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

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：
具有自温补功能的高可靠光纤光栅加速度传感器技术领域[0001]本实用新型涉及一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：
[0002]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力变形监 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，压力容器、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。[0003]振动的研究和测试是现代工业发展的一项基础，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。[0004]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力变化， 带动与之相连的转换元件如电磁线圈、电容极板运动或产生压电晶片的应力变化，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 增益，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。[0005]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一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。[0006]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应力变形，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测量。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工结构、桥梁和建筑结构、机械设备等的 加速度监测与测量。[0007]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测量精度大大降低；此外，光纤光栅虽然具有良好的轴 向抗拉伸疲劳能力，但一旦其受力方向偏离轴向，极易被剪切力折断。针对这些实际工程应 用问题，本实用新型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。实用新型内容[0008]本实用新型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 一种具有自温补功能的高可靠光纤光栅加速度传感器。[0009]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、 质量块和光纤光栅；[0010]所述菱形梁包括菱形筒和四个方形梁；[0011]所述菱形筒的横截面为菱形；所述四个方形梁顺时针固定在该菱形筒的四个角对 应的外侧壁上；[0012]所述菱形筒和四个方形梁位于同一平面上；[0013]位于菱形筒两个锐角对应外侧壁的两个方形梁的上表面设置有U形凹槽；[0014]所述振动粱包括增敏凹槽、振动臂和固定座；[0015]固定座通过增敏凹槽与振动臂固接为一体；[0016]质量块为上表面的中心线开有凹槽的长方体结构，振动梁的振动臂的末端卡在所 述凹槽中；[0017]所述位于菱形筒两个钝角对应外侧壁的两个方形梁的末端固定在振动粱的增敏 凹槽上，[0018]光纤光栅嵌入在菱形梁的凹槽内并延伸出菱形梁凹槽。[0019]本实用新型的优点是: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。[0020]本实用新型通过增加了菱形梁，实现了光纤光栅受力变形方向与振动梁受力变形 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。[0021]本实用新型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。


[0022]图1为本实用新型菱形梁I的结构示意图；[0023]图2为本实用新型振动粱2的结构示意图；[0024]图3为本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
[0025]具体实施方式
一:下面结合图1至图3说明本实施方式，[0026]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和光纤光栅5 ；[0027]所述菱形梁I包括菱形筒1-1和四个方形梁1-2 ；[0028]所述菱形筒1-1的横截面为菱形；所述四个方形梁1-2顺时针固定在该菱形筒 1-1的四个角对应的外侧壁上；[0029]所述菱形筒1-1和四个方形梁1-2位于同一平面上；[0030]位于菱形筒1-1两个锐角对应外侧壁的两个方形梁的上表面设置有U形凹槽；[0031]所述振动粱2包括增敏凹槽2-1、振动臂2-2和固定座2_3 ；[0032]固定座2-3通过增敏凹槽2-1与振动臂2-2固接为一体；[0033]质量块3为上表面的中心线开有凹槽的长方体结构，振动梁2的振动臂2-2的末 端卡在所述凹槽中；[0034]所述位于菱形筒1-1两个钝角对应外侧壁的两个方形梁的末端固定在振动粱2的 增敏凹槽2-1上，[0035]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。[0036]具体实施方式
二: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 一的进一步说明，本实施方式所述振动梁2的固定座2-2的上表面中心线的两侧开有两个 螺孔。[0037]工作原理:[0038]本实用新型的一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 受力变形方向与振动梁受力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。[0039]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模， 并沿原光路反射回光纤。本技术的关键在于振动梁具有一个增敏凹槽，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力后，固定在增敏凹槽上的菱形梁会发生更大的应力变形，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。在本实用新型中，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，菱形梁的受力方向与光纤光栅的受力方向相垂直，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，本实用新型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。[0040]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术。 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，最终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(通过大量的工艺研究，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(Fiber BraggGrating)，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，光源强度及其他因素造成的光衰减都不会影响 FBG测量精度，同时在一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。[0041]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，而连接探测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，接收光纤的光信号强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)和光纤光栅(5)；所述菱形梁(I)包括菱形筒(1-1)和四个方形梁(1-2)；所述菱形筒(1-1)的横截面为菱形；所述四个方形梁(1-2)顺时针固定在该菱形筒 (1-1)的四个角对应的外侧壁上；所述菱形筒(1-1)和四个方形梁(1-2)位于同一平面上；位于菱形筒(1-1)两个锐角对应外侧壁的两个方形梁的上表面设置有U形凹槽；所述振动粱(2)包括增敏凹槽(2-1)、振动臂(2-2)和固定座(2-3)；固定座(2-3)通过增敏凹槽(2-1)与振动臂(2-2)固接为一体；质量块(3)为上表面的中心线开有凹槽的长方体结构，振动梁(2)的振动臂(2-2)的 末端卡在所述凹槽中；所述位于菱形筒(1-1)两个钝角对应外侧壁的两个方形梁的末端固定在振动粱(2)的 增敏凹槽(2-1)上，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。
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。
专利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传感器灵敏度低，可靠性差的问题。它包括菱形梁、振动粱、质量块和光纤光栅，菱形梁包括菱形筒和四个方形梁；菱形筒的横截面为菱形；四个方形梁顺时针固定在该菱形筒的四个角对应的外侧壁上，且均在同一平面上；位于菱形筒两个锐角对应外侧壁的两个方形梁的上表面设置有U形凹槽；振动粱包括增敏凹槽、振动臂和固定座；固定座通过增敏凹槽与振动臂固接为一体；振动臂末端卡在质量块上表面的凹槽中；位于菱形筒两个钝角对应外侧壁的两个方形梁的末端固定在振动粱的增敏凹槽上，光纤光栅嵌入在菱形梁的凹槽内并延伸出该凹槽。适用于光纤传感技术领域。
文档编号G01P15/03GK202975044SQ20122074570
公开日2013年6月5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, 盛立文, 杨文龙, 沈涛, 李乔艺, 梁欢, 李守铎, 王丽 申请人:哈尔滨理工大学