一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器，属于光电子测量技术领域。本实用新型质量块固定于钢管的顶部，钢管的底部固定于底座上，左弹性钢片、右弹性钢片分别置于钢管的左右两边，左弹性钢片、右弹性钢片的下端都固定于底座上，左弹性钢片、右弹性钢片的上端分别连接固定到质量块的左右两端，左光纤Bragg光栅、右光纤Bragg光栅串联焊接后分别粘贴到左弹性钢片、右弹性钢片，左光纤Bragg光栅、右光纤Bragg光栅的一端通过光纤连接，左光纤Bragg光栅、右光纤Bragg光栅另一端的导出光纤分别从底座一侧引出。本实用新型通过采用光纤Bragg光栅，具有较强的抗电磁干扰能力和耐腐蚀能力适用于对变压器的长期监测；结构简单，便于操作。
【专利说明】
-种光纤Bragg光栅高频加速度传感器
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种光纤化agg光栅高频加速度传感器，属于光电子测量技术领 域。
【背景技术】
[0002] 电力变压器的工作环境恶劣，且其工作效率比较低，因此存在很大的漏磁，形成较 强的电磁干扰，电力变压器的工作溫度很高，即使是外壳也可能达到70度左右的高溫。变压 器的振动监测环境处于高电压、高磁场、高溫度的恶劣环境中，变压器的振动频率范围大致 在10~2000化。目前可用于变压器振动检测的传感器基本都是电磁式传感器，常见的有电 满流传感器、压电传感器等，其共同特点就是抗电磁干扰能力差，信号远程传输能力弱。
[0003] 光纤传感器具有本质安全、具有抗电磁干扰、信号可远距离传输等优点，成为近年 来学者研究的热点。光纤传感器虽然在强电磁环境中进行变压器振动在线监测具有天然的 优势，但是目前的光纤传感器多用于静态量的检测，如火灾报警、应变测量等，能用于动态 测量的传感器非常少，光纤光栅加速度传感器是目前的一个研究热点。各种光纤光栅加速 度传感器发展迅速而且种类繁多。悬臂梁式光纤光栅加速度传感器因其结构简单性能稳 定，得到了众多学者的青睐，从初期将光栅直接贴附于悬臂梁到其衍伸结构（如两点固定 式），但悬臂梁自身难W实现高频范围测量，多数只能在低频范围应用，阻碍了其发展。
[0004] 通过采用光纤化agg光栅高频加速度传感器对电力变压器进行实时在线振动监测 时，需要考虑加速度传感器的构成，及避免过大的侧向干扰。
【发明内容】
[0005] 本实用新型提供了一种光纤化agg光栅高频加速度传感器，W用于解决对电力变 压器振动实时在线检测及解决对变压器振动实时在线检测时光纤化agg光栅高频加速度传 感器的结构、安装的问题。
[0006] 本实用新型的技术方案是：一种光纤化agg光栅高频加速度传感器，包括左光纤 Bragg光栅1、左弹性钢片2、光纤3、钢管4、底座5、质量块6、右弹性钢片7、右光纤化agg光栅 8、导出光纤9;其中质量块6固定于钢管4的顶部，钢管4的底部固定于底座5上，左弹性钢片 2、右弹性钢片7分别置于钢管4的左右两边，左弹性钢片2、右弹性钢片7的下端都固定于底 座5上，左弹性钢片2、右弹性钢片7的上端分别连接固定到质量块6的左右两端，左光纤 Bragg光栅1、右光纤化agg光栅8串联焊接后分别粘贴到左弹性钢片2、右弹性钢片7,左光纤 Bragg光栅1、右光纤化agg光栅8的一端通过光纤3连接，左光纤化agg光栅1、右光纤化agg光 栅8另一端的导出光纤9分别从底座5-侧引出。
[0007] 所述左光纤化agg光栅1粘贴在左弹性钢片2左侧，右光纤化agg光栅8粘贴在右弹 性钢片7右侧。
[000引所述左光纤化agg光栅1、右光纤化agg光栅8采用同一型号的光敏光纤制成。
[0009]本实用新型的工作原理是：
[0010] 当把传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，质量块6、钢管4、左弹性钢片 2、右弹性钢片7组成的弹性系统作受迫振动，结果质量块6带动钢管4、左弹性钢片2、右弹性 钢片7作应变变化，使得粘贴在左弹性钢片2、右弹性钢片7的两个光纤光栅和左弹性钢片2、 右弹性钢片7-起作应变变化，将导致左光纤化agg光栅1、右光纤化agg光栅8的波长产生相 应的变化，被测对象加速度的检测转化为对光纤化agg光栅波长的调制；其中，光纤化agg光 栅1粘贴在左弹性钢片2左侧，右光纤化agg光栅8粘贴在右弹性钢片7右侧，左光纤化agg光 栅1、右光纤化agg光栅8与左弹性钢片2、右弹性钢片7的粘贴方式有助于抵消振动的横向干 扰，传感器导出光纤9与FBG解码仪连接，构成光纤化agg光栅高频加速度传感器。
[0011] 本实用新型的数学模型分析如下：
[0012] 根据光纤光栅波长于应变变化关系式：
[0013]
[0014] 式中：Se为光纤应变灵敏度系数，ε为光纤化agg光栅应变，Δ λ为由应变引起的光 纤化agg光栅的波长移位，λ为光纤化agg光栅的中屯、波长。
[0015] 弹性系统中加速度与应变的关系：
[0019] 式(2)中，F为质量块受到钢管和弹性钢片作用的弹力和，m为质量块质量，S为弹性 钢片的横切面积，E为钢管的弹性模量(钢管和弹性钢片的弹性模量一样），dl、d2分别钢管的 内径和外径。式(3)给出了光纤光栅波长改变量与加速度的线性变化关系。
[0020] 根据式公式(3)传感器加速度灵敏度：
[0021]
[0022] 根据本实用新型的设计，光纤化agg光栅与弹性钢片的粘贴方式有助于抵消振动 的横向干扰，得到A λ的修正公式；
[0023] Δλ=( Δλι+Δλ2)/2 (5)
[0024] 式(5)中Δλι为左光纤化agg光栅的中屯、波长变化值，Δλ2为右光纤化agg光栅的中 屯、波长变化值，公式(5)带入公式(3)得：
[0028] 式中，L为钢管的长度。
[0029] 由此得到系统无阻尼谐振频率
[0030]
[0031 ]本实用新型的有益效果是：
[0032] 1、当把传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，质量块、钢管、弹性钢片组 成的弹性系统作受迫振动，结果质量块带动钢管、弹性钢片作应变变化，使得粘贴在弹性钢 片的两个光纤光栅和弹性钢片一起作应变变化，将导致光纤光栅的波长产生相应的变化， 被测对象加速度的检测转化为对光纤Bragg光栅波长的调制，光纤Bragg光栅粘贴在左弹性 钢片左侧，右光纤化agg光栅粘贴在右弹性钢片右侧，光纤化agg光栅与弹性钢片的粘贴方 式有助于抵消振动的横向干扰，调整钢管、弹性钢片的横切面积及质量块的质量W适应不 同谐振频率的加速度传感器设计需求。
[0033] 2、通过采用光纤化agg光栅，具有较强的抗电磁干扰能力和耐腐蚀能力适用于对 变压器的长期监测。
[0034] 3、结构简单，便于操作。
【附图说明】
[0035] 图1为本实用新型的结构示意图；
[0036]图中各标号：1-左光纤Bragg光栅、2-左弹性钢片、3-光纤、4-钢管、5-底座、6-质量 块、7-右弹性钢片、8-右光纤化agg光栅、9-导出光纤。
【具体实施方式】
[0037] 实施例1:如图1所示，一种光纤化agg光栅高频加速度传感器，包括左光纤化agg光 栅1、左弹性钢片2、光纤3、钢管4、底座5、质量块6、右弹性钢片7、右光纤化agg光栅8、导出光 纤9;其中质量块6固定于钢管4的顶部，钢管4的底部固定于底座5上，左弹性钢片2、右弹性 钢片7分别置于钢管4的左右两边，左弹性钢片2、右弹性钢片7的下端都固定于底座5上，左 弹性钢片2、右弹性钢片7的上端分别连接固定到质量块6的左右两端，左光纤化agg光栅1、 右光纤化agg光栅8串联焊接后分别粘贴到左弹性钢片2、右弹性钢片7,左光纤化agg光栅1、 右光纤化agg光栅8的一端通过光纤3连接，左光纤化agg光栅1、右光纤化agg光栅8另一端的 导出光纤9分别从底座5-侧引出。
[0038] 所述左光纤化agg光栅1粘贴在左弹性钢片2左侧，右光纤化agg光栅8粘贴在右弹 性钢片7右侧。
[0039] 所述左光纤化agg光栅1、右光纤化agg光栅8采用同一型号的光敏光纤制成。
[0040] 实施例2:如图1所示，一种光纤化agg光栅高频加速度传感器，包括左光纤化agg光 栅1、左弹性钢片2、光纤3、钢管4、底座5、质量块6、右弹性钢片7、右光纤化agg光栅8、导出光 纤9;其中质量块6固定于钢管4的顶部，钢管4的底部固定于底座5上，左弹性钢片2、右弹性 钢片7分别置于钢管4的左右两边，左弹性钢片2、右弹性钢片7的下端都固定于底座5上，左 弹性钢片2、右弹性钢片7的上端分别连接固定到质量块6的左右两端，左光纤化agg光栅1、 右光纤化agg光栅8串联焊接后分别粘贴到左弹性钢片2、右弹性钢片7,左光纤化agg光栅1、 右光纤化agg光栅8的一端通过光纤3连接，左光纤化agg光栅1、右光纤化agg光栅8另一端的 导出光纤9分别从底座5-侧引出。
[0041 ]所述左光纤化agg光栅1粘贴在左弹性钢片2左侧，右光纤化agg光栅8粘贴在右弹 性钢片7右侧。
[0042]实施例3:如图1所示，一种光纤化agg光栅高频加速度传感器，包括左光纤化agg光 栅1、左弹性钢片2、光纤3、钢管4、底座5、质量块6、右弹性钢片7、右光纤化agg光栅8、导出光 纤9;其中质量块6固定于钢管4的顶部，钢管4的底部固定于底座5上，左弹性钢片2、右弹性 钢片7分别置于钢管4的左右两边，左弹性钢片2、右弹性钢片7的下端都固定于底座5上，左 弹性钢片2、右弹性钢片7的上端分别连接固定到质量块6的左右两端，左光纤化agg光栅1、 右光纤化agg光栅8串联焊接后分别粘贴到左弹性钢片2、右弹性钢片7,左光纤化agg光栅1、 右光纤化agg光栅8的一端通过光纤3连接，左光纤化agg光栅1、右光纤化agg光栅8另一端的 导出光纤9分别从底座5-侧引出。
[0043]所述左光纤化agg光栅1、右光纤化agg光栅8采用同一型号的光敏光纤制成。
[0044] 实施例4:如图1所示，一种光纤化agg光栅高频加速度传感器，包括左光纤化agg光 栅1、左弹性钢片2、光纤3、钢管4、底座5、质量块6、右弹性钢片7、右光纤化agg光栅8、导出光 纤9;其中质量块6固定于钢管4的顶部，钢管4的底部固定于底座5上，左弹性钢片2、右弹性 钢片7分别置于钢管4的左右两边，左弹性钢片2、右弹性钢片7的下端都固定于底座5上，左 弹性钢片2、右弹性钢片7的上端分别连接固定到质量块6的左右两端，左光纤化agg光栅1、 右光纤化agg光栅8串联焊接后分别粘贴到左弹性钢片2、右弹性钢片7,左光纤化agg光栅1、 右光纤化agg光栅8的一端通过光纤3连接，左光纤化agg光栅1、右光纤化agg光栅8另一端的 导出光纤9分别从底座5-侧引出。
[0045] 其具体参数为：
[0046] 1、质量块参数为：质量m = 0.1千克，边长为10mm的正方体;钢管外径d2 = 10mm，钢 管内径山=9.5mm，钢管的长度L = 40mm;弹性钢片的横切面积S = lmm*0.5mm，Young ' S模量 为E = 128G 化；
[0047] 2、光纤化agg光栅的技术参数为：中屯、波长λ= 1550nm，Se = 0.78*1〇-6μΕ-ι;
[0048] 3、按附图1配置实验；
[0049] 4、用光纤光栅解调仪获取光纤化agg光栅的化agg波长；
[0050] 5、根据公式（5)，根据粘贴在弹性钢片上光纤化agg光栅的中屯、波长变化值Δλι、 A λ2可得到被测对象的加速度a:
[0化1 ]
[0052] 将各已知量代入公式(4)、（8)，理论计算表明，传感器谐振频率为2649.1化，灵敏 度系数为l.lpm/g。
[0053] 上面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作了详细说明，但是本实用新型并不 限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可W在不脱离本实用 新型宗旨的前提下作出各种变化。
【主权项】
1. 一种光纤Bragg光栅高频加速度传感器，其特征在于:包括左光纤Bragg光栅（I)、左 弹性钢片（2)、光纤(3)、钢管(4)、底座（5)、质量块(6)、右弹性钢片（7)、右光纤Bragg光栅 (8)、导出光纤(9);其中质量块(6)固定于钢管(4)的顶部，钢管(4)的底部固定于底座(5) 上，左弹性钢片（2)、右弹性钢片（7)分别置于钢管(4)的左右两边，左弹性钢片（2)、右弹性 钢片(7)的下端都固定于底座(5)上，左弹性钢片（2)、右弹性钢片(7)的上端分别连接固定 到质量块(6)的左右两端，左光纤Bragg光概（1 )、右光纤Bragg光概(8)串联焊接后分别粘贴 到左弹性钢片（2)、右弹性钢片(7)，左光纤Bragg光栅（1)、右光纤Bragg光栅(8)的一端通过 光纤(3)连接，左光纤Bragg光栅（1)、右光纤Bragg光栅(8)另一端的导出光纤(9)分别从底 座(5)-侧引出。2. 根据权利要求1所述的光纤Bragg光栅高频加速度传感器，其特征在于:所述左光纤 Bragg光栅（1)粘贴在左弹性钢片（2)左侧，右光纤Bragg光栅(8)粘贴在右弹性钢片（7)右 侧。3. 根据权利要求1所述的光纤Bragg光栅高频加速度传感器，其特征在于:所述左光纤 Bragg光栅(1 )、右光纤Bragg光栅(8)采用同一型号的光敏光纤制成。
【文档编号】G01P15/03GK205484407SQ201620019842
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月11日
【发明人】谢涛, 李川, 李英娜, 赵振刚, 欧阳鑫, 刘爱莲
【申请人】昆明理工大学