量程可调的光纤光栅二维振动传感器的制作方法

本发明属于振动测量技术领域，具体涉及一种量程可调的光纤光栅二维振动传感器。

背景技术：

现有的常用的二维振动加速度传感器有两类，一类是应变片式等电类振动传感器，该类传感器易受电磁干扰，不能够准确测量，对于较恶劣的工况存在很大的安全隐患。另一类是光纤光栅二维振动传感器，该类虽然具备了抗电磁干扰、体积小、成本低、可动态测量等优点，但有以下的缺点：1)为了满足光纤光栅的精度要求，光纤光栅的测量量程都较小，为了调节光纤光栅的测量量程，需要能够随意调节光纤光栅的灵敏度，并且在满足精度要求下，根据测量量程的范围选择合适的灵敏度，这样就可以实现测量量程的可调，但是目前，光纤光栅的灵敏度很难随意调节；2)二维平面的两个正交方向的灵敏度不同，所合成的总加速度值不够准确；3)温度等偶然因素会对测量进行干扰，使得测量不太精确。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种量程可调的光纤光栅二维振动传感器，该传感器采用光纤光栅作为传感元件，测量精度高，能够灵活改变灵敏度从而调整测量量程，排除了偶然因素的干扰。

本发明所采用的技术方案是：

一种量程可调的光纤光栅二维振动传感器，包括呈筒状且中空的基座，基座内侧面设有凸环、内底面固定有同轴的螺纹圆杆，螺纹圆杆中部通过螺纹配合的套有一对质量环、顶端固定有同轴的光纤固定板，光纤固定板和凸环上固定有一条光纤光栅，光纤光栅上依次设有第一光栅至第四光栅，第一光栅至第四光栅均位于光纤固定板和凸环之间的环空内，以螺纹圆杆轴线上的某一点为原点、经过原点且垂直于轴线的面为坐标面，第一光栅和第二光栅位于X轴方向，第三光栅和第四光栅位于Y轴方向，第一光栅至第四光栅的预紧力均相等。

进一步地，基座外侧面设有与内部连通的操作口。

进一步地，基座顶端通过顶盖封闭，顶盖上设有通过孔。

进一步地，光纤固定板底面中央设有与螺纹圆杆适应的圆形凹槽、顶面设有四个径向的呈90度间隔排布的直线槽，光纤固定板整体呈十字形，四个直线槽分别位于四条边上。

进一步地，螺纹圆杆底端设有凸盘，凸盘与基座通过螺钉连接。

进一步地，光纤固定平板的材质为塑料。

进一步地，质量环的材质为金属材料。

本发明的原理是：

测量时，将该传感器安装在被测物体上，保证基座的底面位于水平面上，当被测物体发生振动时，由于惯性，螺纹圆杆上的质量环会对螺纹圆杆产生作用力，作用力的大小与振动加速度正相关，螺纹圆杆的一端固定一端自由，受到作用力后，其自由端会产生变形，从而引起X轴方向和Y轴方向上的光纤光栅发生拉伸或压缩而获得变形量，通过建立变形量与振动加速度之间的关系，进而可由光纤光栅波长漂移量得到二维振动加速度。

本发明的有益效果是：

1.本发明引入光纤光栅作为传感元件，具有抗电磁干扰，体积小，成本低等优点；本发明装置采用螺纹圆杆作为弹性体承载惯性力，使得二维平面上相同大小的任意方向上的振动引起的圆杆顶端挠度值相等，保证了X轴方向和Y轴方向上的光纤光栅灵敏度相同，由矢量法则合成的加速度更为准确；在圆杆上采用螺纹结构使得质量环的位置可调，改变质量环的高度可以改变质量环对圆杆作用力的位置，从而改变圆杆顶端挠度大小，进而改变光纤光栅传感装置的灵敏度，则测量量程发生改变；在两个相互垂直的方向上各布置了两个光栅，采用差分方法排除了温度等偶然因素对测量的干扰，使得测量更精确。

2.操作口用于调整质量环位置。

3.顶盖防止外部影响光纤光栅，通过孔用于光纤光栅非固定端穿出。

4.安装时，光纤固定板通过底面的圆形凹槽与螺纹圆杆配合粘接、通过直线槽将某个光栅所在的一段光纤光栅的一端粘接固定(另一端固定在凸环上)，光纤固定板整体呈十字形，最大程度减少面积，防止对螺纹圆杆产生变形。

5.凸盘连接，接触面积大，便于定位，稳定性好。

6.光纤固定平板采用塑料，保证强度的同时密度小，自重轻。

7.质量环采用金属材料，密度大，便于对螺纹圆杆产生变形效果。

附图说明

图1是本发明实施例的剖面结构图。

图2是本发明实施例的内部结构示意图。

图3是本发明实施例中光纤固定平板的俯视图及其剖面图。

图4是本发明实施例中光纤固定平板的三维结构示意图。

图5是本发明实施例中螺纹圆杆的三维结构示意图。

图6是本发明实施例中光纤光栅的安装布置图。

图中：1-基座；2-质量环；3-光纤固定板；4-螺纹圆杆；5-顶盖；6-螺钉；7-光纤光栅。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1和图2所示，一种量程可调的光纤光栅7二维振动传感器，包括呈筒状且中空的基座1，基座1内侧面设有凸环、内底面固定有同轴的螺纹圆杆4(螺纹布满圆杆，或者至少在质量环2的行程内布满螺纹)，螺纹圆杆4中部通过螺纹配合的套有一对质量环2(两个质量环2是相同的，通过螺纹调整位置，旋紧使两质量环2的表面紧密接触来实现自锁)、顶端固定有同轴的光纤固定板3，光纤固定板3和凸环上固定有一条光纤光栅7，光纤光栅7上依次设有第一光栅至第四光栅，如图6所示，第一光栅至第四光栅均位于光纤固定板3和凸环之间的环空内，以螺纹圆杆4轴线上的某一点为原点、经过原点且垂直于轴线的面为坐标面，第一光栅和第二光栅位于X轴方向，第三光栅和第四光栅位于Y轴方向，第一光栅至第四光栅的预紧力均相等。

本发明的原理是：测量时，将该传感器安装在被测物体上，保证基座1的底面位于水平面上，当被测物体发生振动时，由于惯性，螺纹圆杆4上的质量环2会对螺纹圆杆4产生作用力，作用力的大小与振动加速度正相关，螺纹圆杆4的一端固定一端自由，受到作用力后，其自由端会产生变形，从而引起X轴方向和Y轴方向上的光纤光栅7发生拉伸或压缩而获得变形量，通过建立变形量与振动加速度之间的关系，进而可由光纤光栅7波长漂移量得到二维振动加速度。

本发明的有益效果是：1)本发明引入光纤光栅7作为传感元件，具有抗电磁干扰，体积小，成本低等优点；2)本发明装置采用螺纹圆杆4作为弹性体承载惯性力，使得二维平面上相同大小的任意方向上的振动引起的圆杆顶端挠度值相等，保证了X轴方向和Y轴方向上的光纤光栅7灵敏度相同，由矢量法则合成的加速度更为准确；3)在圆杆上采用螺纹结构使得质量环2的位置可调，改变质量环2的高度可以改变质量环2对圆杆作用力的位置，从而改变圆杆顶端挠度大小，进而改变光纤光栅7传感装置的灵敏度，则测量量程发生改变；4)在两个相互垂直的方向上各布置了两个光栅，采用差分方法排除了温度等偶然因素对测量的干扰，使得测量更精确。

如图2所示，在本实施例中，基座1外侧面设有与内部连通的操作口。操作口用于调整质量环2位置。

如图1和图2所示，在本实施例中，基座1顶端通过顶盖5封闭，顶盖5上设有通过孔。顶盖5防止外部影响光纤光栅7，通过孔用于光纤光栅7非固定端穿出。

如图3和图4所示，在本实施例中，光纤固定板3底面中央设有与螺纹圆杆4适应的圆形凹槽、顶面设有四个径向的呈90度间隔排布的直线槽，光纤固定板3整体呈十字形，四个直线槽分别位于四条边上。安装时，光纤固定板3通过底面的圆形凹槽与螺纹圆杆4配合粘接、通过直线槽将某个光栅所在的一段光纤光栅7的一端粘接固定(另一端固定在凸环上)，光纤固定板3整体呈十字形，最大程度减少面积，防止对螺纹圆杆4产生变形。

如图1、图2和图5所示，在本实施例中，螺纹圆杆4底端设有凸盘，凸盘与基座1通过螺钉6连接。凸盘连接，接触面积大，便于定位，稳定性好。

在本实施例中，光纤固定平板的材质为塑料(如，聚乙烯)。光纤固定平板采用塑料，保证强度的同时密度小，自重轻。

在本实施例中，质量环2的材质为金属材料(如，不锈钢或者铜合金)。质量环2采用金属材料，密度大，便于对螺纹圆杆4产生变形效果。

本发明具体的测量及计算过程如下。

将该传感器安装在被测物体上，当被测物体发生振动时，螺纹圆杆4受到质量环2的作用力为F＝ma，式中，m为质量环2的质量、a为被测物体的加速度，螺纹圆杆4一端固定另一端自由，受到质量环2的作用力后，螺纹圆杆4顶端的挠度为，

式(1)中，L为螺纹圆杆4上带螺纹的圆杆的长度、h为质量环2的高度(即质量环2中心到螺纹圆杆4底端的上表面的距离)、E为螺纹圆杆4材料的弹性模量(MPa)、I为螺纹圆杆4截面轴惯性矩(式中，D为螺纹中径)。

螺纹圆杆4顶端的挠度ω在X、Y轴方向上的分量为ωx、ωy，则有，

式(3)和(4)中，l1为第一光栅在测量时变形后的长度、l2为第二光栅在测量时变形后的长度、l3为第三光栅在测量时变形后的长度、l4为第四光栅在测量时变形后的长度。

根据光纤光栅7波长漂移量与应变的关系式：式中，λ为光纤光栅7的中心波长、Δλ为光纤光栅7的波长漂移量、Pe为光纤的弹光系数、ε为应变。

在X轴方向上，光纤光栅7波长漂移量与变形量的关系：

上面两式相减，得，

同理Y轴方向上，

在式(5)至式(8)中，l0为光纤光栅7的有效长度、λ1为第一光栅的中心波长、λ2为第二光栅的中心波长、λ3为第三光栅的中心波长、λ4为第四光栅的中心波长、Δλ1为第一光栅的波长漂移量、Δλ2为第二光栅的波长漂移量、Δλ3为第三光栅的波长漂移量、Δλ4为第四光栅的波长漂移量。

联立(1)(3)(7)得，被测物体X轴方向的加速度为，

联立(1)(4)(8)得，被测物体Y轴方向的加速度为，

被测物体的加速度与光纤光栅7波长漂移量的关系为，

由(9)(10)式可知，在X、Y轴方向上，光纤光栅7的波长变化随加速度变化的比例系数是相等的，均为，

通过改变h的大小，可以以二次方的速度改变比例系数的大小，根据结构尺寸要求，可取如下的边界：

时，

时，

两种情况下，灵敏度变化25倍，则量程相应的扩大25倍。一般的，为了保证光纤光栅7的变形量在正常允许的范围内，传感器灵敏度越高，测量的范围就越小。在满足精度要求的情况下，可根据测量的范围选择合适的灵敏度。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。