本发明属于测量振动的技术领域，具体涉及一种基于悬臂梁结构的光纤光栅振动传感器。
背景技术：
光纤光栅是20世纪90年代发展起来的一种在光纤通讯、光纤传感及光信息处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。
光纤光栅传感技术已成为现代传感领域的一个重要研究方向，其在振动传感领域的应用也取得了一定的成就。光纤光栅传感器主要应用于桥梁等大型建筑结构的健康诊断和各种机械的故障诊断系统。
基于悬臂梁结构的光纤光栅振动传感器，该发明不但结构简单，而且能通过一根光纤光栅就能实现振动的测量和温度不敏感，从而节省了成本，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的目的在于将光纤光栅粘贴在悬臂梁对称位置的上下两表面，当测量振动时，悬臂梁会随着振动源同时振动，从而引起光纤发生形变引起光纤光栅布拉格波长的变化，通过测量布拉格波长的改变量来实现对振动的测量。
本发明通过以下技术方案实现：基于悬臂梁结构的光纤光栅振动传感器，由底座(1)，悬臂梁(2)，螺钉(3)，第一FBG光纤光栅(4)，第二FBG光纤光栅(5)，3dB耦合器(6)，光谱仪(7)，ASE光源(8)组成；悬臂梁(2)通过螺钉(3)与底座(1)固定，第一FBG光纤光栅(4)和第二FBG光纤光栅(5)通过胶粘剂粘贴在悬臂梁(2)的上表面和对称位置的下表面，光谱仪(7)和ASE光源(8)分别通过3dB耦合器(6)与光纤相连。当测量振动时，将底座固定在振动源上，悬臂梁会随着振动源同时振动，在力的作用下悬臂梁会发生形变带动光纤光栅伸长和收缩，从而引起其布拉格反射波长的变化。如果振动为简谐振动，则会引起布拉格波长的周期性变化，通过测得布拉格波长的改变量即可实现振动的测量。温度对光栅的影响主要来源于金属悬臂梁热膨冷缩导致的光纤光栅反射波长的漂移，本发明通过对称位置的两根光栅，金属导热快，铜制悬臂梁整体温度一致，可以使两根光栅总是处于相同温度环境下，当温度变化时，两根光栅的布拉格波长同向移动而相对位置不变，从而保证了两根光纤光栅的波谱位置匹配，几乎排除了温度的影响，而且可以提高振动传感器的灵敏度。
所述的悬臂梁(2)采用等腰结构设计。
所述的悬臂梁(2)的材料为金属铜薄片，梁长为100mm，固定端宽度为30mm，厚度为2mm。
所述的第一FBG光纤光栅(4)和第二光纤光栅(5)的中心波长分别为1550nm，1570nm。
本发明的工作原理是：对于等强度悬臂梁，悬臂梁的宽度沿长度L0是变化的，固定端宽度为b，厚度为h，俯视截面为等腰三角形，横截面为矩形。悬臂梁上未施加其它载荷，仅凭其自重作为载荷。
等强度悬臂粱结构的挠度微分方程为：
式(1)中，ω(x)为梁上相对于固定端距离为z位置处的挠度，M(x)为该处的弯矩，E为材料的弹性模量，Iz(x)为该位置对中性轴z的惯性矩，m为悬臂梁质量，g为重力加速度。
解微分方程并利用边界条件ω(0)＝0和ω′(0)＝0即可得到挠度公式：
无额外负载等强度粱的质心在距离固定端处，则共振频率的表达式：
根据材料力学中等强度梁的应变特性，悬臂梁上表面的应变ε与梁末端挠度ω(L0)的关系为：
刚性粘贴于悬臂梁上的光栅布拉格中心波长的相对漂移量与应变的关系为：
ΔλB光栅布拉格中心波长的相对漂移量，KT和Kt分别为光纤光栅的应变灵敏度和温度灵敏度。所以当悬臂梁(2)测量振动时产生形变，由于第一FBG光纤光栅(4)和第二FBG光纤光栅(5)分别刚性粘贴在悬臂梁(2)的对称位置的上下两表面，使得当悬臂梁振动时分别感受相同程度的拉伸和压缩应变，导致两者的布拉格波长存在一个反向的改变量，做到温度补偿。如果振动为简谐振动，则会引起布拉格波长的周期性变化，通过测得布拉格波长的改变量即可实现振动的测量。
本发明的有益效果是：本发明的设计中悬臂梁结构传感器中的梁我们采用等腰结构设计，分别将光纤光栅粘贴在梁的上表面与对称的下表面，悬臂梁由于振动源的振动将会发生形变，由于光纤光栅刚性粘贴在其表面，会随着梁一起发生形变，基于我们设计的特殊结构的悬臂梁，使得当悬臂梁振动时两根光纤光栅分别感受相同程度的拉伸和压缩应变，当温度变化时，两根光栅的布拉格波长同向移动而相对位置不变，从而保证了两根光纤光栅的波谱位置匹配，几乎排除了温度的影响，而且可以提高振动传感器的灵敏度，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。
附图说明
图1是基于悬臂梁结构的光纤光栅振动传感器结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，由底座(1)，悬臂梁(2)，螺钉(3)，第一FBG光纤光栅(4)，第二FBG光纤光栅(5)，3dB耦合器(6)，光谱仪(7)，ASE光源(8)组成；悬臂梁(2)通过螺钉(3)与底座(1)固定，第一FBG光纤光栅(4)和第二FBG光纤光栅(5)通过胶粘剂粘贴在悬臂梁(2)的上表面和对称位置的下表面，光谱仪(7)和ASE光源(8)分别通过3dB耦合器(6)与光纤相连。本发明的工作原理是：将底座固定在振动源上，悬臂梁会随振动源同时振动，在力的作用下悬臂梁会发生形变带动光纤光栅伸长和收缩，从而引起其布拉格反射波长的变化。通过测得布拉格波长的改变量即可实现振动的测量。基于我们设计的特殊结构的悬臂梁，使得当悬臂梁振动时两根光纤光栅分别感受相同程度的拉伸和压缩应变，当温度变化时，两根光栅的布拉格波长同向移动而相对位置不变，从而保证了两根光纤光栅的波谱位置匹配，几乎排除了温度的影响，而且可以提高振动传感器的灵敏度。