一种光纤光栅加速度传感器及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光纤光栅加速度传感器及其制作方法，尤其涉及一种光纤光栅加 速度传感器及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 近几年来，越来越多的工业应用中要求对振动加速度信号进行测量。加速度信号 的测量通常是利用惯性原理，通过感知惯性力所产生的位移或者应变而测得相应的加速 度。针对目前一些特殊应用领域，例如航空航天的制导系统、石油勘探的地震检波系统、桥 梁建筑的结构检测系统、交通情况监测系统等，急需具有抗电磁干扰、高灵敏度、大动态范 围、易复用的高性能加速度传感装置。而基于光调制机理的光纤加速度传感器在这些方面 展现了良好的应用前景，因此相对基于机电、压电方法的传统加速度传感器，正在受到越来 越多的重视。
[0003] 一般地，光纤加速度传感器主要包括强度调制型、相位调制型和波长调制型等几 种调制类型。常见地，基于光纤悬臂梁结构的强度调制型加速度传感器具有结构简单、解调 易于实现、制作成本低等优点，但是通过悬臂梁的微弯变化进行光强度的调制，其检测精度 和动态范围不高。而基于光纤顺变柱体结构的相位调制型加速度传感器，利用顺变柱体作 为弹性媒介，将加速度应变转化为传感光纤中光波的相位变化，因此能够实现高精度、大动 态范围的加速度信号检测，但是由于顺变柱体橡胶材料性能稳定性比较差，容易老化变形 且不耐高温，导致传感器的灵敏度一致性不好，此外，顺变柱体的体积质量较大，不宜于传 感器的小型化发展。光纤光栅波长调制型加速度传感器是近几年快速发展起来的一种加速 度传感器，它具有灵敏度高、动态范围大、体积小、结构简单等特点，并且通过波长调制解调 方式，不仅可以避免光强起伏的影响，而且能够在一根光纤上实现多个传感器的复用，形成 分布式传感网络。
[0004] 光纤光栅波长调制型加速度传感器的传感机理是利用光栅作为核心元器件，通 过适当的信号转换装置，将加速度信号转变为光纤光栅的应变信号，此应变信号会改变光 纤光栅的折射率调制周期和纤芯有效折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射中心波长变 化，因此通过对光栅中心波长的检测就能得出外界加速度信号。
[0005] 目前，光纤光栅波长调制型加速度传感器主要有基于顺变体和弹性梁两种结构类 型，对于顺变体结构的光栅加速度传感器，由于传感光栅是完全地包裹在顺变体内，因此光 栅不仅对轴向应变很敏感，而且对横向应变也很敏感，而横向应变将导致光纤中的双折射 现象，并使得传感光栅的反射峰发生分裂，从而影响测量精度。对于弹性梁结构的光栅加速 度传感器，为了避免弹性梁在受力振动时其上各处应变分布不均匀，所导致的埋在梁上的 光栅出现啁嗽现象，因此需要复杂的设计加工以保证弹性梁为等强度梁，此外，顺变体和弹 性梁结构体积比较大，不易于小型化封装。
[0006] 鉴于以上技术问题，有必要提供一种精度高、结构简单、体积小的光纤光栅加速度 传感器以克服以上技术缺陷。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤光栅加速度传感器及其制作方法，具 有结构紧凑、体积小、灵敏度一致性好、测量精度高的特点。
[0008] 本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种光纤光栅加速度传感 器，包括质量块、弹簧、光纤光栅以及固定底板，所述质量块与固定底板上均开有安装槽和 光纤通孔，所述安装槽分别位于质量块下表面与固定底板上表面的边沿位置，所述光纤通 孔位于质量块与固定底板的中心位置，且质量块上表面与固定底板下表面的光纤通孔处分 别开有填胶槽；所述弹簧两端分别安装固定在质量块与固定底板的安装槽上；所述光纤光 栅位于弹簧的内部且其尾纤部分从质量块和固定底板的光纤通孔中引出，所述填胶槽内灌 设有密封胶将光纤光栅两端与质量块和底板固定。
[0009] 上述的光纤光栅加速度传感器，其中，所述质量块、弹簧、光纤光栅外设有套筒，使 得质量块与弹簧仅沿套筒轴线方向振动，所述套筒上端与顶盖固定相连，所述套筒下端与 固定底板相连；所述顶盖中心开设有光纤通孔，所述光纤光栅的尾纤由顶盖中心处的光纤 通孔引出，并与外部高速波长解调单元相连。
[0010] 上述的光纤光栅加速度传感器，其中，所述弹簧由碳素弹簧钢丝绕制而成，所述质 量块的形状为圆柱体，材料为黄铜。
[0011] 上述的光纤光栅加速度传感器，其中，所述圆柱体质量块的直径为12mm、厚度为 6mm ;所述套筒内径为14mm、外径为18mm、高度为30mm ;所述碳素弹簧钢丝直径为I. 6mm，弹 簧中径为8mm，自由高度为18mm，有效圈数为5. 5圈，弹簧刚度为23N/mm〇
[0012] 上述的光纤光栅加速度传感器，其中，所述光纤光栅包括普通单模光纤，所述普 通单模光纤上刻有切趾光栅，所述切趾光栅具有裸露包层，所述裸露包层的长度为20~ 30mm〇
[0013] 上述的光纤光栅加速度传感器，其中，所述安装槽的形状为圆环形，其内径为6_、 外径为10mm、深度为1mm0
[0014] 上述的光纤光栅加速度传感器，其中，所述光纤通孔直径为1_，所述填胶槽的直 径为5_、深度为I. 5_。
[0015] 本发明为解决上述技术问题还提供一种上述光纤光栅加速度传感器的制造方法， 包括如下步骤：首先将弹簧的两端分别安装在质量块与固定底板的安装槽上，并在安装槽 处灌入密封胶进行固化；然后将光纤光栅的尾纤，由下向上依次穿过固定底板、质量块的光 纤通孔，使得光纤光栅中心大致位于弹簧的中心位置，并在固定底板、质量块的填胶槽处灌 入密封胶进行固化，使得光纤光栅的两端与质量块和固定底板固定连接，从而整体形成一 个光纤光栅弹簧振子结构；接着剪去固定底板下端多余的光纤部分，将顶盖和套筒上端相 连，构成光纤光栅加速度传感器外壳；最后将光纤光栅的尾纤，从顶盖的光纤通孔中引出， 并将上述光纤光栅弹簧振子装入传感器外壳内，将套筒下端与固定底板相连，从而完成整 个光纤光栅加速度传感器的制作。
[0016] 上述的光纤光栅加速度传感器的制造方法，其中，所述密封胶为环氧密封胶，在固 化过程中，光纤光栅始终加载有预应变，固化温度为80°C，固化时间为30分钟。
[0017] 上述的光纤光栅加速度传感器的制造方法，其中，所述顶盖通过螺纹方式拧入到 套筒内，所述套筒下端也通过螺纹与固定底板连接，螺纹上均涂覆有螺纹紧固胶。
[0018] 本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的光纤光栅加速度传感器及 其制作方法，由质量块、弹簧、光纤光栅以及固定底板四部分组成弹簧振子结构，所述光纤 光栅位于弹簧的内部且其尾纤部分从质量块和固定底板的光纤通孔中引出，从而整体形成 一个光纤光栅弹簧振子结构，具有结构紧凑、体积小、灵敏度一致性好、测量精度高的特点。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明光纤光栅加速度传感器结构示意图；
[0020] 图2为本发明的光纤光栅加速度传感器中质量块的结构示意图；
[0021] 图3为本发明的光纤光栅加速度传感器中固定底板的结构示意图；
[0022] 图4为本发明的光纤光栅加速度传感器波长变化曲线图；
[0023] 图5为本发明的光纤光栅加速度传感器的加速度线性响应特性图。
[0024] 图中：
[0025] 1质量块 2弹簧 3光纤光栅
[0026] 4固定底板 5套筒 6顶盖
[0027] 7尾纤 8、9、10光纤通孔 11、12密封胶
[0028] 101、201 填胶槽 102、202 安装槽
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
[0030] 图1为本发明光纤光栅加速度传感器结构示意图。
[0031] 请参见图1，本发明提供的光纤光栅加速度传感器，该弹簧振子结构由质量块1、 弹簧2、光纤光栅3以及固定底板4四部分组成。所述质量块1与固定底板4上均开有弹簧 安装槽和光纤通孔，弹簧安装槽分别位于质量块1下表面与固定底板4上表面的边沿位置。 如图2所示，质量块1上表面的中心位置开有光纤通孔9,质量块上表面的光纤通孔9处开 有填胶槽101，质量块1下表面的边沿处开有弹簧安装槽102。如图3所示，固定底板4下 表面的中心位置开有光纤通孔10,固定底板下表面的光纤通孔10处开有填胶槽201，固定 底板4上表面的边沿处开有安装槽202。所述弹簧2为碳素弹簧钢丝绕制而成，也可是根据 设计需要通过机械加工而成，弹簧2两端分别安装固定在质量块1与固定底板4的安装槽 上；所述光纤光栅3种类不限，包括均匀光纤光栅、相移光纤光栅、变迹光纤光栅、超结构光 纤光栅，光纤光栅3的尾纤部分从质量块1和固定底板4的光纤通孔中引出，使得光纤光栅 3位于弹簧2的内部，通过在填胶槽处灌封胶的方式将光纤光栅3两端与质量块1和底板4 固定，从而整体形成一个光纤光栅弹簧振子结构。
[0032] 本发明提供的光纤光栅加速度传感器，所述光纤光栅加速度传感器进一步包括有 传感器套筒5和顶盖6,所述套筒5内壁光滑，其内径比质量块1外径稍大，保证弹