专利名称：温度补偿型光纤光栅加速度计探头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光纤光栅传感技术、工程力学和光电检测等技术领域，特别是一种不受电磁干扰、尺寸小、能自动消除温度噪声的温度补偿型光纤光栅加速度计探头。
背景技术：
混凝土提坝、卫星发射台和海上开采平台等大型工程结构中由于应力集中而产生一种振幅微小(10_8-10_1(lm)应力波。这种应力波振动频率一般在IOOHz以下，它广泛存在于工程应用领域中，它反映了处于微振物体的本质状态特征，而表征这种应力波最直接的参数是其振动加速度。通过对加速度进行分布式精确测量可实现振动体的状态分析和故障诊断。振动监测系统中对振动信号进行拾取主要依靠电磁类加速度传感器来实现，虽然电磁类加速度传感器已在振动测量中得到了广泛应用，但是其自身存在的诸多缺陷使得电磁类加速度传感器在振动测量领域的应用受到很大的限制，如电磁干扰和温度噪声不能从根本上消除，信号之间的串音、测量探头复杂，以及电线总体积大、布置空间容易受到等问题难以解决。近年来，许多光纤传感器被应用于振动监测和信息采集中，并受到广泛关注和大力推广，其中光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)传感器最具有发展前景。
发明内容本实用新型的目的是提供一种温度补偿型光纤光栅加速度计探头，其基于光纤布拉格光栅设计，在能够实现低频振动加速度测量的基础上，具有尺寸小，质量轻的特点，在应用时不受电磁干扰以及光路中功率波动等的影响，且能自动消除温度噪声和相位噪声的影响。为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是一种温度补偿型光纤光栅加速度计探头，包括壳体，壳体内设有弹簧片、惯性质量块和弹性管件；弹簧片数量为2个，2个弹簧片位于同一水平面上，且对称的安装于惯性质量块的两侧；各弹簧片的一端固定在壳体上，另一端固定在惯性质量块上；弹性管件竖直放置，其上端固定于壳体上，下端位于惯性质量块的上方；弹性管件中设有第一光纤光栅和第二光纤光栅，第一光纤光栅刚性粘贴于弹性管件的内壁上，第二光纤光栅通过光纤连接第一光纤光栅的下端；第一光纤光栅的上端通过光纤连接到壳体外部。作为一种改进，本实用新型还包括基座，基座连接壳体下端，基座上表面中心与壳体下端面中心重合；基座的底面积大于壳体下端面的面积。基座与壳体可以为整体结构，基座的设置可使本实用新型的探头在应用时便于安装或放置，更好的避免其它振动造成的干扰，保证测量的灵敏度和精确度。进一步的，本实用新型所述弹簧片的截面为矩形，且两个弹簧片的长度相等。矩形截面的弹簧片可使得在惯性质量块振动时，引起的钢管以及光纤光栅的应变为线性应变， 便于分析。更进一步的，本实用新型中所述弹性管件为钢管，弹性管件的作用为在有加速度时，惯性质量块的上下振动会引起钢管的应变，刚性粘贴于刚关上的光纤光栅也会有同样的应变，从而可实现本实用新型信号采集分析的目的。弹性管件选择为钢管既可满足应变要求的弹性系数，又不会因为弹性过大在应变过程中对光纤光栅造成损坏。上述钢管下端在惯性质量块上的投影位于惯性质量块上表面的中间部位。在有加速度时，钢管与惯性质量块的位移幅度最大的部位相对应，可提高本实用新型的灵敏度。优选的，本实用新型所述惯性质量块为立方体。两个弹簧片支撑惯性质量块并约束质量块的振动方向。形状规则的惯性质量块更利于分析，能够保证本实用新型的测量精确度。在应用中，当有加速度时，惯性质量块上下振动力使钢管产生应变并带动光纤光栅应变，通过检测光纤光栅的应变可得到加速度大小。有益效果本实用新型采用光纤光栅作为敏感元件，可免受电磁干扰，适合于复杂电磁环境使用。应用原理是将加速度引起的钢管应变量转换为光纤光栅的中心波长漂移量，不受测量系统中光路功率波动影响。双光纤光栅结构中，其中一光纤光栅粘贴于钢管内壁，与钢管有相同应变，而另一光纤光栅悬空自由放置，温度变化对两光纤光栅中心波长的影响相同， 因此在测量中能够进行温度的自动补偿，克服了一般光纤光栅传感器温度、应变交叉敏感问题。同时本实用新型结构较为简单，体积较小，易于形成分布式传感网络，进行多点加速度测量，同时成本较低，安装简单，易于推广。
图1所示为本实用新型结构示意图；图2所示为图1的局部剖视主视图；图3所示为光纤光栅传感系统示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的内容更加明显易懂，
以下结合附图和具体实施方式
做进一步描述。结合图1和图2，本实用新型包括壳体1，壳体1内设有弹簧片3、惯性质量块2和弹性管件6 ；弹簧片3数量为2个，2个弹簧片3位于同一水平面上，且对称的安装于惯性质量块2的两侧；各弹簧片3的一端固定在壳体1上，另一端固定在惯性质量块2上；弹性管件6竖直放置，其上端固定于壳体1上，下端位于惯性质量块2的上方；弹性管件6为钢管， 其内部设有第一光纤光栅41和第二光纤光栅42，第一光纤光栅41刚性粘贴于弹性管件6 的内壁上，第二光纤光栅42通过光纤连接第一光纤光栅41的下端；第一光纤光栅41的上端通过光纤连接到壳体1外部。壳体1的下端连接有基座11，基座11与壳体1的中心重合；基座11的底面积大于壳体1下端轮廓面积。基座11与壳体1为整体结构，基座11的设置可使本实用新型在应用时便于安装或放置，更好的避免其它振动造成的干扰，保证测量的灵敏度和精确度。本实用新型中弹簧片3的截面为矩形，且两个弹簧片3的长度相等，惯性质量块2 为立方体，两个弹簧片支撑惯性质量块并约束质量块的振动方向；钢管下端在惯性质量块2上的投影位于惯性质量块上表面的中间部位，即在有加速度时，钢管与惯性质量块的位移幅度最大的部位相对应，可提高本实用新型的灵敏度。矩形截面的弹簧片可使得在惯性质量块振动时，引起的钢管以及光纤光栅的应变为线性应变，便于分析。本实用新型在应用时基于光纤光栅传感原理，具体为忽略温度和应变的交叉敏感，分别考察仅在单一温度或应变作用下FBG的传感特性。温度引起的光纤光栅Bragg波长变化公式为Δ λ Β/ λ Β = (α + ξ)ΔΤ = ΚτΔΤ其中式中丄.义为光纤的热膨胀系数Z = 1·、为光纤的热光系数，Kt为
Λ dT^ff dT
光纤光栅相对波长温度灵敏度系数。由(1)式可知，ΔΤ与Δ λΒ存在着线性关系，通过检测波长的移位，即可确定被测温度变化量。光纤轴向应变ε引起的光纤光栅Bragg波长变化公式为Δ λΒ/λΒ = (I-Pe) ε ζ = Κε ε式中，Pe为有效弹光系数，尺=<[^-《4+巧2)]/2，其中Ρη、Ρ12为弹光系数，υ
为光纤泊松比；ΚΕ为光纤光栅相对波长应变灵敏度系数。与温度类似，ΔλB与ε也成线性关系，由Δ λ B可方便地求出外界应变ε。由上可知，光栅Bragg波长变化与应变和温度的变化关系为ΔλΒ/λΒ = (α + ξ) ΔΤ+(1-Ρε) ε = ΚτΔΤ+Κε ε (1)显然，光栅中心反射波长对应变和温度都是敏感的，测量一个量的同时，势必要受到另一个量的影响。由此可见，解决应变和温度交叉敏感的问题是FBG传感检测技术实用化的关键。如图3所示为光纤光栅传感系统示意图。从宽带光源发出的光经耦合器传送到传感光栅上，传感光栅反射回一个中心波长为Bragg波长λΒ的窄带光波，待测量(应变、温度等)加在传感光栅上使λB产生漂移Δ λ Β，这个产生漂移的反射窄带光波又经耦合器导入波长检测系统，从中检测出△ λ Β，进而确定待测量。本实用新型结构设计及工作原理温度补偿型光纤光栅加速度计探头结构如图1、2所示。探头主要有惯性质量块、 两个弹簧片、钢管、壳体、基座和两个个光纤光栅等组成。两个弹簧片为矩形截面，水平、对称安装于惯性质量块两侧中间位置，一侧固定在质量块上，另一侧固定在壳体上。两个弹簧片支撑惯性质量块并约束质量块的振动方向。惯性质量块采用立方体结构。钢管竖直固定在惯性质量块上方中间位置，另一端固定在壳体上。两个光纤光栅串联焊接于一根光纤上， 其中光纤光栅一(FBGl)刚性粘贴于钢管内壁，并确保粘贴的牢固性和准直性，光纤光栅二 (FBG2)悬空自由放置，传感器信号通过尾纤输出。当有加速度时，惯性质量块上下振动，设其振动加速度为a，则惯性质量块所受到的惯性力为F = ma。在质量块惯性力F作用下，钢管产生径向应变变化，FBGl也产生同样应变变化，钢管应变不影响FBG2。设弹簧片厚度为h，长度为1，宽度为b，依据材料力学和弹性力学知识可得两个弹簧片的弹性系数为Γ π。EJ) f h、3 EJj (h、3
到^ =2寸&计J式中E1为弹簧片弹性模量。设钢管长度为L，内径和外径分别为Cl1和d2，弹性模量为E2，钢管的弹性系数为
权利要求1.一种温度补偿型光纤光栅加速度计探头，其特征是，包括壳体，壳体内设有弹簧片、惯性质量块和弹性管件；弹簧片数量为2个，2个弹簧片位于同一水平面上，且对称的安装于惯性质量块的两侧；各弹簧片的一端固定在壳体上，另一端固定在惯性质量块上；弹性管件竖直放置，其上端固定于壳体上，下端位于惯性质量块的上方；弹性管件中设有第一光纤光栅和第二光纤光栅，第一光纤光栅刚性粘贴于弹性管件的内壁上，第二光纤光栅通过光纤连接第一光纤光栅的下端；第一光纤光栅的上端通过光纤连接到壳体外部。
2.根据权利要求1所述的温度补偿型光纤光栅加速度计探头，其特征是，还包括基座，基座连接壳体下端，基座上表面中心与壳体下端面中心重合；基座的底面积大于壳体下端轮廓面积。
3.根据权利要求1或2所述的温度补偿型光纤光栅加速度计探头，其特征是，所述弹簧片的截面为矩形，且两个弹簧片的长度相等。
4.根据权利要求1或2所述的温度补偿型光纤光栅加速度计探头，其特征是，所述弹性管件为钢管。
5.根据权利要求4所述的温度补偿型光纤光栅加速度计探头，其特征是，所述钢管下端在惯性质量块上的投影位于惯性质量块上表面的中间部位。
6.根据权利要求1或2所述的温度补偿型光纤光栅加速度计探头，其特征是，所述惯性质量块为立方体。
专利摘要本实用新型公开一种温度补偿型光纤光栅加速度计探头，其包括壳体，壳体内设有2个弹簧片、惯性质量块和弹性管件；2个弹簧片位于同一水平面上，且对称的安装于惯性质量块的两侧；各弹簧片的一端固定在壳体上，另一端固定在惯性质量块上；弹性管件竖直放置，其上端固定于壳体上，下端位于惯性质量块的上方；弹性管件中设有第一光纤光栅和第二光纤光栅，第一光纤光栅刚性粘贴于弹性管件的内壁上，第二光纤光栅通过光纤连接第一光纤光栅的下端；第一光纤光栅的上端通过光纤连接到壳体外部。当有加速度时，惯性质量块上下振动力使钢管产生应变，并带动光纤光栅应变，通过检测光纤光栅的应变可得到加速度的大小，且能够消除温度和相位噪声的影响。
文档编号G01P15/03GK202330457SQ201120442578
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月9日 优先权日2011年11月9日
发明者应明峰, 李国利, 杭阿芳 申请人:金陵科技学院