专利名称：一种悬臂梁式光纤光栅加速度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种悬臂梁式光纤光栅加 速度计。
背景技术：
光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性 等方面也具有明显的优势，在国防、军事应用领域显得尤为突出，被许多 国家列为重点发展的国防技术。
光纤加速度计是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产 生的种种调制效应，探测地面、空气中或者海底的振动等信号的仪器。它 与传统的压电类加速度计相比，有以下主要优势频带宽、声压灵敏度高、 不受电磁干扰、重量轻、可设计成任意形状，以及兼具信息传感及光信息 传输于一身等优点。
鉴于光纤加速度计的如上技术优势，可满足各发达国家在石油、军事 等领域的要求，目前已经在此方面积极展开研究。
在常见的强度调制型、数字式、光纤光栅式光纤加速度计中，光纤光 栅式加速度计由于其体积小、易于复用的特点得到了广泛的关注。
余有龙等人报道了一种光纤光栅加速度计，是采用在将光纤光栅粘接 在悬臂梁表面的方法。当悬臂梁发生振动时，其表面会有周期性的压拉应 变，光纤光栅通过检测悬臂梁表面的应变来实现振动的测量。该种技术方 案一方面光纤光栅的栅区直接被胶封装，容易使光纤光栅产生啁啾，另一 方面为了使加速度和传感器的输出保持线性关系，悬臂梁的挠度不能过 大，从而限制了传感器的灵敏度。
因此，如何改进光纤光栅加速度计的封装形式以及提高光纤光栅加速 度计的灵敏度，是光纤光栅加速度计大规模应用必需解决的重要技术问 题。
发明内容
(一) 要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种悬臂梁式光纤光栅加速度 计，以提高光纤光栅加速度计的灵敏度并改进光纤光栅加速度计的封装工 艺。
(二) 技术方案
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的 一种悬臂梁式光纤光栅加速度计，该光纤光栅加速度计包括 作为该光纤光栅加速度计支撑结构的外壳1;
用于固定悬臂梁3的支撑柱2，该支撑柱2 —端固定连接于悬臂梁3， 另一端固定连接于所述光纤光栅加速度计的底侧面； 悬臂梁3，用作弹性原件；
安装于悬臂梁3上侧两端的第一凸台和第二凸台4，用于水平固定光 纤光栅5，且使光纤光栅5与悬臂梁3具有一定的间隔；
用于测量加速度的光纤光栅5，该光纤光栅5的两端分别固定于悬臂 梁3上的第一凸台和第二凸台4上，其中一端平行于悬臂梁3表面延伸穿 过所述光纤光栅加速度计侧壁上的孔7至所述光纤光栅加速度计的外部；
安装于悬臂梁3下侧一端或两端的质量块6，用于调整光纤光栅加速 度计的灵敏度和自振频率。
上述方案中，所述孔7位于光纤光栅加速度计的侧壁上，用于引出和 固定光纤光栅5的尾纤。
上述方案中，所述光纤光栅5平行于悬臂梁3，具有有一定的初始拉 应力。
上述方案中，所述质量块6、第一凸台或第二凸台4的质量远大于悬 臂梁3的质量，用于减小光纤光栅加速度计的非线性效应。
上述方案中，当该光纤光栅加速度计受到振动激励时，所述悬臂梁3 和质量块6构成一个弹簧-质量系统，质量块6在垂直于悬臂梁3表面的方 向起振，带动悬臂梁3产生一定的挠度，引起第一凸台与第二凸台之间的 距离发生变化，悬臂量3的振动使得光纤光栅5中产生和振动频率一致的周期性变化的轴向应力。
上述方案中，所述光纤光栅加速度计通过调节质量块6的质量或改变 悬臂梁3的材料和结构参数来改变光纤光栅加速度计的灵敏度和自振频率。
(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果
1、 本发明提供的悬臂梁式光纤光栅加速度计，通过在光纤光栅的两 端进行固定的方式，在避免光纤光栅产生啁啾的同时简化了封装的工艺， 制作工艺简单。
2、 本发明提供的这种悬臂梁式光纤光栅加速度计，光纤光栅5的两 端可以采用焊接或其它固定方式，避免在栅区用胶而造成的老化和蠕变等 负面影响，提高了光纤光栅加速度计的可靠性。
3、 本发明提供的这种悬臂梁式光纤光栅加速度计，由于可以方便的 通过调节质量块6的质量或改变悬臂梁3的材料和结构参数来改变传感器 的灵敏度和自振频率，灵敏度和自振频率易于调节。
图1为依照本发明第一个实施例提供的悬臂梁式光纤光栅加速度计结 构的侧视图-，
图2为依照本发明第一个实施例提供的悬臂梁式光纤光栅加速度计结 构的俯视图3为依照本发明第二个实施例提供的悬臂梁式光纤光栅加速度计结 构的侧视图4为依照本发明第二个实施例提供的悬臂梁式光纤光栅加速度计结 构的俯视图。
具体实施例方式
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。如图1和图2所示，图1为依照本发明第一个实施例提供的悬臂梁式 光纤光栅加速度计结构的侧视图，图2为依照本发明第一个实施例提供的 悬臂梁式光纤光栅加速度计结构的俯视图。
从图1和图2可以看出，该悬臂梁式光纤光栅加速度计包括作为该
光纤光栅加速度计支撑结构的外壳1;用于固定悬臂梁3的支撑柱2，该 支撑柱2 —端固定连接于悬臂梁3，另一端固定连接于所述光纤光栅加速 度计的底侧面；悬臂梁(3)，用作弹性原件；安装于悬臂梁3上侧两端的 第一凸台和第二凸台4，用于水平固定光纤光栅5，且使光纤光栅5与悬 臂梁3具有一定的间隔；用于测量加速度的光纤光栅5，该光纤光栅5的 两端分别固定于悬臂梁3上的第一凸台和第二凸台4上，其中一端平行于 悬臂梁3表面延伸穿过所述光纤光栅加速度计侧壁上的孔7至所述光纤光 栅加速度计的外部；安装于悬臂梁3下侧一端的质量块6，用于调整光纤 光栅加速度计的灵敏度和自振频率。
如图3和图4所示，图3为依照本发明第二个实施例提供的悬臂梁式 光纤光栅加速度计结构的侧视图，图4为依照本发明第二个实施例提供的 悬臂梁式光纤光栅加速度计结构的俯视图。悬臂梁3可以进一步作成相对 于支撑柱2对称的结构，以提高传感器的灵敏度，在这种结构中，悬臂梁 3的两端分别固定有质量相同的质量块6，用以调节光纤光栅加速度计的
灵敏度和自振频率。
在上述两种实施例提供的光纤光栅加速度计中，孔7位于光纤光栅加 速度计的侧壁上，用于引出和固定光纤光栅5的尾纤。光纤光栅5平行于 悬臂梁3，不与悬臂梁3接触，通过第一凸台和第二凸台4固定在悬臂梁 3上。光纤光栅5中具有一定的初始拉应力。
质量块6、第一凸台或第二凸台4的质量远大于悬臂梁3的质量，使 悬臂梁3和凸台4的质量相对于质量块6很小，可以忽略，用于减小光纤 光栅加速度计的非线性效应。
当该光纤光栅加速度计受到振动激励时，所述悬臂梁3和质量块6构 成一个弹簧-质量系统，质量块6在垂直于悬臂梁3表面的方向起振，带动 悬臂梁3产生一定的挠度，从而引起引起第一凸台与第二凸台之间的距离 发生变化。由于光纤光栅5的两端分别固定在两个凸台4上，从而悬臂量3的振动使得光纤光栅5中产生和振动频率一致的周期性变化的轴向应 力。对于光纤光栅，其反射波长的变化量与所受轴向应力成正比，故通过 检测波长的变化量可以得到外界振动加速度的大小
另外，由于质量块6的质量将对加速度计的灵敏度和自振频率产生显
著的影响，故可以通过调节质量块6的质量来改变传感器的灵敏度和自振 频率。悬臂梁3的刚度同样可以决定传感器的灵敏度和自振频率，故改变 悬臂梁3的材料和结构参数亦可以改变传感器的灵敏度和自振频率。因此， 光纤光栅加速度计通过调节质量块6的质量或改变悬臂梁3的材料和结构 参数来改变光纤光栅加速度计的灵敏度和自振频率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 己，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、 一种悬臂梁式光纤光栅加速度计，其特征在于，该光纤光栅加速度计包括作为该光纤光栅加速度计支撑结构的外壳(1)；用于固定悬臂梁(3)的支撑柱(2)，该支撑柱(2)一端固定连接于悬臂梁(3)，另一端固定连接于所述光纤光栅加速度计的底侧面；悬臂梁(3)，用作弹性原件；安装于悬臂梁(3)上侧两端的第一凸台和第二凸台(4)，用于水平固定光纤光栅(5)，且使光纤光栅(5)与悬臂梁(3)具有一定的间隔；用于测量加速度的光纤光栅(5)，该光纤光栅(5)的两端分别固定于悬臂梁(3)上的第一凸台和第二凸台(4)上，其中一端平行于悬臂梁(3)表面延伸穿过所述光纤光栅加速度计侧壁上的孔(7)至所述光纤光栅加速度计的外部；安装于悬臂梁(3)下侧一端或两端的质量块(6)，用于调整光纤光栅加速度计的灵敏度和自振频率。
2、 根据权利要求1所述的悬臂梁式光纤光栅加速度计，其特征在于， 所述孔(7)位于光纤光栅加速度计的侧壁上，用于引出和固定光纤光栅(5)的尾纤。
3、 根据权利要求1所述的悬臂梁式光纤光栅加速度计，其特征在于， 所述光纤光栅(5)平行于悬臂梁(3)，具有有一定的初始拉应力。
4、 根据权利要求1所述的悬臂梁式光纤光栅加速度计，其特征在于， 所述质量块(6)、第一凸台或第二凸台(4)的质量远大于悬臂梁(3)的 质量，用于减小光纤光栅加速度计的非线性效应。
5、 根据权利要求1所述的悬臂梁式光纤光栅加速度计，其特征在于， 当该光纤光栅加速度计受到振动激励时，所述悬臂梁(3)和质量块(6) 构成一个弹簧-质量系统，质量块(6)在垂直于悬臂梁(3)表面的方向起 振，带动悬臂梁(3)产生一定的挠度，引起第一凸台与第二凸台之间的 距离发生变化，悬臂量(3)的振动使得光纤光栅(5)中产生和振动频率 一致的周期性变化的轴向应力。
6、根据权利要求1所述的悬臂梁式光纤光栅加速度计，其特征在于， 所述光纤光栅加速度计通过调节质量块(6)的质量或改变悬臂梁(3)的 材料和结构参数来改变光纤光栅加速度计的灵敏度和自振频率。
全文摘要
本发明涉及光纤传感器技术领域，公开了一种悬臂梁式光纤光栅加速度计，包括作为该光纤光栅加速度计支撑结构的外壳；用于固定悬臂梁的支撑柱，该支撑柱一端固定连接于悬臂梁，另一端固定连接于所述光纤光栅加速度计的底侧面；悬臂梁；安装于悬臂梁上侧两端的第一凸台和第二凸台，用于水平固定光纤光栅，且使光纤光栅与悬臂梁具有一定的间隔；用于测量加速度的光纤光栅，其两端分别固定于悬臂梁上的第一凸台和第二凸台上，其中一端平行于悬臂梁表面延伸穿过所述光纤光栅加速度计侧壁上的孔至所述光纤光栅加速度计的外部；安装于悬臂梁下侧一端或两端的质量块，用于调整光纤光栅加速度计的灵敏度和自振频率。本发明提高了灵敏度，改进了封装工艺。
文档编号G01P15/00GK101285845SQ20071006532
公开日2008年10月15日 申请日期2007年4月11日 优先权日2007年4月11日
发明者刘育梁, 张文涛, 芳 李 申请人:中国科学院半导体研究所