一种差动式双光栅结构的光纤加速度计的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种差动式双光栅结构的光纤加速度计，包括外壳、质量块、可调谐螺钉、固定底板、固定块、弹性片和光纤光栅，其中两个质量块上均开有固定槽且上下对称放置，两个固定块上也均开有固定槽且上下对称放置，两根光纤光栅的一端分别固定于两个质量块的固定槽中，另一端分别固定于两个固定块的固定槽中并从固定槽中穿出；固定块和质量块通过弹性片连接，固定块安装于固顶底板上，质量块悬空，外壳与固顶底板固定连接进行密封，两个可调谐螺钉分别穿过外壳和固定底板对质量块进行限位，该光纤加速度计有效避免受压光栅无应变输出的情况，提高了光纤加速度计的测量准确性，同时避免光纤加速度计的损坏，增强了光纤光栅的强度。
【专利说明】一种差动式双光栅结构的光纤加速度计
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用光纤光栅作为敏感元件的光纤加速度计，尤其是涉及一种差动式双光栅结构的光纤加速度计。
【背景技术】
[0002]光纤加速度计是基于光学信号检测位移原理的新型加速度计。光纤加速度计可以实现光电分离，即敏感头和信号检测电路完全分开，具有抗电磁干扰和远程测量的特点。除了加速度测量，光纤加速度计还可用于结构振动的网络化监测，以及入侵监控和远程预警。
[0003]利用光纤光栅作为敏感元件的光纤加速度计，采用悬臂梁和质量块将待测加速度转换成质量块的位移，通过光纤光栅敏感位移造成的应变，具有信号检测方法简单、精度较高的优点。针对环境温度对加速度测量的影响，发展了差动式光纤加速度计。采用两只对称安装的光纤光栅来测量质量块的位移；当加速度作用下质量块产生位移时，对称固定安装的两个光纤光栅的应变和波长变化大小相等、方向相反；当环境温度变化时，两个光纤光栅的波长变化大小相等、方向相同；通过测量对称固定安装的两个光纤光栅之间的波长相对变化就可以测量出加速度的大小，同时还可以抑制环境温度变化的影响。
[0004]现有的利用光纤光栅作为敏感元件的光纤加速度计，光纤加速度计的量程受限于光纤光栅可承受的拉伸强度的能力，若要得到较大量程的光纤加速度计就要提高光纤光栅的抗拉伸能力；如果所加载的加速度过大，会对安装在质量块上的光纤光栅产生较大应变，一旦超过光纤光栅能承受的应变极限，会导致光纤光栅被拉断和光纤加速度计损坏。同时，目前采用的两点固定的光纤光栅的安装方式会在有加速度加载时出现被压的光纤光栅无应变输出的情况，这给准确测量带来了较大问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种差动式双光栅结构的光纤加速度计，该光纤加速度计有效避免受压光栅无应变输出的情况，提高了光纤加速度计的测量准确性，同时避免光纤加速度计的损坏，增强了光纤光栅的强度，并提高了光纤加速度计的可靠性。
[0006]本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
[0007]—种差动式双光栅结构的光纤加速度计，包括外壳、两个质量块、两个可调谐螺钉、固定底板、两个固定块、弹性片和两根光纤光栅，其中两个质量块上均开有固定槽，且上下对称放置，两个固定块上也均开有固定槽，且上下对称放置，两根光纤光栅的一端分别固定于两个质量块的固定槽中，另一端分别固定于两个固定块的固定槽中并从所述固定槽中穿出；固定块和质量块通过弹性片连接，固定块安装于固顶底板上，质量块悬空，外壳与固顶底板固定连接将质量块、固定块和弹性片密封其中，两根光纤光栅的一端穿过外壳并向外伸出，两个可调谐螺钉分别穿过外壳和固定底板对质量块进行限位。
[0008]在上述差动式双光栅结构的光纤加速度计中，两根光纤光栅的外表面设有涂敷层，涂敷层的厚度为50~100 μ m。
[0009]在上述差动式双光栅结构的光纤加速度计中，两根光纤光栅外表面的涂敷层为聚酰亚胺材料。
[0010]在上述差动式双光栅结构的光纤加速度计中，两个可调谐螺钉分别固定在外壳和固定底板上对应于质量块的位置，且可调谐螺钉的直径大于质量块上安装光纤光栅的固定槽的宽度。
[0011]在上述差动式双光栅结构的光纤加速度计中，可调谐螺钉与质量块之间的间距范围为O~0.5mm。
[0012]在上述差动式双光栅结构的光纤加速度计中，光纤光栅在安装时进行了预应变加载，并采用粘接胶在光纤光栅的两端进行固定。
[0013]本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
[0014](I)、本发明设计了一种全新的差动式双光栅结构的光纤加速度计，通过利用可调节螺钉限制光纤加速度计中质量块上下位移幅度，避免光纤光栅应变超过允许的工作应变范围而导致光纤加速度计损坏，提高了光纤加速度计的可靠性；此外通过调节螺钉端头与质量块之间的间距，使得操作方法简单，技术难度较小，降低了设计复杂机械结构带来的技术难度；
[0015](2)、本发明的 差动式双光栅结构的光纤加速度计通过在光纤光栅表面进行聚酰亚胺涂覆，并对涂敷厚度进行优化，使得其抗拉伸能力得到增强，进一步增强了光纤光栅的强度，并大大提高了光纤加速度计的量程和安全性；
[0016](3)、本发明的差动式双光栅结构的光纤加速度计通过在光纤光栅安装时对其加载一定量的预应变，有效避免的受压光栅无应变输出的情况，提高了光纤加速度计的测量准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明差动式双光栅结构的光纤加速度计的侧视图；
[0018]图2为本发明差动式双光栅结构的光纤加速度计的结构正视图；
[0019]图3为本发明差动式双光栅结构的光纤加速度计去掉底板和外壳后可调谐螺钉对质量块限位作用示意图；
[0020]图4为本发明差动式双光栅结构的光纤加速度计中的敏感光纤光栅进行聚酰亚胺涂覆的不意图；
[0021]图5为本发明差动式双光栅结构的光纤加速度计中的敏感光纤光栅的安装及预应变的加载不意图；
[0022]附图标记说明:
[0023]I...外壳,2...质量块,3...可调谐螺钉,4...固顶底板,5...固定块,6...弹性片,7…光
纤光栅，8…聚酰亚胺涂覆层，9…粘接胶
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
[0025]如图1所示为本发明差动式双光栅结构的光纤加速度计的侧视图，图2所示为本发明差动式双光栅结构的光纤加速度计的结构正视图，由图可知本发明差动式双光栅结构的光纤加速度计包括外壳1、两个质量块2、两个可调谐螺钉3、固定底板4、两个固定块5、弹性片6和两根光纤光栅7，其中两个质量块2上均开有固定槽且上下对称放置，两个固定块5上也均开有固定槽且上下对称放置，两根光纤光栅7的一端分别固定于两个质量块2的固定槽中，另一端分别固定于两个固定块5的固定槽中并从固定槽中穿出。固定块5和质量块2通过弹性片6连接，固定块5安装于固顶底板4上，质量块2自由悬空。
[0026]外壳I与固顶底板4机械连接将质量块2、固定块5和弹性片6密封其中,两根光纤光栅7的一端穿过外壳I并向外伸出，两个可调谐螺钉3分别穿过外壳I和固定底板4对质量块2进行限位。
[0027]如图3所示为本发明差动式双光栅结构的光纤加速度计去掉底板和外壳后可调谐螺钉对质量块限位作用示意图，在固定底板4和外壳I对应于质量块2的位置分别设置一个螺纹孔，为避免压断光栅，拧入螺纹孔的可调谐螺钉3的直径大于质量块2上安装光纤光栅7的固定槽的宽度，且可调谐螺钉3与质量块2之间的间距范围为O?0.5mm。通过可调谐螺钉3端头与质量块2端面之间的间距，控制质量块2能够上下位移的幅度，限制光纤光栅7的应变不超过其工作应变范围而导致光纤加速度计损坏，同时也实现了光纤加速度计量程的可调谐。
[0028]例如本发明光纤加速度计采用工作应变范围O?5000 μ ε的光纤光栅7作为敏感元件，在加速度IOg的情况下质量块2的位移为0.25mm、光纤光栅7的应变为2500 μ ε ；通过可调谐螺钉3将质量块的位移幅度限制在0.25mm,即保了 IOg的量程，又将光纤光栅7的应变限制在O?2500 μ ε，保证了光纤光栅7的安全工作。
[0029]如图4所示为本发明差动式双光栅结构的光纤加速度计中的敏感光纤光栅进行聚酰亚胺涂覆的示意图，两根光纤光栅7的外表面设有涂敷层8，例如涂敷层8为聚酰亚胺材料，涂敷层8的厚度为50-100 μ m。本发明采用浸蘸法或沉降法在未涂覆的普通光纤光栅表面均匀涂覆一层聚酰亚胺材料，经过涂覆的光纤光栅7的抗拉伸性能比未涂覆或普通涂覆的光纤光栅会有很大提高，其可承受的应变能提高到了 ΙΟΟΟΟμ ε，工作应变范围为O?5000 μ ε，这既增加了光纤加速度计的安全性也同时提高了光纤加速度计的量程。
[0030]如图5所不为本发明差动式双光栅结构的光纤加速度计中的敏感光纤光栅的安装及预应变的加载示意图，光纤光栅7在安装时进行了预应变加载，并采用粘贴胶9在光纤光栅7的两端进行固定。
[0031]本发明光纤加速度计中的敏感光纤光栅7安装在质量块2和固定块5的固定槽中，在安装光纤光栅7时，对光纤光栅7施加了固定值的预应变以保证在一定测量范围内光纤光栅7都能有效正常工作。安装过程为:首先采用高弹性模量和高粘接性能的粘接胶9把光纤光栅7的一端固定；待粘接胶9凝固完成后，再通过拉伸光纤光栅7的另一端对其加载预应变，所加载预应变的大小与光纤光栅7承受应变强度有关；在加载应变的同时，用粘接胶9对光纤光栅的另一端进行固定粘贴；待粘接胶9凝固后卸除所加载的应变，为了提高可靠性，粘贴点进行了冗余设计，即光纤光栅的每端都有两个固定点，如图5所示。因为光纤光栅7在受应变拉伸的情况下进行了固定，所以即使所加载应变去除，两固定点之间也保留了所施加的预应变，这样就成功实现了对光纤光栅7的安装和预应变加载。
[0032]以上所述，仅为本发明最佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0033]本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
【权利要求】
1.一种差动式双光栅结构的光纤加速度计，其特征在于:包括外壳(I)、两个质量块(2)、两个可调谐螺钉(3)、固定底板(4)、两个固定块(5)、弹性片(6)和两根光纤光栅(7)，其中两个质量块(2)上均开有固定槽，且上下对称放置，两个固定块(5)上也均开有固定槽，且上下对称放置，两根光纤光栅(7)的一端分别固定于两个质量块(2)的固定槽中，另一端分别固定于两个固定块(5)的固定槽中并从所述固定槽中穿出；固定块(5)和质量块(2)通过弹性片(6)连接，固定块(5)安装于固顶底板(4)上，质量块(2)悬空，外壳(I)与固顶底板(4 )固定连接将质量块(2 )、固定块(5 )和弹性片(6 )密封其中，两根光纤光栅(7 )的一端穿过外壳(I)并向外伸出，两个可调谐螺钉(3)分别穿过外壳(I)和固定底板(4)对质量块(2)进行限位。
2.根据权利要求1所述的一种差动式双光栅结构的光纤加速度计，其特征在于:所述两根光纤光栅(7)的外表面设有涂敷层(8)，涂敷层(8)的厚度为50?100 μ m。
3.根据权利要求2所述的一种差动式双光栅结构的光纤加速度计，其特征在于:所述两根光纤光栅(7)外表面的涂敷层(8)为聚酰亚胺材料。
4.根据权利要求1所述的一种差动式双光栅结构的光纤加速度计，其特征在于:所述两个可调谐螺钉(3)分别固定在外壳(I)和固定底板(4)上对应于质量块(2)的位置，且可调谐螺钉(3)的直径大于质量块(2)上安装光纤光栅(7)的固定槽的宽度。
5.根据权利要求1?4任一权利要求所述的一种差动式双光栅结构的光纤加速度计，其特征在于:所述可调谐螺钉(3)与质量块(2)之间的间距范围为O?0.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种差动式双光栅结构的光纤加速度计，其特征在于:所述光纤光栅(7 )在安装时进行了预应变加载，并采用粘接胶(9 )在光纤光栅(7 )的两端进行固定。
【文档编号】G01P15/03GK103675340SQ201310712441
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】唐才杰, 李保勇, 崔留住, 王学锋, 卞贺明 申请人:北京航天时代光电科技有限公司