一种基于光纤悬臂梁的光纤光栅加速度传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅的小型化加速度传感器。为了使传感器结构更加简约有效，提高频响能力，提升长期可靠性，减小尺寸，本实用新型设计了一种基于多光纤结构悬臂梁的光纤光栅加速度传感器，即悬臂梁也是由光纤本身构成。
【背景技术】
[0002]振动测量与试验一直是工程技术界重视的课题，对于航空航天、动力机械、交通运输、军械兵器、能源工业、土木建筑、电子工业、环境保护等尤为重要。振动直接影响着机器(或结构)的运行稳定性、安全性，人体感觉的舒适性，直接影响着生产的有效性和精确性。根据被测参数的不同，可将测试传感器分为位移计、速度计、加速度计、力传感器等种类，而其中加速度计则是测量动态特性的关键器件。高质量的测试仪器、设备及现代化的测试方法是随着生产的需要发展起来的，光纤加速度传感器是从上世纪八十年代发展起来的一种新型传感器，相比于电子式加速度传感器，在多点测量和部分应用背景下拥有明显的优势。近十几年来在国内外科研工作者的努力下，已出现了众多不同类型的光纤加速度传感器，从基本原理上可将其分为强度调制型、相位调制型、带宽调制型和波长调制型等，其中带宽调制本质上也是属于波长调制一类，不同的是其将加速度物理量转换为光栅的反射峰带宽而不是中心波长的漂移量。除了这些基本分类之外，还出现了光纤激光器型等新结构的光纤加速度计。在实际工程应用方面，也有一些公司推出了较为实用的传感器产品，如用于高压高温石油井下勘探的三分量光纤加速度计垂直阵列系统、基于Michelson干涉仪的三维光纤加速度计岸基阵列系统等。为了使传感器结构更加简约有效，提高频响能力，提升长期可靠性，减小尺寸，本实用新型设计了一种基于多光纤结构悬臂梁的光纤光栅加速度传感器，即悬臂梁也是由光纤本身构成。
[0003]虽然加速度传感器的结构多种多样，但就其基本原理来说，主要是以牛顿第二运动定律(惯性定律)作为理论基础。在理想情况下，每个传感探头就是一个标准的质量惯性体系，利用体系的受迫振动特性来进行振动测量。总体来说，基于类悬臂梁结构的光纤加速度传感器是被研究的较为广泛的一种类型，它具有结构简单、可靠性高等其余种类结构所无法比拟的优势。目前，公知的绝大多数光纤光栅加速度传感器都是基于各种类型的弹性梁结构，如弹簧钢材料的变截面梁、双孔梁、弓形梁、L形梁等，以实现增敏、提高频响范围的作用。但是复杂机构的引入不可避免的增大了传感器的尺寸和重量，一定程度上增加了传感器的故障率，且光纤与其他材料的胶水粘接的长期稳定性不高。为了使传感器结构更加简约有效，提高频响能力，提升长期可靠性，减小尺寸，本实用新型设计了一种基于多光纤结构悬臂梁的光纤光栅加速度传感器，即悬臂梁也是由光纤本身构成。
【发明内容】
[0004]为了使传感器结构更加简约有效，提高频响能力，提升长期可靠性，减小尺寸，本实用新型设计了一种基于多光纤结构悬臂梁的光纤光栅加速度传感器，即悬臂梁也是由光纤本身构成。
[0005]本实用新型解决其技术问题所采用的具体技术方案是:一种小尺寸的高频响能力的光纤光栅加速度传感器，该主体结构由质量块、光纤悬臂梁和基座组成。
[0006]所述的质量块采用耐久性的高分子材料制成，作为振子，其外形为圆柱体，内有孔洞，可插入光纤悬臂梁并固定。
[0007]所述的光纤悬臂梁由五根直径和材料均相同的光纤组成，其横截面成上二下三两排的五环形状排列，分别为第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤和第五光纤;光纤之间通过胶黏剂牢固粘接在一起;第一光纤、第二光纤、第三光纤和第五光纤为普通单模或多模光纤，主要起到支撑作用；第四光纤为单模光纤，其上刻写了光栅，作为光纤悬臂梁的一部分并起到感知加速度的作用。
[0008]所述的基座由普通金属材料制成，用于为光纤悬臂梁提供固定点，其可以为任意形状。
[0009]上述方案中，所述的第一光纤、第二光纤、第三光纤和第五光纤的长度仅为质量块到基座之间的一小段，第四光纤为实际有用的传感光纤，连接到传感器的尾纤上。
[0010]优选的，所述的光纤光栅的栅区长度小于5毫米。
[0011]优选的，所述的第四光纤上的光栅在安装时处于紧邻基座的位置。
[0012]优选的，所述的光纤悬臂梁的五根光纤之间通过高强度玻璃胶粘接，或其它专用于石英玻璃粘接的胶黏剂粘接。
[0013]优选的，所述的含有光纤光栅的第四光纤的端面研磨成一定的角度，以减小端面反射光对解调系统的干扰。
[0014]本实用新型的有益效果是。
[0015]1、采用全光纤结构的悬臂梁作为弹性梁，光纤光栅亦为组成悬臂梁的一部分，有效减小的结构尺寸。
[0016]2、悬臂梁为同种石英玻璃材料，特性单一，采用专用胶黏剂可大幅提升结构的长期稳定性。
[0017]3、横截面成上下两排的五环形状排列，传感光栅处于中间一环的光纤上，因此可以在保证高横向抑制比的情况下获得较高的响应灵敏度。
【附图说明】
[0018]图1是本实用新型所述加速度传感器主体结构示意图的侧视图。
[0019]图2是本实用新型所述加速度传感器主体结构示意图的斜视图(不含基座3)。
[0020]图3是本实用新型所述加速度传感器主体结构示意图中光纤悬臂梁2的横截面正视图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步介绍。
[0022]参见图1所示，本实用新型所述加速度传感器主体由质量块1、光纤悬臂梁2、基座3组成。
[0023]参见图3所示，所述光纤悬臂梁2由第一光纤21、第二光纤22、第三光纤23、第四光纤24和第五光纤25构成。
[0024]所述的第四光纤24为单模光纤，其上刻写了光栅，为加速度感知器件。
[0025]所述的光纤光栅所处的第四光纤24位于光纤悬臂梁2结构的X轴中性层上，因此对X轴方向的弯曲不敏感。
[0026]所述的光纤光栅所处的第四光纤24偏离光纤悬臂梁2结构的Y轴中性层，因此对Y轴方向的弯曲敏感，即Y轴方向的弯曲会导致光栅波长的漂移。
[0027]因此，所述的加速度传感器的振动测量方向为Y方向，且具有高横向抑制比。
[0028]所述加速度传感器的制作过程为。
[0029]1、截取一定长度的四段普通单模或多模光纤，除去涂覆层，端面切平。
[0030]2、取含有光栅的单模第四光纤24，光栅前部留一定长度光纤截断，保证组装时光栅的位置靠近固定端。
[0031]3、第四光纤24除去相同长度的涂覆层，端面抛磨一定的角度。
[0032]4、将第一光纤21、第二光纤22、第三光纤23、第四光纤24和第五光纤25排列成上二下三两排的五环形状，使第四光纤24处于第二排中间位置，并使五根光纤端面齐平。
[0033]5、通过专用胶黏剂粘接光纤，固化后构成光纤悬臂梁2。
[0034]6、将质量块I通过胶黏剂固定在光纤悬臂梁2顶端，并将整个结构粘接在基座3上，完成制作。
[0035]在实际应用时，所述加速度传感器主体结构外部还需经过金属外壳封装和尾纤光缆封装。
【主权项】
1.一种基于光纤悬臂梁的光纤光栅加速度传感器，包括质量块(1)、光纤悬臂梁(2)、基座(3)，其特征在于，所述的质量块(I)作为振子，安装在悬臂梁顶端;所述的光纤悬臂梁(2)完全由光纤组成，且刻写了光栅的光纤是作为悬臂梁的一个组成部分;所述的基座(3)提供光纤悬臂梁的固定点。2.根据权利要求1所述的基于光纤悬臂梁的光纤光栅加速度传感器，其特征是:所述的质量块(I)由耐久性的高分子材料制成，外形为圆柱体。3.根据权利要求1所述的基于光纤悬臂梁的光纤光栅加速度传感器，其特征是:所述的光纤悬臂梁(2)由五根直径和材料均相同的光纤组成，分别是第一光纤(21)、第二光纤(22)、第三光纤(23)、第四光纤(24)和第五光纤(25);其横截面成上二下三成两排的五环形状排列，光纤之间通过胶黏剂牢固粘接在一起。4.根据权利要求1所述的基于光纤悬臂梁的光纤光栅加速度传感器，其特征是:所述的光纤悬臂梁(2)的第四光纤(24)上刻有光栅，其它四根光纤为同种单模光纤或者多模光纤。5.根据权利要求1所述的基于光纤悬臂梁的光纤光栅加速度传感器，其特征是:所述的第四光纤(24)上的光栅，其栅区长度小于5毫米，且安装时处于紧邻基座(3)的位置。6.根据权利要求1所述的基于光纤悬臂梁的光纤光栅加速度传感器，其特征是:所述的第四光纤(24)的端面研磨成一定角度。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于光纤悬臂梁的光纤光栅加速度传感器，属于光纤传感技术领域。它的主体结构由质量块1、光纤悬臂梁2、基座3组成。其中，质量块1作为振子，外形为圆柱体，固定在光纤顶端。光纤悬臂梁2由五根直径和材料均相同的光纤组成，其横截面成上二下三两排的五环形状排列，并在中间的一根光纤写上光栅。基座3为金属底座，起固定光纤悬臂梁的作用。因为光纤光栅处于横向的中性层上，而偏离纵向的中性层，因此光纤布拉格波长仅对纵向的振动有响应。本实用新型结构简单，灵敏度高，横向抑制比高，易制作，具有较高应用价值。
【IPC分类】G01P15/03
【公开号】CN205246695
【申请号】CN201521088800
【发明人】罗文国, 李冬, 陶思聪
【申请人】厦门彼格科技有限公司
【公开日】2016年5月18日
【申请日】2015年12月24日