专利名称：具有自温补功能的高可靠光纤光栅加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种光纤光栅加速度传感器,属于光纤传感技术领域。
背景技术：
目前,光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG,简称光纤光栅)传感技术已经在国内外得到广泛应用，如桥梁、大坝、隧道、建筑等土木工程结构的温度和应カ变形监测，滑坡、泥石流等地质灾害监测，开关柜、变压器、电缆、架空线等输变电设备在线测温，油罐、隧道等火灾自动报警，压カ容器、起重机械等特种设备结构安全监测以及矿井结构安全监测等等。振动的研究和测试是现代エ业发展的一项基础，在科学技术、国民经济和国防领域有着广泛的应用。振动传感器所测量的振动信号可以通过振动加速度或振动幅度来表征，因此振动信号的检测有基于振动加速度的振动检测和基于振动幅度的振动检测的两种方案，而前者是主要的检测方案。根据振动信号物理检测方式的不同，又可以分为电检测式加速度传感器和光检测式加速度传感器。电检测加速度传感器利用振动敏感机构感知振动加速度，振动敏感机构主要由敏感质量块、弹性元件和转换元件构成。电检测加速度传感器主要包括电磁感应式、电容式和压电式三种。在振动加速度的作用下，敏感质量块感知振动加速度而产生运动或应カ变化，带动与之相连的转换元件如电磁线圏、电容极板运动或产生压电晶片的应カ变化，电磁线圈在永磁体的磁场中运动切割磁力线而产生感生电压、电容极板的位置变化改变电容值的大小、压电晶片的应力变化产生的压电信号，从而通过电信号的变化感知振动信号。电检测加速度传感器的敏感器的电输出信号一般十分微弱，需要电信号检测单元中放大电路提供増益，因此电信号检测单元与振动敏感器通常必须封装在同一封装结构中构成加速度传感器，也就是说电信号检测单元与振动敏感器两者是不能分离的。电检测加速度传感器同时还必须自带电源或外部供电。电检测加速度传感器的特点是易受到电磁干扰、信号传输距离近、需要电源供电，因此限制电检测加速度传感器在一些场合如存在电磁干扰、现场供电困难、远距离传输的应用。光检测式加速度传感器利用光信号检测物体的振动，包括非接触式和接触式两种主要形式。非接触式加速度传感器主要是利用光信号直接检测物体某部位表面的振动幅度(即位移)来感知振动，属于绝对振动测量，有光纤位移检测、激光三角法、激光器外腔振荡法等方法。非接触式加速度传感器还有ー种方式是利用光信号检测物体某部位表面的振动速度导致的反射或散射光信号的多普勒频移来感知振动。接触式加速度传感器与振动物体固定连接，利用振动敏感机构感知物体振动加速度，振动敏感机构主要由敏感质量块、弹性元件和转换元件构成。由于光纤传感器具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、适于易燃易爆环境，通常利用光纤来实现，称为光纤加速度传感器或光纤加速度计。光纤加速度传感器根据敏感原理可以分为相位调制型、波长调制型和光强调制型。相位调制型光纤加速度传感器主要利用多种方式将振动信号转化为光相位的变化，然后利用光纤干涉仪，如法布里-珀罗(F-P)干涉仪、迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪来检测相位的变化。这种光纤加速度传感器具有灵敏度高的优点，但光纤干涉仪结构复杂、存在稳定性问题，实用化较为困难，成本也较高。波长调制型光纤加速度传感器主要基于光纤光栅(FBG)传感技术，通过敏感机构带动FBG应カ变形，导致FBG反射波长的变化，利用波长解调得到加速度信号。光纤光栅加速度传感器除具备光纤传感器固有的优点外，由于其输出表征信号为光栅反射的光信号的中心波长，属于数字量，所以具有优异的传输特性(不受光源波动及长距离传输光纤引入衰减的影响)，而且通过不同波长复用可以方便地实现准分布式測量。可以广泛应用于核爆试验、航空航天工程等国防尖端技术领域及水利水エ结构、桥梁和建筑结构、机械设备等的加速度监测与測量。由于光纤光栅本身对温度及应变同时敏感，在使用光纤光栅做为加速度传感器敏感元件时会受到温度的影响而导致測量精度大大降低；此外，光纤光栅虽然具有良好的轴向抗拉伸疲劳能力，但一旦其受カ方向偏离轴向，极易被剪切力折断。针对这些实际工程应用问题，本发明提出一种既能消除温度影响又能避免光纤光栅断裂的具有自温补功能的高可靠光纤光栅加速度传感器。
发明内容
本发明的目的是针对传统光纤光栅传感器灵敏度低，可靠性差的问题，提供ー种具有自温补功能的高可靠光纤光栅加速度传感器。具有自温补功能的高可靠光纤光栅加速度传感器，该传感器包括菱形梁、振动粱、质量块、光纤光栅和传输光纤；所述菱形梁包括菱形筒、一号方形梁、二号方形梁、三号方形梁和四号方形梁；所述菱形筒的横截面为菱形；该菱形筒的两个钝角对应的外侧壁分别固定一号方形梁和二号方形梁，所述一号方形梁和二号方形梁的结构相同，且沿该菱形筒呈镜像对称设置；所述一号方形梁和二号方形梁的中心线与菱形筒的菱形横截面的短对角线重合；该菱形筒的两个锐角对应的外侧壁分别固定三号方形梁和四号方形梁，所述三号方形梁和四号方形梁的结构相同，且沿该菱形筒呈镜像对称设置；所述三号方形梁和四号方形梁的中心线与菱形筒的菱形横截面的长对角线重合；所述三号方形梁与一号方形梁的长度比为2 I ;在三号方形梁上表面的中心线位置上开有U形凹槽，且该U形凹槽贯穿三号方形梁上表面；光纤光栅嵌入在三号方形梁的U形凹槽和四号方形梁的U形凹槽内，且两端分别延伸至U形凹槽外；所述所述振动粱为镜像对称结构，它包括振动片、增敏凹槽、连接底板、振动臂和固定座；所述连接底板的底面、振动臂的底面和固定座的底面是在同一平面内，固定座通过连接底板与振动臂固接为一体，位于连接底板上方的振动片与连接底板形成增敏凹槽；质量块为长方体结构，其上表面沿该表面的中心线开有凹槽，振动梁的振动臂的末端卡在所述凹槽中；所述菱形梁的一号方形梁和二号方形梁的末端分别固定在振动梁的固定座和振动片上，且菱形梁的一号方形梁和二号方形梁的中心线与振动梁的中心线相互平行；三号方形梁和四号方形梁的中心线位于振动片与固定座之间的间隙的中间；光纤光栅嵌入在菱形梁的凹槽内并延伸出菱形梁凹槽；传输光纤连接在光纤光栅延伸至菱形梁凹槽外侧的两端上；所述光纤光栅为光纤马赫-曾德尔干涉仪。本发明的优点是本传感器在振动梁上加工有增敏凹槽，提高了对加速度的检测灵敏度。本发明通过增加了菱形梁，实现了光纤光栅受カ变形方向与振动梁受カ变形方向的坐标轴正交转换，隔绝了振动梁弯曲变形产生的剪切力，保证光纤光栅始终处于直线拉伸状态，提高了光纤光栅加速度传感器的长期可靠性。本发明可通过改变振动梁与菱形梁的各自热膨胀系数，抵消光纤光栅加速度传感器的温度漂移，提高在实际工程中对加速度的检测精度。
图1为本发明菱形梁I的结构示意图；图2为本发明振动粱2的结构示意图；图3为本发明的结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的具有自温补功能的高可靠光纤光栅加速度传感器，该传感器包括菱形梁1、振动粱2、质量块3、光纤光栅5和传输光纤6 ；所述菱形梁I包括菱形筒1-1、一号方形梁1-2、二号方形梁1-3、三号方形梁1-4和四号方形梁1-5;所述菱形筒1-1的横截面为菱形；该菱形筒1-1的两个钝角对应的外侧壁分别固定一号方形梁1-2和二号方形梁1-3，所述一号方形梁1-2和二号方形梁1-3的结构相同，且沿该菱形筒1-1呈镜像对称设置；所述一号方形梁1-2和二号方形梁1-3的中心线与菱形筒1-1的菱形横截面的短对角
线重合；该菱形筒1-1的两个锐角对应的外侧壁分别固定三号方形梁1-4和四号方形梁
1-5，所述三号方形梁1-4和四号方形梁1-5的结构相同，且沿该菱形筒1-1呈镜像对称设置；所述三号方形梁1-4和四号方形梁1-5的中心线与菱形筒1-1的菱形横截面的长对角
线重合；所述三号方形梁1-4与一号方形梁1-2的长度比为2 I ;在三号方形梁1-4上表面的中心线位置上开有U形凹槽，且该U形凹槽贯穿三号方形梁1-4上表面；光纤光栅5嵌入在三号方形梁1-4的U形凹槽和四号方形梁1-5的U形凹槽内，且两端分别延伸至U形凹槽外；所述所述振动粱2为镜像对称结构，它包括振动片2-1、增敏凹槽2-3、连接底板
2-4、振动臂2-5和固定座2-2;所述连接底板2-4的底面、振动臂2_5的底面和固定座2_2的底面是在同一平面内，固定座2-2通过连接底板2-4与振动臂2_5固接为一体，位于连接底板2_4上方的振动片2-1与连接底板2-4形成增敏凹槽2-3 ;质量块3为长方体结构，其上表面沿该表面的中心线开有凹槽，振动梁2的振动臂2-5的末端卡在所述凹槽中；质量块3用于在加速度变化的情况下，产生惯性力来带动振动梁2受カ变形；所述菱形梁I的一号方形梁1-2和二号方形梁1-3的末端分别固定在振动梁2的固定座2-2和振动片2-1上，且菱形梁I的一号方形梁1-2和二号方形梁1-3的中心线与振动梁2的中心线相互平行；三号方形梁1-4和四号方形梁1-5的中心线位于振动片2-1与固定座2-2之间的间隙的中间；光纤光栅5嵌入在菱形梁I的凹槽内并延伸出菱形梁I凹槽；传输光纤6连接在光纤光栅5延伸至菱形梁I凹槽外侧的两端上。
具体实施方式
ニ 下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式ー的进ー步说明，本实施方式所述的所述振动片2-1的固定座2-2的上表面中心线的两侧开有两个螺孔。工作原理本发明的ー种能实现温度自动补偿功能，基于振动梁和菱形梁的双金属热膨胀系数差异消除光纤光栅加速度传感器的温度漂移效应；同时借助菱形梁实现了光纤光栅受カ变形方向与振动梁受カ变形方向的坐标变换，消除振动梁弯曲变形产生的剪切力导致的光纤光栅断裂问题。其光信号经传输光纤到达固定于振动梁上的光纤光栅，由于光纤光栅具有波长选择特性，当入射波长满足布拉格反射条件时，将有部分正向传输的光被耦合为反向传输摸，并沿原光路反射回光纤。本技术的关键在于振动梁具有ー个增敏凹槽，光纤光栅预先固定在菱形梁上，然后再将菱形梁固定在振动梁增敏凹槽的两侧。当振动梁端部的质量块在加速度作用下产生反向的惯性カ后，固定在增敏凹槽上的菱形梁会发生更大的应カ变形，从而使菱形梁上固定的光纤光栅具有对加速度更加灵敏的检测能力。在本发明中，菱形梁与振动梁采用两种具有不同热膨胀系数的金属材质，由此实现了对光纤光栅加速度传感器温度漂移的自动补偿；同时，菱形梁的受カ方向与光纤光栅的受カ方向相垂直，使光纤光栅始终工作在直线拉伸状态，避免了振动梁弯曲产生的剪切力造成的光纤光栅断裂问题，极大提高了光纤光栅加速度传感器的可靠性。因此，本发明从根本上解决了光纤光栅加速度传感器的温度漂移问题和长期可靠性问题，从而满足了实际工程的应用要求。光纤光栅传感技术是光纤传感中可靠性高、实用性强并可波分复用的传感技木。它是采用激光照射法，由中心波长为235nm 248nm的激光光斑经透镜和反射镜多次光路调节后，形成光强均匀分布的长方形激光光斑，然后借助相位掩模板，使激光光斑图形化，沿石英单模光纤轴向形成亮暗相间的等周期衍射条纹，最終导致被图形化光斑照射区域内光纤的折射率发生周期性改变(通过大量的エ艺研究，光纤被光斑照射区域的长度通常控制在8mm-15mm)，照射完成后，单模光纤被照射加工过的区域就具备了布拉格反射特性-当满足布拉格条件的特定波长窄带光入射后，会被该区域反射后沿入射光路原路返回，而其他波长的光信号则被正常透射，通常将光纤的这段区域称为布拉格光栅(FiberBraggGrating)，简称光纤光栅(FBG)。FBG窄带反射谱的中心波长由光栅的等效折射率和折射率变化周期决定，物理量如应变、温度会通过弹光效应、热光效应改变光栅的等效折射率和折射率变化周期，从而使FBG反射谱的中心波长发生漂移，通过用光谱仪或光纤光栅波长解调装置检测FBG反射谱的中心波长变化，可实现对物理量信息的解调。这种技术只有光纤的栅区才对应变和温度敏感，光纤的其他部分对它物理量不敏感，因此，基于FBG波长编码特性，FBG和光纤本身是一体化的，光源強度及其他因素造成的光衰减都不会影响FBG測量精度，同时在ー根光纤上可并接或串接多个具有不同中心波长的FBG传感器进行多点分布式传感测量。光强调制型光纤加速度传感器具有结构简单、成本低廉等优点，可以分为透射式、偏振式和反射式三种。透射式光纤加速度传感器的通常结构发射光纤与敏感质量块相固连，而连接探測器的接收光纤与被测体相固接。在振动加速度的作用下，发射光纤与接收光纤产生相对位移，接收光纤的光信号強度受振动加速度调制。其接收光纤可以为单路，也可以为双路，采用双路接收光纤可以消除光源波动的影响。
权利要求
1.具有自温补功能的高可靠光纤光栅加速度传感器，其特征在于该传感器包括菱形梁(I)、振动粱(2)、质量块(3)、光纤光栅(5)和传输光纤(6)； 所述菱形梁(I)包括菱形筒(1-1)、一号方形梁(1-2)、二号方形梁(1-3)、三号方形梁(1-4)和四号方形梁(1-5)； 所述菱形筒(1-1)的横截面为菱形； 该菱形筒(1-1)的两个钝角对应的外侧壁分别固定一号方形梁(1-2)和二号方形梁(1-3)，所述一号方形梁(1-2)和二号方形梁(1-3)的结构相同，且沿该菱形筒(1-1)呈镜像对称设置；所述一号方形梁(1-2)和二号方形梁(1-3)的中心线与菱形筒(1-1)的菱形横截面的短对角线重合； 该菱形筒(1-1)的两个锐角对应的外侧壁分别固定三号方形梁(1-4)和四号方形梁(1-5)，所述三号方形梁(1-4)和四号方形梁(1-5)的结构相同，且沿该菱形筒(1-1)呈镜像对称设置；所述三号方形梁(1-4)和四号方形梁(1-5)的中心线与菱形筒(1-1)的菱形横截面的长对角线重合； 所述三号方形梁(1-4)与一号方形梁(1-2)的长度比为2 I ;在三号方形梁(1-4)上表面的中心线位置上开有U形凹槽，且该U形凹槽贯穿三号方形梁(1-4)上表面；光纤光栅(5)嵌入在三号方形梁(1-4)的U形凹槽和四号方形梁(1-5)的U形凹槽内，且两端分别延伸至U形凹槽外； 所述振动粱(2)为镜像对称结构，它包括振动片(2-1)、增敏凹槽(2-3)、连接底板(2-4)、振动臂(2-5)和固定座(2-2);所述连接底板(2-4)的底面、振动臂(2_5)的底面和固定座(2-2)的底面是在同一平面内， 固定座(2-2)通过连接底板(2-4)与振动臂(2-5)固接为一体，位于连接底板(2-4)上方的振动片(2-1)与连接底板(2-4)形成增敏凹槽(2-3)； 质量块(3)为长方体结构，其上表面沿该表面的中心线开有凹槽，振动梁(2)的振动臂(2-5)的末端卡在所述凹槽中； 所述菱形梁(I)的一号方形梁(1-2)和二号方形梁(1-3)的末端分别固定在振动梁(2)的固定座(2-2)和振动片(2-1)上，且菱形梁(I)的一号方形梁(1-2)和二号方形梁(1-3)的中心线与振动梁(2)的中心线相互平行；三号方形梁(1-4)和四号方形梁(1-5)的中心线位于振动片(2-1)与固定座(2-2)之间的间隙的中间； 光纤光栅(5)嵌入在菱形梁(I)的凹槽内并延伸出菱形梁(I)凹槽； 传输光纤(6)连接在光纤光栅(5)延伸至菱形梁I凹槽外侧的两端上。
2.根据权利要求1所述的具有自温补功能的高可靠光纤光栅加速度传感器，其特征在于所述振动梁(2)的固定座(2-2)的上表面中心线的两侧开有两个螺孔。
全文摘要
具有自温补功能的高可靠光纤光栅加速度传感器，属于光纤传感技术领域。它解决了传统光纤光栅振动传感器敏度低，可靠性差的问题。它包括菱形梁、振动梁、质量块、光纤光栅和传输光纤，所述振动梁包括振动片、曾敏凹槽、连接底板、振动臂和固定座；所述菱形梁的两个短的方形梁的末端分别固定在振动梁上，且该两个短方形梁的中心线与振动梁的中心线相互平行；菱形梁的两个长的方形梁的中心线位于振动片与固定座之间的间隙的中间；光纤光栅嵌入在菱形梁的凹槽内并延伸出菱形梁凹槽；传输光纤连接在光纤光栅延伸至菱形梁凹槽外侧的两端上；所述光纤光栅为光纤马赫-曾德尔干涉仪。本发明适用于光纤传感技术领域。
文档编号G01P15/03GK103063872SQ20121058960
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者熊燕玲, 钟少龙, 杨文龙, 盛立文, 沈涛, 李乔艺, 梁欢, 李守铎, 王丽 申请人:哈尔滨理工大学