效果。7、本发明通过合理配比质量块和系统刚度参数，调整系统的谐振频率，提高了传 感器的响应灵敏度。8、本发明在U型壳内注入适当阻尼系数的阻尼液，抑制传感器自身的谐振，拓展 频率响应带宽。
图1是本发明的一种结构示意图。图2是本发明的折叠弓形梁示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明
如图1所示，一种光纤光栅加速度传感器，包括U形外壳1、刚梁2、第一光纤光栅4、第 二光纤光栅5、质量块6、弹簧7、阻尼液8、卡槽11、凹型杠杆12、折叠弓形梁14、密封盖16， U形外壳1的开口端设置密封盖16，U形外壳1的内壁上连接刚梁2的一端，刚梁2的另一 端固定连接折叠弓形梁14，折叠弓形梁14与凹形杠杆12固定连接，固定在卡槽11上的凹 形杠杆12连接质量块6，质量块6通过弹簧7与外壳1的内壁连接，折叠弓形梁14上分别 设置第一光纤光栅4、第二光纤光栅5，U形外壳1内设置阻尼液8。如图1所示，本发明的折叠弓形梁14通过第一螺栓15与刚梁2固定连接，折叠弓 形梁14通过第二螺栓13与凹形杠杆12连接。如图1所示，本发明的卡槽11上设置转轴9，转轴9上设置螺母10。如图1所示，本发明的U形外壳1的侧壁上设置跳线引出孔3，第一光纤光栅4、第 二光纤光栅5的尾纤与跳线熔接后通过跳线引出孔3引出到U形外壳1外。本发明的光纤光栅加速度传感器主要包括第一光纤光栅4、第二光纤光栅5、折 叠弓形梁14、质量块6、凹型杠杆12、弹簧7、阻尼液8等。折叠弓形梁14通过改变自身尺 寸参数调节刚度，进而调整系统灵敏度和自振频率范围。对精度要求高的小应变通过降低 自振频率来提高灵敏度，对应变量程要求范围大的应变通过降低灵敏度来扩大它的应变量 程范围。折叠弓形梁的一端通过螺丝15固定在刚性梁2上，另一端与凹型杠杆12的水平 方向部分通过螺丝13固定。巧妙的设计传感器感知部分的力学特性，实现应变的优化分 布。该折叠弓形梁顶部20为等强度梁，可以保证光栅长度范围内各部分受到的拉伸或压缩 相同，布拉格光栅不会因为局部受力不均勻而发生啁啾现象。光纤光栅4，5中心粘贴于折 叠弓形梁顶部圆孔17孔边应力集中的位置，以放大光纤光栅的应变灵敏度。光纤光栅4，5 与折叠弓形梁14的粘贴使用环氧粘合剂，以保证粘合紧密。所述折叠弓形梁为刚度较�。� 热膨胀系数较大的铍青铜材质。本发明的安装于卡槽11上的凹型杠杆12，用于将振动信号传递给与自身连接的 折叠弓形梁14，卡槽11处与轴9活动连接，并可绕轴9转动，凹型杠杆12的竖直方向部分 与水平方向部分相交处与卡槽11固结，卡槽11带动凹型杠杆12 —起绕轴9转动，螺母10 起到限制卡槽11沿传感器前后方向的位移；卡槽11可以加宽折点处的面积防止直接在凹 型杠杆12上安装转轴降低凹型杠杆12的刚度，降低系统的非线性。本发明的凹型杠杆为 刚度较大的不锈钢材质。本发明固定于凹型杠杆12水平方向端部的质量块6，用于调节传感器的灵敏度和 自振频率；本发明与质量块6质量中心和壳体1固结的弹簧7，使光栅具有初始应力并用于 调节系统的刚度；本发明通过优化结构设计和选择合适的阻尼液8，可以达到在较宽频率 范围内对物体振动的高灵敏度响应。
本发明的质量块6为铜质材料，质量远大于凹形杠杆12的质量，用于减小光纤光 栅加速度传感器的非线性效应。如图2所示，本发明用于感受应变的第一光纤光栅4、第二光纤光栅5用环氧树脂 胶粘贴在弓形梁顶20的中间段圆孔17孔边的中心线上，粘贴于下表面的第二光纤光栅5 通过第一圆孔18、第二圆孔19引出。对剩余光纤用套管加以保护，穿过跳线引出孔3接入 到壳1外的光栅解调仪中解调。根据弹性力学和材料力学，折叠弓形梁的刚度l·力
权利要求
1.一种光纤光栅加速度传感器，其特征在于包括U形外壳(1 )、刚梁(2)、第一光纤光栅 (4)、第二光纤光栅(5)、质量块(6)、弹簧(7)、阻尼液(8)、卡槽(11)、凹型杠杆(12)、折叠 弓形梁(14)、密封盖(16)，U形外壳(1)的开口端设置密封盖(16)，U形外壳(1)的内壁上 连接刚梁(2)的一端，刚梁(2)的另一端固定连接折叠弓形梁(14)，折叠弓形梁(14)与凹形 杠杆(12)固定连接，固定在卡槽(11)上的凹形杠杆(12)连接质量块(6)，质量块(6)通过 弹簧(7)与外壳(1)的内壁连接，折叠弓形梁(14)上分别设置第一光纤光栅(4)、第二光纤 光栅(5)，U形外壳(1)内设置阻尼液(8)。
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，上述折叠弓形梁(14) 通过第一螺丝(15)与刚梁(2)固定连接，折叠弓形梁(14)通过第二螺丝(13)与凹形杠杆 (12)连接。
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，上述卡槽(11)上设置 转轴(9 )，转轴(9 )上设置螺母(IO)0
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，上述密封盖(16)用于 其内部部件的安装更换和阻尼液(8)的注入，待其内部的各部件安装完毕后，使用螺纹连接 或者胶粘的方式将密封盖(16 )与U形外壳(1)连接，使各部件密封在U形外壳(1)的腔体 内。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅加速度传感器，其特征在于上述U形外壳(1)的侧 壁上设置跳线引出孔(3)，第一光纤光栅(4)、第二光纤光栅(5)的尾纤与跳线熔接后通过 跳线引出孔(3)引出到U形外壳(1)外。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅加速度传感器，其特征在于所述质量块(6)的质量 远大于凹形杠杆(12)的质量，用于减小光纤光栅加速度传感器的非线性效应。
7.根据权利要求1所述的光纤光栅加速度传感器，其特征在于所述凹型杠杆(12)为不 锈钢；所述质量块(6)为铜；所述折叠弓形梁(14)为铍青铜。
8.基于上述权利要求中一项或多项的光纤光栅加速度传感器的 测试方法，其特征在于根据弹性力学和材料力学，折叠弓形梁的刚度,_ EtSs 2a+b βζ^ 一 ■ ‘ · ......4a a + 2b其中^为折叠弓形梁的竖直高度，b为折叠弓形梁的顶部长度，t为折叠弓形梁的宽度， 5为折叠弓形梁的厚度，Α为折叠弓形梁的弹性模量； 灵敏度传递放大系数c其中C为凹形杠杆的竖直方向的长度，d为凹形杠杆水平方向长度， 系统自振圆频率其中P为灵敏度放大系数，m为质量块质量，Ic1为弹簧刚度，k2为折叠弓形梁刚度； 系统灵敏度即为单位加速度上的中心波长漂移量
全文摘要
一种光纤光栅加速度传感器及其测试方法，涉及光纤光栅振动传感技术领域。本发明包括U形外壳、钢梁、第一光纤光栅、第二光纤光栅、质量块、弹簧、阻尼液、卡槽、凹型杠杆、折叠弓形梁、密封盖，U形外壳的开口端设置密封盖，U形外壳的内壁上连接刚梁的一端，刚梁的另一端固定连接折叠弓形梁，折叠弓形梁与凹形杠杆固定连接，固定在卡槽上的凹形杠杆连接质量块，质量块通过弹簧与外壳的内壁连接，折叠弓形梁上分别设置第一光纤光栅、第二光纤光栅，U形外壳内设置阻尼液。本发明实现了依据工程实际需要反复设计使用，通过方便的拆卸更换不同尺寸的折叠弓形梁来改变系统刚度，从而实现灵敏度和自振频率可调且具有温度自补偿的目的。
文档编号G01P15/03GK102128952SQ20101061619
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者叶婷, 曾捷, 梁大开, 穆昊, 赵澎涛 申请人:南京航空航天大学
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