专利名称：温度自补偿型双光栅对称推挽式光纤光栅振动传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤传感器，尤其是一种光纤光栅振动传感器。
背景技术：
在过去的二十年里，人们对光纤Bragg光栅(FBG)传感技术进行了广泛而深入的 研究，并取得了巨大的发展，可以用来测量应变、温度、压力以及一切可以转换为应变、温度 的物理量，已经被广泛应用于军事和民事各领域。FBG加速度振动传感技术已经成为一个新 的应用研究领域。在低频振动传感应用领域中，FBG加速度传感器具有高稳定性、高精度、 低功耗、良好低频特性、抗干扰能力强等优点，因此应用潜力巨大。低频振动信号检测在结 构工程动力学研究(零点几赫兹到几赫兹)、地震预报和海啸监测预警(千分之几赫兹到 几百赫兹)、地质勘探和新能源开发(一百赫兹以下)、航空航天、生物动力学和生物医学领 域、先进的精密加工与制造技术领域、国防应用领域、基础科学研究领域都有广泛应用。随着振动测试技术的发展和高精度测试的需要，研制高性能的振动传感器势在必 行。光纤传感技术的出现，给传感器的发展带来了前所未有的生命力。国内外研制了多种 光纤加速度振动传感器，它与传统加速度传感器相比，不但能抗电磁干扰，而且体小、质轻、 动态范围宽、精度高、能在恶劣环境下工作，因此受到各先进国家军事与商业领域的极大重 视。各种实用的光纤加速度传感器不断涌现，主要有光强调制型和相位调制型两大类。光 强调制式有反射式、透射式和偏振式等等；相位调制式有Mach-Zender干涉仪、Michelson 干涉仪和Fabry-Perot干涉仪，有一维的，也有二维的；有与水听器组合在一起的，也有与 光纤陀螺仪组合的光纤加速度传感器，最小的已经做到2. 5cm长，直径仅0. 25mm，测量精度 已能达到1 P g，共振频率可达到10kHz。由于上述传感器都是光强调制型和相位调制型加 速度传感器，易受光源波动、光纤扰动、温度扰动等因素影响，本底低频噪声很强，很难实现 对低频振动信号的检测，尤其是超低频信号(O.OlHz-lOHz)的测量难道更大。虽然已经提 出了一些具有降噪能力的光路结构，但在实际应用中仍然不能有效解决这一问题。FBG传感技术是在光纤传感技术的基础上发展起来的，从原理上分析，FBG传感是 利用测量Bragg波长变化来实现传感，基本不受光源波动、光纤扰动等因素影响。因此FBG 加速度传感器不仅具有以上介绍的光纤加速度传感器的优点，同时克服了这些光纤加速度 传感器的不足之处，能实现实时在线、绝对数字式测量，具有测量范围广、精度高、低频特性 好，抗干扰能力强、无需调零、长期稳定性好等优点，为实现振动传感的高分辨能力、高信噪 比、高精确度和高可信度提供了理想的技术手段。目前，对光纤Bragg光栅加速度振动传感器的研究，主要是通过不同的结构和材 料进行封装，来实现对光纤Bragg光栅中心波长的调谐，并实现增敏，提高探头性能。结构 形式主要有嵌入式、盘片式、悬梁(臂)式、芯轴弹簧振子式等，基于这些结构的光纤Bragg 光栅传感器各有其优缺点。例如嵌入式结构自然频率高，灵敏度低，很难满足地质勘探、工 程建筑健康监测等低频微弱振动测量要求。要想达到理想的灵敏度和自然频率需增大质量 块质量，使用软弹性体，但实际都是难以做到的，并且嵌入式结构交叉灵敏度过大。盘片式结构虽然有较好的抑制交叉灵敏度能力，但灵敏度太低，要想提高灵敏度需增大质量块质 量，但还是很难得到较高的灵敏度，并且嵌入式结构和盘片式结构均不能实现温度自补偿 功能。悬梁式结构的研究比较多，现已出现空心梁、等强度梁、悬背梁、双臂梁等结构。武汉 理工大学(专利申请号200510019733. 0)和南开大学(专利申请号200420028862. 7)设计 的振动传感器均属该类结构。由于光纤光栅栅区直接粘贴在悬臂梁表面，易产生啁啾或多 峰现象致使测试不准，振动信号偏小，稳定性不高，且工作时自由振动衰减缓慢，影响传感 器工作性能。而中国科学院半导体研究所(专利申请号200710065323. 9)和同济大学(专 利申请号200820059065)设计的悬臂式结构消除了这一不利因素，他们通过一个“L”杠杆 臂的一端与光纤连接避开了光纤光栅栅区直接粘贴在悬臂梁表面，特别是同济大学设计的 高灵敏度温度自补偿型光纤光栅加速度传感器采用双光栅结构可以实现温度自补偿，并且 灵敏度较高，灵敏度达900pm/g，并引入转动轴使传感器结构更加稳定，消除几何非线性的 影响，增强信号的正确性和传感器的耐久性，但结构复杂，不容易扩展到三维。武汉理工大学设计的一种光纤光栅振动传感器(专利申请号200720300082. 7)和 山东大学设计的三分量光纤光栅振动度传感(专利申请号200720021749)采用了芯轴弹簧 振子式结构。武汉理工大学的结构是采用钢丝(或钢管)和质量块组成弹性系统，双光栅作 为敏感元件，两光纤光栅串联焊接后刚性粘贴到钢管内部，因此也会产生啁啾或多峰现象， 并且振动信号偏小，灵敏度不高，灵敏度只有lpm/g，难以满足低频振动信号高品质测量。山 东大学的结构是采用橡胶块和质量块组成弹性系统，在三个不相对应的橡胶块上分别粘贴 安装固定有光纤光栅传感，质量块的六个面上分别连接一个橡胶块，每一维度上是采用单 光栅作为敏感元件，不具备温度自补偿功能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是设计一种新型光纤光栅加速度振动传感器，克服现有 技术的不足，实现对低频振动信号的高品质测量，采用双光栅弹性体封装对称式推挽结构， 该结构具有温度自补偿功能，高灵敏度和良好的低频探测性能，稳定性高，方向性好，结构 简单，方便扩展到三维等优点。本发明温度自补偿型双光栅对称推挽式光纤光栅振动传感器由壳体、两个弹性体 块、一个质量块、两根传感光纤Bragg光栅、两个连接座与两个支撑底座组成。质量块位于 两个对称的弹性体块之间，质量块两端面上分别粘贴有连接座，两连接座分别与两个弹性 体块一端对接粘固，两弹性体块另一端再分别与两支撑底座对接粘固，从而组成对称推挽 式结构，两个光纤Bragg光栅分别封装在两个弹性体块内，形成双光纤光栅传感。采用模块 化装配结构，质量块、连接座、弹性体块、光纤光栅与支撑底座组成传感探头置于壳体内部。质量块为铜质圆柱体，柱体两端开有第一圆柱凹槽，第一圆柱凹槽深度满足光纤 弯曲要求，以防止光纤弯曲损耗过大，第一圆柱凹槽直径与连接座一端突出的柱体壳外径 相同，以便与连接座对接，第一圆柱凹槽上开有工艺缝以便尾纤引出。连接座和支撑底座起到连接支撑作用，均为铜质材料。连接座是一个圆盘型部 件，圆盘一端面上开有第二圆柱凹槽，第二圆柱凹槽直径与弹性体块直径相同，深度为1 2mm，圆盘另一端面上有凸出的柱体壳用于插入到质量块第一圆柱凹槽中并与第一圆柱凹 槽粘固，连接座中轴线处打有工艺孔用于引出尾纤。支撑底座为圆柱体，中轴线上打有工艺孔，两端面开有第三圆柱凹槽和第四圆柱凹槽，第三圆柱凹槽直径与弹性体块直径相同，深 度为1 2mm，第四圆柱凹槽深度满足光纤弯曲要求，且开有工艺缝用于引出尾纤。弹性体块为圆柱体，采用弹性材料(如聚氨酯封装材料)制作，一端插入连接座的 第二圆柱凹槽并与第二圆柱凹槽对接粘固，一端插入支撑底座的第三圆柱凹槽并与第三圆 柱凹槽对接粘固。两个弹性体块和质量块组成弹性系统，弹性体块作为弹性系统部件，其弹 性模量E、半径R、高H对传感器的灵敏度S和本征频率f；有直接影响，传感器的灵敏度和 本征频率公式为 式中m为质量块和连接座的总质量，、和、为两光纤光栅的Bragg波长，k是 弹性系统的弹性系数。E、R、H由公式⑴和⑵根据不同的应用需求(即S和&的要求) 进行优化设计得到。光纤上刻有光纤Bragg光栅的部位被封装在弹性体块中轴线上，并且封装部位为 裸纤，在封装过程中光纤光栅上加有欲张力以防止出现啁啾效应。两个光纤Bragg光栅可 通过连接光纤串联与传感器外部的光信号解调处理装置相连接，也可经连接光纤两路并联 引出与光信号解调处理装置连接。采用串联方法时为单光路，后续光信号解调处理装置要 对两光纤Bragg光栅的信号区分解调，因此两光纤Bragg光栅的中心波长不能一样。采用 并联方法时为双光路，两光纤Bragg光栅的中心波长可以一样。壳体由筒壳与盖组成，筒壳为不锈钢圆柱筒，筒壳侧壁上开有光纤出口，用于光纤 与外部光源和光信号解调处理装置相连。筒壳与盖通过螺钉连接，盖上开有第五圆柱凹槽， 第五圆柱凹槽直径与支撑底座直径相同，深度为1 2mm，支撑底座的一端插入到第五圆柱 凹槽与第五圆柱凹槽对接粘固。两个弹性体块和质量块组成弹性系统以响应外界的机械振动，采用双光纤光栅为 敏感元件。初始状态下，质量块的重力和弹性体的回复力相互作用，使弹性体处于最初的平 衡状态。当弹性系统受到平行于弹性体轴向的加速度矢量f沿轴向的分量作用时，质量块 由于惯性作用对两弹性柱体分别施加拉伸和压缩力，这两个力大小相等、方向相反，从而迫 使两个弹性体在轴向上分别压缩和拉长，光纤随弹性体发生轴向应变，进而使Bragg波长 受到调制，从而将机械振动信号转化为光纤光栅的调制信号，光纤将信号传递到传感器外 部的信号解调处理装置。采用本发明可以达到以下技术效果1.本发明通过双光栅结构实现严格的温度自补偿，由于其对称推挽式结构，弹性 体内两个传感光栅感受的振动应变量正好等幅反响，而两个传感光栅所处环境相同，受环 境温度影响相同，因此通过两个传感光纤光栅的信号匹配(解调求得两光纤光栅Bragg波 长差)可以消除温度漂移等影响，可有效提高传感器低频探测性能。2.推挽式结构的优点在于其对称性好，当振动垂直于弹性体轴向时，两弹性体产 生相同的形变(即两个传感光栅应变相同)，两光栅Bragg波长差不变，因此传感器所敏感 的只是加速度在弹性轴向上的分量，因而具有良好的方向性。将质量块改成六面体，质量块的六个面上分别与弹性体块连接，便可做成三分量光纤光栅振动度传感器，因此可以很方 便地扩展到三维，实现矢量振动传感。3.本发明的E、R、H经优化设计得到，具有高灵敏度，大动态范围，灵敏度可达 500pm/g以上。弹性体封装结构可以有效提高探头的和适应环境能力，消除几何非线 性的影响，增强信号的正确性和传感器的耐久性，同时采用弹性体封装结构具有增敏效果， 并有效拓展动态范围。
图1是本发明总体结构装配图；图2是质量块5部件工程加工示意图；图3是连接座6部件工程加工示意图；图4是支撑底座2部件工程加工示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明由壳体、2个弹性体块3、质量块5、第一传感光纤Bragg光栅 8、第二传感光纤Bragg光栅9、两个连接座6与两个支撑底座2组成。质量块5位于两个对 称实心的弹性体块3之间，质量块5两端面上分别粘贴有连接座6，连接座6与弹性体块3 对接粘固，两弹性体块3再分别与支撑底座2对接粘固，从而组成对称推挽式结构，两个传 感光纤光栅分别封装在弹性体块3内，形成双光纤光栅传感器。采用模块化装配结构，质量 块5、弹性体块3、第一传感光纤Bragg光栅8、第二传感光纤Bragg光栅9、连接座6与支撑 底座2组成传感探头置于壳体内部。如图2所示，质量块5为铜质圆柱体，柱体两端开有第一圆柱凹槽52，第一圆柱凹 槽52的深度满足光纤弯曲要求，以防止光纤弯曲损耗过大，第一圆柱凹槽52的直径与连接 座6 —端突出的柱体壳61外径相同，以便与连接座6对接，并且第一圆柱凹槽52上开有第 一工艺缝51以便尾纤引出。如图3所示，连接座6为铜质圆盘型部件，圆盘一端面上开有第二圆柱凹槽62用 于与弹性体块3对接固定，第二圆柱凹槽62直径与弹性体直径相同，深度为1 2mm，圆盘 另一端面上有凸出的柱体壳61用于与质量块5对接，连接座中轴线处打有第一工艺孔63 用于引出尾纤。如图4所示，支撑底座2为铜质圆柱体，中轴线上打有第二工艺孔23，两端面开有 第三圆柱凹槽24和第四圆柱凹槽22，第三圆柱凹槽24用于与弹性体块对接粘固，第三圆柱 凹槽22直径与弹性体块直径相同，深度为1 2mm，第四圆柱凹槽23深度满足光纤弯曲要 求，开有第二工艺缝21，用于引出尾纤。如图1所示，弹性体块3为采用聚氨酯封装材料制成的圆柱体。壳体由筒壳4与两个盖1组成，筒壳4为不锈钢圆柱筒，筒壳4侧壁上开有光纤出 口 10，用于光纤与外部光源和解调系统相连。筒壳4与两个盖1通过螺钉连接，盖1上开有 第五圆柱凹槽11，第五圆柱凹槽11直径与支撑底座2直径相同，深度为1 2mm，便于与支 撑底座2对接固定。一根光纤上刻有第一传感光纤Bragg光栅8、另一根光纤上刻有第二传 感光纤Bragg光栅9，刻有光纤Bragg光栅的部位被封装在弹性体块3中轴线上，并且封装部位为裸纤，在封装过程中光栅上加有欲张力以防止出现啁啾效应。第一传感光纤Bragg 光栅8、第二传感光纤Bragg光栅9可通过连接光纤串联与传感器外部的光信号解调处理装 置相连接，也可经连接光纤两路并联引出与光信号解调处理装置连接。采用并联方法时如图1所示，两根连接光纤一端经支撑接底座2上的第二工艺缝 21从光纤出口 10引出，两根连接光纤另一端不相连。采用串联方法时两根连接光纤一端经 质量块5上的第一工艺缝51引出相连，两根连接光纤另一端从光纤出口 10引出与传感器 外部的光信号解调处理装置连接。
权利要求
一种温度自补偿型双光栅对称推挽式光纤光栅振动传感器，其特征在于该振动传感器由壳体、两个弹性体块(3)、一个质量块(5)、两根传感光纤Bragg光栅(8、9)、两个连接座(6)与两个支撑底座(2)组成；质量块(5)位于两个对称的弹性体块(3)之间，质量块(5)两端面上分别粘贴有连接座(6)，两连接座(6)分别与两个弹性体块(3)一端对接粘固，两弹性体块(3)另一端再分别与两支撑底座(2)对接粘固，从而组成对称推挽式结构，两根光纤Bragg光栅(8、9)分别封装在两个弹性体块(3)内，形成双光纤光栅传感；采用模块化装配结构，质量块(5)、连接座(6)、弹性体块(3)、光纤光栅与支撑底座(2)组成传感探头置于壳体内部。
2.如权利要求1所述的温度自补偿型双光栅对称推挽式光纤光栅振动传感器，其特征 在于所述质量块(5)为铜质圆柱体，柱体两端开有第一圆柱凹槽(52)，第一圆柱凹槽(52) 深度满足光纤弯曲要求，第一圆柱凹槽(52)直径与连接座(6) —端突出的柱体壳(61)外 径相同，第一圆柱凹槽(52)上开有第一工艺缝(51)。
3.如权利要求1所述的温度自补偿型双光栅对称推挽式光纤光栅振动传感器，其特征 在于所述连接座(6)和支撑底座(2)均为铜质材料，连接座(6)是一个圆盘型部件，圆盘 一端面上开有第二圆柱凹槽(62)，第二圆柱凹槽(62)直径与弹性体块(3)直径相同，深度 为1 2mm;圆盘另一端面上有凸出的柱体壳(61)插入到质量块(5)第一圆柱凹槽(52) 中并与第一圆柱凹槽(52)对接粘固，连接座(6)中轴线处打有第一工艺孔(63)；支撑底座 (2)为圆柱体，中轴线上打有第二工艺孔(23)，两端面开有第三圆柱凹槽(24)和第四圆柱 凹槽(22)，第三圆柱凹槽(24)直径与弹性体块(3)直径相同，深度为1 2mm，第四圆柱凹 槽(22)深度满足光纤弯曲要求，且开有第二工艺缝(21)。
4.如权利要求1所述的温度自补偿型双光栅对称推挽式光纤光栅振动传感器，其特征 在于所述弹性体块(3)为圆柱体，采用弹性材料制作，一端插入连接座(6)的第二圆柱凹槽 (62)并与第二圆柱凹槽(62)对接粘固，一端插入支撑底座(2)的第三圆柱凹槽(24)并与 第三圆柱凹槽(24)对接粘固；两个弹性体块(3)和质量块(5)组成弹性系统，弹性体块(3) 作为弹性系统部件，其弹性模量E、半径R、高H对传感器的灵敏度S和本征频率fO有直接 影响，传感器的灵敏度和本征频率公式为s = M^)_ = 078 m Al1Al ⑴ aEnR1 2J0=丄β =丄J^ (2) 2π \ m 2π V mH式中m为质量块(5)和连接座(6)的总质量，X1和λ 2为两光纤光栅的Bragg波长。 k是弹性系统的弹性系数，E、R、H根据公式(1)和(2)根据S和&的要求进行优化设计得 到。
5.如权利要求1所述的温度自补偿型双光栅对称推挽式光纤光栅振动传感器，其特征 在于所述壳体由筒壳(4)与盖(1)组成，筒壳(4)为不锈钢圆柱筒，筒壳(4)侧壁上开有光 纤出口(10)，筒壳(4)与盖(1)通过螺钉连接，盖(1)上开有第五圆柱凹槽(11)，第五圆柱 凹槽(11)直径与支撑底座⑵直径相同，深度为1 2mm，支撑底座⑵的一端插入到第五 圆柱凹槽(11)与第五圆柱凹槽(11)对接粘固。
6.如权利要求1所述的温度自补偿型双光栅对称推挽式光纤光栅振动传感器，其特征在于所述光纤上刻有光纤Bragg光栅的部位被封装在弹性体块(3)中轴线上，并且封装部 位为裸纤，在封装过程中光纤光栅上加有欲张力。
7.如权利要求1所述的温度自补偿型双光栅对称推挽式光纤光栅振动传感器，其特征 在于所述两个光纤Bragg光栅(8、9)通过连接光纤串联与传感器外部的光信号解调处理装 置相连接，此时为单光路，两光纤Bragg光栅的中心波长λ 和λ 2不能一样；两根连接光 线一端经质量块(5)上的第一工艺缝(51)引出相连，两根连接光纤另一端从光纤出口(10) 弓丨出与传感器外部的光信号解调处理装置连接。
8.如权利要求1所述的温度自补偿型双光栅对称推挽式光纤光栅振动传感器，其特征 在于所述两个光纤Bragg光栅(8、9)经连接光纤两路并联引出与光信号解调处理装置连 接，此时为双光路，连接光纤一端经支撑接底座2上的第二工艺缝(21)从光纤出口(10)引 出，两根光纤另一端不相连。
全文摘要
本发明公开了一种温度自补偿型双光栅对称推挽式光纤光栅振动传感器，目的是实现一种具有温度自补偿功能，灵敏度高和低频探测性能好的光纤光栅振动传感器。它由壳体、两个弹性体块、一个质量块、两根传感光纤Bragg光栅、两个连接座与两个支撑底座组成；质量块位于两个弹性体块之间，质量块两端面上分别粘贴有连接座，两连接座分别与两个弹性体块一端对接粘固，两弹性体块另一端再分别与两支撑底座对接粘固，从而组成对称推挽式结构，两根光纤上刻有光纤Bragg光栅的部位分别封装在两个弹性体块内；质量块、连接座、弹性体块、光纤光栅与支撑底座组成传感探头置于壳体内部。本发明可以消除温度漂移的影响，灵敏度高，低频探测性能好，可以很方便地扩展到三维。
文档编号G01H9/00GK101852643SQ201010181489
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月25日 优先权日2010年5月25日
发明者于洋, 倪明, 姚琼, 孟洲, 张学亮, 张振慧, 曹春燕, 杨华勇, 熊水东, 王建飞, 罗洪, 胡正良, 胡永明 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学