专利名称：一种光纤光栅振动传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光纤光栅振动传感技术领域。
背景技术：
光纤光栅振动传感器在很多领域有着重要的应用，例如在航空航天，大型机电设备，桥梁结构，石油勘测、船舶、地震等的实时监测。光纤光栅振动传感器通过把光纤光栅埋入衬底材料和结构内部或粘贴于其表面，使其对待测参量敏感，通过中心波长的漂移量来感测待测参量大小，监测物体振动状况，判断工作状态，及时排除故障，避免发生重大事故。传统的电类振动传感器输出的是弱电信号，不能进行长距离传输，并且在室外恶劣环境中工作可靠性差，而光纤光栅可实现远距离的监测与传输并且在使用期限内维护费用较低，具有抗电磁干扰，耐腐蚀，可分布式测量等优点。现有的一些光纤光栅振动传感器由于自身结构的缺陷，存在着灵敏度不高，温度影响大以及长期使用中非线性影响显著，不能二次开发使用等缺点。专利号为200710065323. 9的中国专利公开一篇“一种温度不敏感的光纤光栅振
动传感器”。它的基本原理是质量块感受外界加速度激励，通过L型杠杆将振动信号直接传递给与自身固接的裸光纤光栅上。通过材料热膨胀系数之间的差异实现温度补偿。固定于杠杆端部的质量块用于调节传感器的灵敏度和自振频率。由于光纤光栅截面积很小且不能弯折，这种结构存在着与杠杆不好固定且将力直接作用于裸光纤光栅上容易折断的缺点。该传感器使用单一光栅，依据材料热膨胀系数的差异只能定性的降低温度对光栅中心波长的影响不能精确的实现温度自补偿。当设计一旦确定，质量块质量的改变必将会导致系统初始状态的不平衡且使光纤光栅具有一定的预应力，缩小了光纤光栅应变计的量程范围。
发明内容本实用新型目的是提供一种依据工程实际需要反复设计使用，通过方便的拆卸更换不同尺寸的折叠弓形梁来改变系统刚度，从而实现灵敏度和自振频率可调且具有温度自补偿的光纤光栅振动传感器。一种光纤光栅振动传感器，包括U形外壳、刚梁、第一光纤光栅、第二光纤光栅、质量块、弹簧、阻尼液、卡槽、凹型杠杆、折叠弓形梁、密封盖，U形外壳的开口端设置密封盖，U 形外壳的内壁上连接刚梁的一端，刚梁的另一端固定连接折叠弓形梁，折叠弓形梁与凹形杠杆固定连接，固定在卡槽上的凹形杠杆连接质量块，质量块通过弹簧与外壳的内壁连接， 折叠弓形梁上分别设置第一光纤光栅、第二光纤光栅，U形外壳内设置阻尼液。本实用新型的折叠弓形梁通过第一螺丝与刚梁固定连接，折叠弓形梁通过第二螺丝与凹形杠杆连接。本实用新型的卡槽上设置转轴，转轴上设置螺母。本实用新型的U形外壳的侧壁上设置跳线引出孔，第一光纤光栅、第二光纤光栅的的尾纤与跳线熔接后通过跳线引出孔连接到U形外壳外。本实用新型的密封盖用于其内部部件的安装更换和阻尼液的注入，待其内部的各部件安装完毕后，使用螺纹连接或者胶粘的方式将密封盖与U形外壳连接，使各部件密封在U形外壳的腔体内。本实用新型采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点1、本实用新型的光纤光栅振动传感器通过更换折叠弓形梁的尺寸，具有可反复设计使用性。对精度要求高的小应变通过降低自振频率来提高灵敏度，对应变量程范围大的应变通过降低灵敏度来扩大它的应变量程范围。2、本实用新型的折叠弓形梁与凹型杠杆通过螺丝连接，易于更换方便二次设计， 通过调整折叠弓形梁的尺寸参数可以达到调节刚度的目的，从而进一步调整系统灵敏度和自振频率范围。3、本实用新型的折叠弓形梁顶部为等强度梁，可以保证光栅长度范围内的各部分受到的拉伸或压缩应变相同，布拉格光栅不会因为局部受力不均勻而发生啁啾现象。4、本实用新型的折叠弓形梁的上下表面分别粘贴光纤光栅，方便的实现了温度自补偿并使系统灵敏度提高了一倍。5、本实用新型的卡槽加宽了凹型杠杆转轴处面积，避免直接在凹型杠杆上安装转轴降低杠杆刚度，增大系统的非线性。在卡槽两侧进一步安装螺母，用于限制凹型杠杆横向灵敏度。6、本实用新型采用杠杆传动原理，将质量块振动转化为光纤光栅的动应变，经过结构和参数优化，达到了使灵敏度系数增大的效果。7、本实用新型通过合理配比质量块和系统刚度参数，调整系统的谐振频率，提高了传感器的响应灵敏度。8、本实用新型在U型壳内注入适当阻尼系数的阻尼液，抑制传感器自身的谐振， 拓展了频率响应带宽。
图1是本实用新型的一种结构示意图。图2是本实用新型的折叠弓形梁示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明如图1所示，一种光纤光栅振动传感器，包括U形外壳1、刚梁2、第一光纤光栅4、 第二光纤光栅5、质量块6、弹簧7、阻尼液8、卡槽11、凹型杠杆12、折叠弓形梁14、密封盖 16，U形外壳1的开口端设置密封盖16，U形外壳1的内壁上连接刚梁2的一端，刚梁2的另一端固定连接折叠弓形梁14，折叠弓形梁14与凹形杠杆12固定连接，固定在卡槽11上的凹形杠杆12连接质量块6，质量块6通过弹簧7与外壳1的内壁连接，折叠弓形梁14上分别设置第一光纤光栅4、第二光纤光栅5，U形外壳1内设置阻尼液8。如图1所示，本实用新型的折叠弓形梁14通过第一螺栓15与刚梁2固定连接，折叠弓形梁14通过第二螺栓13与凹形杠杆12连接。[0024]如图1所示，本实用新型的卡槽11上设置转轴9，转轴9上设置螺母10。如图1所示，本实用新型的U形外壳1的侧壁上设置跳线引出孔3，第一光纤光栅 4、第二光纤光栅5的尾纤与跳线熔接后通过跳线引出孔3引出到U形外壳1外。本如图1所示，本实用新型的密封盖16用于U形外壳1内部部件的安装和阻尼液 8的注入，待其内部的各部件安装完毕后，使用螺纹连接或者胶粘的方式将密封盖16与U形外壳1连接，使各部件密封在U形外壳1的腔体内。本实用新型的光纤光栅振动传感器主要包括第一光纤光栅4、第二光纤光栅5、 折叠弓形梁14、质量块6、凹型杠杆12、弹簧7、阻尼液8等。折叠弓形梁14通过改变自身尺寸参数改变系统刚度，进而起到调节系统灵敏度和自振频率并起到保护裸光纤光栅4、5 的作用。对精度要求高的小应变通过降低自振频率来提高灵敏度，对应变量程要求范围大的应变通过降低灵敏度来扩大它的应变量程范围。折叠弓形梁的一端通过螺丝15固定在刚性梁2上，另一端与凹型杠杆12的水平方向部分通过螺丝13固定。巧妙的设计传感器感知部分的力学特性，实现应变的优化分布。该折叠弓形梁顶部20为等强度梁，可以保证光栅长度范围内各部分受到的拉伸或压缩应力相同，布拉格光栅不会因为局部受力不均而发生啁啾现象。光纤光栅4，5中心粘贴于折叠弓形梁顶部圆孔17孔边应力集中的位置，以放大光纤光栅的应变灵敏度。光纤光栅4，5与折叠弓形梁14的粘贴使用环氧粘合剂，以保证粘合紧密。折叠弓形梁14选用刚度较小热膨胀系数较大的金属材料。本实用新型的安装于卡槽11上的凹型杠杆12，用于将振动信号传递给与自身连接的折叠弓形梁14，卡槽11处与轴9活动连接，并可绕轴9转动，凹型杠杆12的竖直方向部分与水平方向部分相交处与卡槽11固结，卡槽11带动凹型杠杆12 —起绕轴9转动，螺母10起到限制卡槽11沿传感器前后方向的位移；卡槽11可以加宽折点处的面积防止直接在凹型杠杆12上安装转轴降低凹型杠杆12的刚度，降低系统的非线性。本实用新型固定于凹型杠杆12水平方向端部的质量块6，用于调节传感器的灵敏度和自振频率；本实用新型与质量块6质量中心和壳体1固结的弹簧7，使光纤光栅具有初始应力并用于调节系统刚度；本实用新型通过优化结构设计和选择合适的阻尼液8，可以达到在较宽频率范围内对物体振动的高灵敏度响应。如图2所示，本实用新型用于感受应变的第一光纤光栅4、第二光纤光栅5用环氧树脂胶粘贴在弓形梁顶20的中间段圆孔17孔边的中心线上，粘贴于下表面的第二光纤光栅5通过第一圆孔18、第二圆孔19引出。对剩余光纤用套管加以保护，穿过跳线引出孔3 接入到壳1外的光栅解调仪中解调。本实用新型的光纤光栅振动传感器采用温度补偿方法，不需要其他辅助器件，直接将第一光纤光栅4、第二光纤光栅5粘贴在折叠弓形梁顶部20的上下表面，温度补偿效果明显。这种设计实现温度补偿的原理是金属导热快，折叠弓形梁顶部20的整体温度一致，使两根光纤光栅总是处在相同的温度环境下。当温度变化时由于光栅各点的热膨胀系数相同，因此由温度变化引起的光纤光栅栅格周期的变化是相同的，两根光纤光栅的Bragg 波长总是随温度同向同步漂移而保持相对位置不变。折叠弓形梁顶部20在弯曲瞬间上下表面分别产生相同程度的拉伸和压缩，两根光纤光栅的Bragg波长随之同时发生距离相等方向相反的漂移，这种简单的方法既实现了温度补偿，又使灵敏度提高为原来的两倍。
权利要求1.一种光纤光栅振动传感器，其特征在于包括U形外壳(1)、刚梁(2)、第一光纤光栅 (4)、第二光纤光栅(5)、质量块(6)、弹簧(7)、阻尼液(8)、卡槽(11)、凹型杠杆(12)、折叠弓形梁(14)、密封盖(16)，U形外壳(1)的开口端设置密封盖(16)，U形外壳(1)的内壁上连接刚梁(2)的一端，刚梁(2)的另一端固定连接折叠弓形梁(14)，折叠弓形梁(14)与凹形杠杆(12)固定连接，固定在卡槽(11)上的凹形杠杆(12)连接质量块(6)，质量块(6)通过弹簧(7)与外壳(1)的内壁连接，折叠弓形梁(14)上分别设置第一光纤光栅(4)、第二光纤光栅(5)，U形外壳(1)内设置阻尼液(8)。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，上述折叠弓形梁(14)通过第一螺丝(15)与刚梁(2)固定连接，折叠弓形梁(14)通过第二螺丝(13)与凹形杠杆(12) 连接。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，上述卡槽(11)上设置转轴(9 )，转轴(9 )上设置螺母(IO)0
4.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于上述U形外壳(1)的侧壁上设置跳线引出孔(3)，第一光纤光栅(4)、第二光纤光栅(5)的尾纤与跳线熔接后通过跳线引出孔(3)引出到U形外壳(1)外。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，上述密封盖(16)用于其内部部件的安装更换和阻尼液(8)的注入，待其内部的各部件安装完毕后，使用螺纹连接或者胶粘的方式将密封盖(16 )与U形外壳(1)连接，使各部件密封在U形外壳(1)的腔体内。
专利摘要一种光纤光栅振动传感器，涉及光纤光栅振动传感技术领域。本实用新型包括U形外壳、刚梁、第一光纤光栅、第二光纤光栅、质量块、弹簧、阻尼液、卡槽、凹型杠杆、折叠弓形梁、密封盖，U形外壳的开口端设置密封盖，U形外壳的内壁上连接刚梁的一端，刚梁的另一端固定连接折叠弓形梁，折叠弓形梁与凹形杠杆固定连接，固定在卡槽上的凹形杠杆连接质量块，质量块通过弹簧与外壳的内壁连接，折叠弓形梁上分别设置第一光纤光栅、第二光纤光栅，U形外壳内设置阻尼液。本实用新型实现了依据工程实际需要反复设计使用，通过方便的拆卸更换不同尺寸的折叠弓形梁来改变系统刚度，从而实现灵敏度和自振频率可调且具有温度自补偿的目的。
文档编号G01H9/00GK202057412SQ20102069198
公开日2011年11月30日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者冯晨曦, 叶婷, 张少华, 曾捷, 梁大开 申请人:南京航空航天大学