一种小型光纤光栅二维振动传感器的制作方法

本发明涉及光纤光栅振动传感器技术领域，具体涉及一种小型光纤光栅二维振动传感器。

背景技术：

在一些应用场合，如汽车、机器人、航空航天等领域常需要对加速度进行二维或多维度测量。常用的二维振动传感器包含两种，一种是基于电测式的，具有测量范围广、灵敏度与分辨率高、应用广泛等优点，但是其也具有抗电磁干扰能力差、严酷环境下存在安全隐患等不足。另一类是基于光纤光栅（fbg）式的，具有抗电磁干扰、可靠性高、易于复用等特点，是光纤传感领域的研究热点之一。目前许多基于fbg设计的二维振动传感器存在体积大、响应频率低的问题，不适用于一些测量场合要求传感器具有小尺寸、高频率响应特点，因此使得fbg振动传感器的应用场合有局限性。

专利号cn201611157807.1中设计了一种量程可调的光纤光栅二维振动传感器，通过调整螺杆上质量环的位置达到调节传感器量程的目的。但是，这种传感器尺寸体积较大，使用工作频率较低，并且由于弹性体3与基座间采用螺栓固定，稳定性较差。专利号cn201510003824.9中设计了一种具有温度补偿的光纤光栅二维振动传感器，这种传感器通过设置参考光纤光栅，对感应光栅做差分处理消除温度的影响，这种方案可以提高传感器抗温度干扰的特性，但是光纤在弹性体上的布设复杂，且同样具有体积较大、工作频率较低的缺点。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是，针对上述现有光纤光栅二维振动传感器存在的体积大、频率响应低以及加工装配复杂的问题，提出一种小型光纤光栅二维振动传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种小型光纤光栅二维振动传感器，包括壳体、壳体内的光纤和位于光纤上的光栅，其特征在于：所述的壳体内设有弹性体，弹性体包括2个上下交叉布置的两个柔性铰链，以两个柔性铰链的弯折方向为x轴和y轴，使得弹性体能够绕x轴和y轴摆动；

弹性体上还设有用于安设和固定所述光纤的槽，以及用于放置所述光栅的间隙；所述的光栅为4个，所述的槽和间隙使得：当弹性体绕x轴摆动时，有1个光栅轴向拉伸、1个光栅轴向收缩；当弹性体绕y轴摆动时，有1个光栅轴向拉伸、1个光栅轴向收缩；

所述的4个光栅为光纤布拉格光栅，且4个光栅的中心波长各不相同。

按上述方案，所述的弹性体还包括与壳体的底部固定连接的基座、中间的连接块、以及上部的质量块；其中，基座与连接块之间通过一个所述的柔性铰链连接，连接块与质量块通过另一个所述的柔性铰链连接；所述的槽设置在质量块与基座上，所述的间隙位于质量块与基座之间；所述的基座、连接块、质量块和柔性铰链为一体化结构。

按上述方案，所述的x轴和y轴之间为90度；以所述光栅的轴向为z轴，z轴与所述的x轴和y轴分别垂直；所述的槽沿z轴方向圆周均匀分布在所述的质量块和基座的表面。

按上述方案，所述的壳体顶部设有端盖。

按上述方案，所述的壳体上设有光纤引出孔，所述的光纤从其中一个光纤引出孔中穿入、沿弹性体的槽绕过并固定后从另一个光纤引出孔中穿出，所述的光栅在初始状态下加预应力固定；所述的初始状态为弹性体无任何摆动状态。

按上述方案，所述的弹性体和壳体为金属材料。

按上述方案，所述的2个柔性铰链分别为第一柔性铰链和第二柔性铰链，第一柔性铰链沿x轴方向、与基座和连接块连接，第二柔性铰链沿y轴方向、与连接块和质量块连接；

所述的槽分别为第一粘贴槽、第二粘贴槽、第三粘贴槽和第四粘贴槽，第一粘贴槽和第三粘贴槽分别位于第二柔性铰链的两侧，第二粘贴槽和第四粘贴槽分别位于第一柔性铰链的两侧，且每个槽均包括位于基座上的一段和位于质量块上的一段，两段之间为所述的间隙；所述的4个光栅的两端分别对应固定在所述的第一粘贴槽、第二粘贴槽、第三粘贴槽和第四粘贴槽中。

本发明的工作原理为：传感器使用时，将其固定到被测物体上。被测物体x或y轴方向的振动带动弹性体绕柔性铰链摆动，引起对应的2个光栅轴向拉伸和收缩，反射波长漂移，利用解调仪解调两个光栅波长漂移量并做差分，通过波长漂移量与加速度关系计算得到x或y轴方向振动加速度。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过利用带双柔性铰链的弹性体，从而测量相互垂直的两个方向的振动加速度参量，利用一个拉伸一个收缩两个光栅差分处理，消除温度以及待测方向外振动等对传感器影响；本发明整体结构简单、体积小巧、装配方便，成本低，长期可靠性好，易于实现在小型结构的机械结构上使用。

2、弹性体整体一体化加工，简化传感器制作加工复杂程度，并提高了传感器工作时的稳定性。

附图说明

图1是本发明一实施例的结构示意图（去一半壳体）；

图2是本发明一实施例的俯视图（去端盖）；

图3是本发明一实施例弹性体的前视图；

图4是图3的右视图；

图5是本发明一实施例弹性体的轴测图；

附图中各部件的标记如下：1、端盖；2、壳体；3、弹性体；4、质量块；5、基座；6、第一柔性铰链；7、第二柔性铰链；8、第一粘贴槽；9、第二粘贴槽；10、第三粘贴槽；11、第四粘贴槽；12、光纤；13、第一光栅；14、第二光栅；15、第三光栅；16、第四光栅；17、第一光纤引出孔；18、第二光纤引出孔；19、连接块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1至图5，一种小型光纤光栅二维振动传感器，包括筒状且中空的壳体2，端盖1，基于上下两个交叉柔性铰链的弹性体3，壳体2下端与基座5的台阶螺纹连接，上端与端盖1螺纹连接，光栅粘贴到弹性体3的槽上，从壳体2出口处穿出。

弹性体3具有基座5、第一柔性铰链6、第二柔性铰链7、质量块4、第一粘贴槽8、第二粘贴槽9、第三粘贴槽10、第四粘贴槽11。第一柔性铰链6沿x轴方向，下端与基座5固定连接，上端可绕x轴旋转；第二柔性铰链7沿y轴方向，上端与质量块4固定连接，下端可绕y轴旋转，质量块随柔性铰链一起旋转；第二柔性铰链7下端与第一柔性铰链6上端间成90°交叉分别连接到连接块19上下两端；四个粘贴槽沿z轴方向圆周均匀分布于弹性体质量块4与基座5表面，x、y、z轴构成三维坐标系，坐标系的原点为o点，第一、第三粘贴槽位于传感器yoz平面，位于第二柔性铰链7左右两侧，质量块4与基座5的台阶上，第二、第四光纤光栅粘贴槽位于传感器xoz平面，位于第一柔性铰链6左右两侧，位于质量块4与基座5上台阶处。

光纤12上依次分布有四个光栅，第一光栅13粘贴到第一粘贴槽8中，左右两端分别固定于质量块4和基座5，栅区置于质量块4与基座5之间的空隙处；第二光栅14粘贴到第二粘贴槽9中，左右两端分别固定于质量块4和基座5，栅区置于质量块4与基座5之间的空隙处；第三光栅15粘贴到第三粘贴槽10中，左右两端分别固定于质量块4和基座5，栅区置于质量块4与基座5之间的空隙处；第四光栅16粘贴到第四粘贴槽11中，左右两端分别固定于质量块4和基座5，栅区置于质量块4与基座5之间的空隙处。纤光栅的固定方式是利用树脂粘接剂或玻璃焊接固定，粘贴时加预应力。4个光栅为光纤布拉格光栅，且4个光栅的中心波长各不相同。

光纤12两端分别从位于壳体2下端的左右两个光纤引出孔（即第一光纤引出孔17和第二光纤引出孔18）穿出，光纤引出孔位于传感器下端，提高传感器工作时的稳定性。

端盖1、壳体2、弹性体3的材料为金属。弹性体3的材料具体为铜合金或不锈钢或其他满足使用要求的材料。

传感器使用时，将其固定到被测物体上。被测物体y轴方向的振动带动质量块4绕第一柔性铰链6（即x轴）振动，引起第二光栅14轴向拉伸（收缩）与第四光栅16轴向收缩（拉伸），反射波长漂移，利用解调仪解调两个光栅波长漂移量并做差分，通过波长漂移量与加速度关系计算得到y轴方向振动加速度；被测物体x轴方向的振动带动质量块4绕第二柔性铰链7（即y轴）振动，引起第一光栅13轴向拉伸（收缩）与第三光栅15轴向收缩（拉伸），反射波长漂移，利用解调仪解调两个光栅波长漂移量并做差分，通过波长漂移量与加速度关系计算得到x轴方向振动加速度。差分处理可以消除温度以及待测方向外振动等对传感器影响。

在本实施例中，传感器的尺寸为φ10×27mm，固有频率为1365hz，灵敏度约为20pm/g。

本发明通过设计新型的基于双柔性铰链弹性体，能够测量相互垂直的两个方向的振动加速度参量；一阶固有频率可达1400hz，频率响应范围10-700hz；质量块与基座一体化加工，简化传感器制作加工复杂程度，并提高传感器工作时的稳定性。本发明结构简单，尺寸小巧，成本低，长期可靠性好，易于实现在小型结构的机械结构上使用。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。