专利名称：基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种基于悬臂梁挠度的光 纤光栅加速度计。
背景技术：
光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性 等方面也具有明显的优势，在国防、军事应用领域显得尤为突出，被许多 国家列为重点发展的国防技术。
光纤加速度计是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产 生的种种调制效应，探测地面、空气中或者海底的振动等信号的仪器。它 与传统的压电类加速度计相比，有以下主要优势频带宽、声压灵敏度高、 不受电磁干扰、重量轻、可设计成任意形状，以及兼具信息传感及光信息 传输于一身等优点。
鉴于光纤加速度计的如上技术优势，可满足各发达国家在石油、军事 等领域的要求，目前已经在此方面积极展开研究。
在常见的强度调制型、数字式、光纤光栅式光纤加速度计中，光纤光 栅式加速度计由于其体积小、易于复用的特点得到了广泛的关注。
余有龙等人报道了一种光纤光栅加速度计，是采用在将光纤光栅粘接 在悬臂梁表面的方法。当悬臂梁发生振动时，其表面会有周期性的压拉应 变，光纤光栅通过检测悬臂梁表面的应变来实现振动的测量。该种技术方 案一方面光纤光栅的栅区直接被胶封装，容易使光纤光栅产生啁啾，另一 方面为了使加速度和传感器的输出保持线性关系，悬臂梁的挠度不能过 大，从而限制了传感器的灵敏度。
因此，如何改进光纤光栅加速度计的封装形式以及提高光纤光栅加速 度计的灵敏度，是光纤光栅加速度计大规模应用必需解决的重要技术问 题。
发明内容
(一) 要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于悬臂梁挠度的光纤光 栅加速度计，以提高光纤光栅加速度计的灵敏度并改进光纤光栅加速度计 的封装工艺。
(二) 技术方案
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的
一种基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计，该光纤光栅加速度计包
括
作为该光纤光栅加速度计支撑结构的外壳，具有第一侧壁m、第二 侧壁n、第三侧壁p和第四侧壁q;
用于测量加速度的光纤光栅2，该光纤光栅2的一端与质量块5固定 连接，另一端平行于第一侧壁m穿过所述光纤光栅加速度计第二侧壁n 上的孔6并延伸至所述光纤光栅加速度计的外部；
一端水平固定于所述光纤光栅加速度计第三侧壁P上的悬臂梁3，用 于将振动信号传递给光纤光栅2;
固定于所述悬臂梁3另一端的质量块5，用于调整光纤光栅加速度计 的灵敏度和自振频率。
上述方案中，所述孔6位于光纤光栅加速度计的第二侧壁n上，用于 引出和固定光纤光栅2的尾纤。
上述方案中，所述光纤光栅2垂直于悬臂梁3，具有一定的初始应力。
上述方案中，所述质量块5的质量远大于悬臂梁3的质量，用于减小 光纤光栅加速度计的非线性效应。
上述方案中，当所述光纤光栅振动传感器受到振动激励时，所述悬臂 梁3和质量块5构成一个弹簧-质量系统，质量块5在垂直于悬臂梁3的方 向起振，带动悬臂梁3产生一定的挠度，悬臂量3的振动使得光纤光栅2 中产生和振动频率一致的周期性变化的轴向应力。
上述方案中，所述悬臂梁3通过支座4水平固定于光纤光栅加速度计 的第三侧壁p上。上述方案中，所述光纤光栅加速度计通过调节质量块5的质量或改变 悬臂梁3的材料和结构参数来改变光纤光栅加速度计的灵敏度和自振频率。
(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果
1、 本发明提供的基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计，通过将悬臂 梁的挠度转化为光纤光栅的轴向位移，相比于表面粘贴的方式，对于同样 大小的振动信号，光纤光栅中将产生更大的应变，使光纤光栅加速度计具 有较高的灵敏度。
2、 本发明提供的基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计，通过在光纤 光栅的两端进行固定的方式，在避免光纤光栅产生啁啾的同时简化了封装 的工艺，制作工艺简单。
3、 本发明提供的基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计，由于可以方
便的通过调节质量块5的质量或改变悬臂梁3的材料和结构参数来改变传
感器的灵敏度和自振频率，灵敏度和自振频率易于调节。
图1为本发明提供的基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计结构的俯视图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度
计结构的俯视图。该光纤光栅加速度计包括作为该光纤光栅加速度计支 撑结构的外壳1，具有第一侧壁m、第二侧壁n、第三侧壁p和第四侧壁q; 用于测量加速度的光纤光栅2，该光纤光栅2的一端与质量块5固定连接， 另一端平行于第一侧壁m穿过所述光纤光栅加速度计第二侧壁n上的孔6
并延伸至所述光纤光栅加速度计的外部； 一端水平固定于所述光纤光栅加速度计第三侧壁P上的悬臂梁3，用于将振动信号传递给光纤光栅2;固 定于所述悬臂梁3另一端的质量块5，用于调整光纤光栅加速度计的灵敏 度和自振频率。
上述孔6位于光纤光栅加速度计的第二侧壁n上，用于引出和固定光 纤光栅2的尾纤。
上述光纤光栅2垂直于悬臂梁3，具有一定的初始应力。
上述质量块5的质量远大于悬臂梁3的质量，悬臂梁3的质量相对于 质量块5很小，可以忽略，用于减小光纤光栅加速度计的非线性效应。
当该光纤光栅加速度计受到如图l所示方向的振动激励时，悬臂梁3 和质量块5构成一个弹簧-质量系统，质量块5在垂直于悬臂梁3的方向起 振，带动悬臂梁3产生一定的挠度。由于光纤光栅2的一端固定在质量块 5上，从而悬臂量3的振动使得光纤光栅中产生和振动频率一致的周期性 变化的轴向应力。对于光纤光栅，其反射波长的变化量与所受轴向应力成 正比，故通过检测波长的变化量可以得到外界振动加速度的大小。
上述悬臂梁3通过支座4水平固定于光纤光栅加速度计的第三侧壁p上。
另外，由于质量块5的质量将对加速度计的灵敏度和自振频率产生显 著的影响，故可以通过调节质量块5的质量来改变加速度计的灵敏度和自 振频率。悬臂梁3的刚度同样可以决定加速度计的灵敏度和自振频率，故 改变悬臂梁3的材料和结构参数亦可以改变加速度计的灵敏度和自振频 率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、 一种基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计，其特征在于，该光纤光栅加速度计包括作为该光纤光栅加速度计支撑结构的外壳(1)，具有第一侧壁(m)、第二侧壁(n)、第三侧壁(p)和第四侧壁(q)；用于测量加速度的光纤光栅(2)，该光纤光栅(2)的一端与质量块(5)固定连接，另一端平行于第一侧壁(m)穿过所述光纤光栅加速度计第二侧壁(n)上的孔(6)并延伸至所述光纤光栅加速度计的外部；一端水平固定于所述光纤光栅加速度计第三侧壁(p)上的悬臂梁(3)，用于将振动信号传递给光纤光栅(2)；固定于所述悬臂梁(3)另一端的质量块(5)，用于调整光纤光栅加速度计的灵敏度和自振频率。
2、 根据权利要求1所述的基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计，其 特征在于，所述孔(6)位于光纤光栅加速度计的第二侧壁(n)上，用于 引出和固定光纤光栅(2)的尾纤。
3、 根据权利要求1所述的基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计，其 特征在于，所述光纤光栅(2)垂直于悬臂梁(3)，具有一定的初始应力。
4、 根据权利要求1所述的基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计，其 特征在于，所述质量块(5)的质量远大于悬臂梁(3)的质量，用于减小 光纤光栅加速度计的非线性效应。
5、 根据权利要求1所述的基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计，其 特征在于，当所述光纤光栅振动传感器受到振动激励时，所述悬臂梁(3) 和质量块(5)构成一个弹簧-质量系统，质量块(5)在垂直于悬臂梁(3) 的方向起振，带动悬臂梁(3)产生一定的挠度，悬臂量(3)的振动使得 光纤光栅(2)中产生和振动频率一致的周期性变化的轴向应力。
6、 根据权利要求1所述的基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计，其 特征在于，所述悬臂梁(3)通过支座(4)水平固定于光纤光栅加速度计 的第三侧壁(p)上。
7、 根据权利要求1所述的基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计，其特征在于，所述光纤光栅加速度计通过调节质量块(5)的质量或改变悬 臂梁(3)的材料和结构参数来改变光纤光栅加速度计的灵敏度和自振频
全文摘要
本发明涉及光纤传感器技术领域，公开了一种基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计，该光纤光栅加速度计包括作为该光纤光栅加速度计支撑结构的外壳1，具有第一侧壁m、第二侧壁n、第三侧壁p和第四侧壁q；用于测量加速度的光纤光栅2，该光纤光栅2的一端与质量块5固定连接，另一端平行于第一侧壁m穿过所述光纤光栅加速度计第二侧壁n上的孔6并延伸至所述光纤光栅加速度计的外部；一端水平固定于所述光纤光栅加速度计第三侧壁p上的悬臂梁3，用于将振动信号传递给光纤光栅2；固定于所述悬臂梁3另一端的质量块5，用于调整光纤光栅加速度计的灵敏度和自振频率。本发明提高了光纤光栅加速度计的灵敏度，改进了光纤光栅加速度计的封装工艺。
文档编号B81B7/00GK101285846SQ20071006532
公开日2008年10月15日 申请日期2007年4月11日 优先权日2007年4月11日
发明者刘育梁, 张文涛, 芳 李 申请人:中国科学院半导体研究所