光纤光栅微振动传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种用于微弱振动信号检测的光纤光 栅微振动传感器。 技术背景
[0002] 光纤光栅微振动传感器是利用外界信号调制于光纤布拉格光栅，导致光纤布拉格 光栅中应变发生变化，从而导致反射光的中心波长发生变化，通过探测中心波长的变化探 测外界微弱振动信号的加速度量的传感器。光纤光栅微震动传感器相对于常规的电磁类 传感器，在灵敏度、大动态范围、可靠性、复用能力等方面具有明显的优势，可应用于设备的 微弱振动监测、微地震监测、振动安防等领域，成为高性能微振动传感器发展的一个重要方 向。
[0003] 黄云岗等一种基于光纤光栅的光纤微振动传感器，利用悬浮光纤光栅与被测物的 共振对被测物的振动幅度进行放大，但光纤光栅自身质量轻、刚度大，且应变不均匀，因此 该结构灵敏度放大有限，灵敏度较低，光栅光谱容易展宽，造成信号失真。
[0004] 王兵等报道了一种光纤传感式油气探测地震检波器探头，采用L型梁结构，通过L 型梁的放大作用，可以获得很高的灵敏度。采用该种结构的高灵敏度传感器，结合高分辨率 波长解调技术，可以实现微振动信号的探测，但该种传感器在受到较大振动冲击时，极易将 光纤拉断，由于光纤的允许伸长量极其微弱，且L型梁等机械结构的位移受光纤伸长量的 限制，非常微小，因此需要极其精密的机械结构来限制振动幅度，一般难以实现。此外，该种 结构也会放大外界温度变化对光纤光栅波长的影响，导致较高的温度漂移。
[0005] 张文涛等报道了一种温度不敏感的光纤光栅加速度传感器，采用安装在转轴上的 L型杠杆放大灵敏度，并通过高热膨胀系数弹簧进行温度补偿。该种传感器很难彻底消除L 型杠杆与转轴之间的摩擦，因此存在响应阈值，不适合对微弱振动信号进行探测。此外，该 种传感器也存在受到较大冲击时，容易拉断光纤的问题。
[0006] 因此，如何改进光纤光栅微振动传感器的结构，在有效放大灵敏度的同时，使其在 受到较大振动冲击时不易损坏，提高可靠性，并兼具温度不敏感和低响应阈值的特性，以满 足实际工程应用的需要，是该类传感器实用化需要解决的问题。
【发明内容】
[0007] 本发明的主要目的在于提供一种光纤光栅微振动传感器，兼具高灵敏度、抗振动 冲击、温度不敏感和低响应阈值的特性，以满足实际应用的需要。
[0008] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种光纤光栅微振动传感器， 其特征在于，它包括：一支座，支座为U字型结构，具有第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁的内 侧具有第一台阶；第二侧壁顶端有向第一侧壁延伸的横梁，在第二侧壁的外侧设置有第二 台阶和第三台阶，在第二台阶上设置有调节梁，在第三台阶上固定设置有补偿柱；第二侧壁 上开有竖直槽；在支座上设置有倒T型的弹性片，弹性片的头部固定在第一侧壁内侧的第 一台阶上，弹性片的尾部固定连接上质量块和下质量块，上质量块和下质量块对称安装于 弹性片上下两侧；弹性片的中部设置有一向上的折起片，在折起片上设置有第一微孔；调 节梁包括竖板和横板，竖板底部设置有凸缘，在第二台阶上设置有导槽，凸缘与导槽相适配 使调节梁的凸缘在导槽中枢转；调节梁的竖板顶部设置有第二微孔，调节梁的竖板通过第 一紧固螺钉与支座的第二侧壁连接，调节梁和第二侧壁之间设置有第一弹性垫片，第一紧 固螺钉使第一弹性垫片产生形变；调节梁的横板通过第二紧固螺钉与补偿柱连接，且第二 紧固螺钉与调节梁的横板之间装有第二弹性垫片，第二紧固螺钉穿过第二弹性垫片和横板 旋入到补偿柱上的螺纹孔中；光纤光栅依次穿过第一微孔，竖直槽和第二微孔，并在第一微 孔处与折起片固定在一起，在第二微孔处与调节梁固定在一起。
[0009] 本方案的具体特点还有，所述弹性片为中间带有折起的长方型薄片，所述折起片 通过在弹性片上切割并向上弯折形成。
[0010] 在弹性片上设置有调节框，用于调节弹性片的抗弯强度。
[0011] 所述上质量块上开有供光纤光栅穿过的第一长槽，在下质量块上开有与第一长槽 对应的第二长槽。
[0012] 所述补偿柱由高膨胀系数材料制成，即补偿柱所用材料的膨胀系数大于支座所用 材料的膨胀系数2倍以上。
[0013] 对所述光纤光栅中施加一定的预拉力，且预拉力大于传感器最大量程对应的光纤 光栅的拉伸量。
[0014] 在横梁上安装有至少一个限位螺钉，限位螺钉下端位于上质量块的上方。
[0015] 所述横梁与限位螺钉之间装有第三弹性垫片。
[0016] 本发明具有以下有益效果：1、本发明提供的这种光纤光栅微振动传感器，由上下 质量块和弹性片构成灵敏度放大结构，可以获得很高的灵敏度，没有摩擦，理论响应阈值为 零，同时采用倒T型结构的弹性片，使上下质量块与光纤之间，存在弹性缓冲，从而使质量 块的振动幅度不受光纤伸长量的限制，上下质量块可以具有较大的位移，这就大大降低了 限振的难度和实现成本，进而通过横梁限振结构实现了上下质量块振动幅度的限制，保证 在传感器受到较大振动冲击时，不会拉断光纤，提高了传感器的可靠性。
[0017] 2、本发明提供的这种光纤光栅微振动传感器，可以方便的通过改变弹性片上方框 的宽度、折起的宽度以及上下质量块的质量，改变传感器的灵敏度和谐振频率，特别是可以 通过调节以上参数，使传感器工作在谐振频率，利用谐振进一步提高灵敏度，而由于存在有 效的限振结构，不会损坏传感器。
[0018] 3、本发明提供的这种光纤光栅微振动传感器，补偿柱随温度变化产生的形变可以 通过调节梁的L型结构放大，改变光纤光栅的拉伸状态，从而补偿传感器整体结构随温度 变化产生形变造成的光纤光栅波长变化以及光纤光栅本身波长的温度漂移。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明提供的光纤光栅微振动传感器的结构示意图。图2是本发明提供的 光纤光栅微振动传感器的正视图。图3是本发明提供的光纤光栅微振动传感器的支架10 的剖视图。图4是本发明提供的光纤光栅微振动传感器的弹性片20机械加工件的正视图。 图5是本发明提供的光纤光栅微振动传感器的弹性片20的示意图。图6是本发明提供的 光纤光栅微振动传感器的调节梁40的示意图。图7是本发明提供的光纤光栅微振动传感 器的补偿柱50的剖视图。图8是本发明提供的光纤光栅微振动传感器的上质量块30的示 意图。
[0020] 图中：10_支座；11-第一侧壁；12-第二侧壁；13-第一台阶；14-横梁；15-第二台 阶；16-第三台阶；17-导槽；18-竖直槽；20-弹性片；21-折起片；22-第一微孔；23-调节 框；24-方框；30-上质量块；31-下质量块；32-第一长槽；40-调节梁；41-第一紧固螺钉； 42-第一弹性垫片；43-第二弹性垫片；44-第二紧固螺钉；45-第二微孔；46-凸缘；50-补 偿柱；60-光纤光栅；70-限位螺钉；71-第三弹性垫片。
【具体实施方式】
[0021] 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。
[0022] 如图1-2所不，本发明提供的一种光纤光栅微振动传感器，它包括：一支座10,如 图3所示，支座10为u字型结构，具有第一侧壁11和第二侧壁12,第一侧壁11的内侧具有 第一台阶13 ;第二侧壁12顶端有向第一侧壁11延伸的横梁14,在第二侧壁12的外侧设置 有第二台阶15和第三台阶16,在第二台阶15上设置有调节梁40,在第三台阶16上固定设 置有补偿柱50 ;第二侧壁12上开有竖直槽18,以便于光纤光栅60穿过；在支座10上设置 有倒T型的弹性片20,弹性片20的头部固定在第一侧壁11内侧的第一台阶13上，弹性片 20的尾部固定连接上质量块30和下质量块31，上质量块30和下质量块31对称安装于弹 性片20上下两侧，用于拾取振动信号；增大上质量块30和下质量块31的质量，可以提高传 感器的灵敏度，若所需上质量块30高度大于折起片21高度，则如图8所示，上质量块30上 进一步开有第一长槽32,以便光纤光栅60穿过，下质量块31上进一步开有与第一长槽32 类似的第二长槽33,以保证质量分布关于弹性片20对称。如图4-5所示，弹性片20的中部 设置有一向上的折起片21，在折起片21上设置有第一微孔22,用于固定光纤光栅60 ; 如图6所示，调节梁40包括竖板和横板，竖板底部设置有凸缘46,在第二台阶上设置有 导槽17,凸缘46与导槽17相适配使调节梁的凸缘46在导槽17中枢转；调节梁40的顶部 设置有第二微孔45。
[0023] 如图1所示，调节梁40通过第一紧固螺钉41与支座10的第二侧壁12连接，调节 梁40和第二侧壁12之间设置有第一弹性垫片42,第一紧固螺钉41使第一弹性垫片42产 生形变；横板通过第二紧固螺钉44与补偿柱50连接，且第二紧固螺钉44与横板之间装有 第二弹性垫片43,第二紧固螺钉44穿过第二弹性垫片43和横板旋入到补偿柱上的螺纹孔 中，第二紧固螺钉44使第二弹性垫片43产生形变；光纤光栅60依次穿过第一微孔22,竖直