一种基于扭转光纤光栅的二维振动传感器的制作方法

本发明属于振动测量领域，具体涉及一种基于扭转光纤光栅的二维振动传感器。

背景技术：

近年来，光纤光栅传感器以轻巧安全，抗电磁干扰能力强，耐高温耐腐蚀等优势获得迅速的发展。目前常见的光纤光栅二维振动加速度传感器主要以下两类，一是使用膜片、弹性片或弹簧等结构来承受加速度带来的外力，通过光纤光栅测量弹性结构的应变来测量加速度，二是直接采用光纤光栅作为承受加速度所引起的惯性力的弹性体，通过光栅波长漂移量来获得加速度大小。这两类光纤光栅加速度传感器中光纤光栅的受力形态多为受拉伸或压缩。

大多数光纤光栅二维振动传感器通过两个垂直的测量方向的加速度矢量合成法来获得二维加速度，但许多传感器的两个测量方向上灵敏度不同，这会使得所合成的总加速度不够准确。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于扭转光纤光栅的二维振动传感器，该传感器利用长周期光纤光栅扭转特性来获得测量信号，提高了灵敏度和测量精度。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于扭转光纤光栅的二维振动传感器，包括用于固定在被测物体上的基座，基座上安装有两个轴承座，两个轴承座通过轴承分别配合有一对平行的扭杆，两个扭杆的一端固定在基座上、另一端伸出轴承座，两个扭杆分别对应两个长周期光纤光栅，长周期光纤光栅分别固定在对应扭杆的伸出端和基座上且与对应扭杆同心，尾纤经过基座上的通孔引出，一个扭杆的伸出端处设有垂直于扭杆且水平的质量块、另一个扭杆的伸出端处设有垂直于扭杆且竖直的质量块。

进一步地，质量块呈柱形。

进一步地，质量块通过连接杆固定在夹紧环上，夹紧环夹紧固定在扭杆的伸出端。

进一步地，连接杆的两端通过螺纹分别与质量块和夹紧环连接。

进一步地，扭杆的伸出端端面上和基座上均设有光纤固定槽，长周期光纤光栅通过胶固定在光纤固定槽上。

进一步地，扭杆为等直圆杆。

进一步地，扭杆的固定端设有扭杆底座，扭杆底座通过螺钉固定在基座上。

进一步地，轴承座通过螺钉固定在基座上。

进一步地，轴承为滚动轴承。

本发明的有益效果是：

将基座水平固定在被测物体上，当被测物体发生竖直平面上的振动时，由于惯性，质量块对扭杆产生力矩和弯矩，扭杆末端的轴承限制了弯矩对扭杆的作用效果，扭杆只发生明显的扭转变形，并引起长周期光纤光栅发生相同的扭转，通过光纤光栅波长的漂移量和光纤光栅扭转率的关系，以及振动加速度和扭杆扭转角的关系，可得到光纤光栅波长的漂移量同振动加速度的关系，由此可通过测量光纤光栅波长漂移量来获得被测物体的振动量。本发明不同于以往光纤光栅传感器的光栅受拉或受压形式，而是利用长周期光纤光栅扭转特性来获得测量信号，提高了灵敏度，两个测量方向的灵敏度相同，能保证由矢量法则合成的加速度更为准确，提高测量的精度。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例中扭杆的结构示意图。

图3是本发明实施例中惯性机构(夹紧环、连接杆和质量块)的结构示意图。

图中：1-基座；2-内六角螺钉；3-扭杆；4-连接螺钉；5-轴承座；6-夹紧环；7-连接杆；8-质量块；9-胶；10-长周期光纤光栅；3-1.扭杆底座；3-2.螺钉孔；3-3.等直圆杆；3-4.光纤固定槽。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种基于扭转光纤光栅的二维振动传感器，包括用于固定在被测物体上的基座1，基座1上安装有两个轴承座5，两个轴承座5通过轴承分别配合有一对平行的扭杆3，两个扭杆3的一端固定在基座1上、另一端伸出轴承座5，两个扭杆3分别对应两个长周期光纤光栅10，长周期光纤光栅10分别固定在对应扭杆3的伸出端和基座1上且与对应扭杆3同心，尾纤经过基座1上的通孔引出，一个扭杆3的伸出端处设有垂直于扭杆3且水平的质量块8、另一个扭杆3的伸出端处设有垂直于扭杆3且竖直的质量块8。

将基座1水平固定在被测物体上，当被测物体发生竖直平面上的振动时，由于惯性，质量块8对扭杆3产生力矩和弯矩，扭杆3末端的轴承限制了弯矩对扭杆3的作用效果，扭杆3只发生明显的扭转变形，并引起长周期光纤光栅10发生相同的扭转，通过光纤光栅波长的漂移量和光纤光栅扭转率的关系，以及振动加速度和扭杆3扭转角的关系，可得到光纤光栅波长的漂移量同振动加速度的关系，由此可通过测量光纤光栅波长漂移量来获得被测物体的振动量。本发明不同于以往光纤光栅传感器的光栅受拉或受压形式，而是利用长周期光纤光栅10扭转特性来获得测量信号，提高了灵敏度，两个测量方向的灵敏度相同，能保证由矢量法则合成的加速度更为准确，提高测量的精度。

如图1和图3所示，在本实施例中，质量块8呈柱形。

如图1和图3所示，在本实施例中，质量块8通过连接杆7固定在夹紧环6上，夹紧环6夹紧固定在扭杆3的伸出端。连接杆7的两端通过螺纹分别与质量块8和夹紧环6连接。

如图1和图2所示，在本实施例中，扭杆3的伸出端端面上和基座1上均设有光纤固定槽3-4，长周期光纤光栅10通过胶9固定在光纤固定槽3-4上。

如图2所示，在本实施例中，扭杆3为等直圆杆3-3。

如图1和图2所示，在本实施例中，扭杆3的固定端设有扭杆底座3-1，扭杆底座3-1通过螺钉2固定在基座1上。

如图1所示，在本实施例中，轴承座5通过螺钉固定在基座1上。轴承为滚动轴承。

本发明实施例的工作原理是：

将传感器装置安装在被测物体上，当有沿着水平惯性装置方向的振动时，竖直的质量块8受到惯性力f为：

f＝ma(1)

其中，m为质量块8的质量、a为被测物体的振动加速度。

扭杆3受到的扭矩t为：

t＝fd＝mad(2)

其中，d为质量块8重心到扭杆3轴线的距离。

在扭矩的作用下，与竖直的质量块8相配合的扭杆3发生扭转变形，扭转角为：

其中，l为扭杆3的长度，g为扭杆3材料的切变模量，ip为扭杆3圆形横截面对圆心的极惯性矩，并且，

d为扭杆3直径。(4)

固定在扭杆3末端的#1lpg(一号光纤光栅，下同)在扭杆3的驱使下发生扭转变形，扭转角与扭杆3末端的扭转角相等，则#1lpg的扭转率τ为：

其中，l为两光纤固定点间的光纤长度。

根据长周期光纤光栅10的扭转特性，光纤光栅的波长漂移量δλ与扭转率具有良好的线性关系，即

δλ＝kτ(6)

其中，k为光纤光栅的扭转灵敏度，是与长周期光纤光栅10的色散因子和光纤参数有关的常数。

联立(2)(3)(5)(6)可得

对于水平的质量块8，当没有沿着竖直的质量块8的振动时，水平的质量块8由于重力作用，对扭杆3产生扭矩mgd，同前面的推导过程，可知，#2lpg(二号光纤光栅，下同)相对于初始波长的波长漂移量为：

当存在沿着竖直的质量块8的振动时，水平的质量块8对扭杆3的扭矩为mg+ma，此时，#2lpg相对于初始波长的波长漂移量为：

由沿着竖直的质量块8的振动引起的#2lpg的波长漂移量为：

对比(7)(10)可知，在传感器的两个振动测量方向上灵敏度是相同的。根据(7)(10)可通过光纤光栅波长漂移量实现对振动加速度的测量。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。