用于船体加速监测的光纤光栅加速传感器及应用的制作方法

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，涉及海洋船舶结构加速度测量。更具体地说是一种用于船体加速监测的光纤光栅加速传感器及应用。

背景技术：

在航海领域，由于海上有太多的不确定性，风浪的冲击使得船体运动状态异常复杂，在舰艇上我们还需要考虑武器发射的冲击，尤其是砰击载荷，这个因素主要造成船舶产生了垂直方向加速度。船体的砰击振动是船舶在进行武器发射、爆炸冲击、船体碰撞、波浪砰击等原因造成的，船体的波浪载荷是砰击载荷的一种，是船舶在河流或者海洋航行中受到水流或风浪冲击所造成的载荷，波浪载荷随机性较强。由于砰击载荷作用在船体上的时间很短，船体来不及发生位移载荷就消失了，传统的适应于船体的加速度传感器并不能直接检测出船体在抨击载荷下的振动响应，加速度传感器的使用可以统计振动大小及振动频率以及振动发生的部位。

用于船体加速监测的光纤光栅加速传感器是在船体结构中设置光纤光栅加速度传感器，实现船体结构加速度的自动监测，为船上决策者提供真实可靠的数据，为保证船体安全提供科学依据，提高安全性能。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种船体加速监测的光纤光栅加速传感器设计，采用对称双铰链设计的光栅加速传感器具有较好的频率响应和较高的灵敏度，实现船舶结构加速度的实时监测。

本发明为了实现上述目的，采用如下的技术方案：

一种船体加速监测的光纤光栅加速传感器，其特征在于所述的传感器系统包括：传感器外壳8、传感器外壳盖3、加速传感器敏感器件、对称双铰链结构。

其中传感器外壳8是由铝合金经过切割、打磨、氧化等步骤加工而成，未经过拼接焊接的过程，传感器外壳8的侧面设有水密法兰2。传感器外壳盖3的四周设有密封凹槽，并在密封凹槽中嵌套安装密封条，在传感器外壳盖3设有外壳盖固定孔7，通过固定螺丝与传感器外壳8进行密封。

加速传感器敏感器件由一根串联两个不同波长的第一光栅5和第二光栅10的预拉伸2nm的光纤1及温度补偿光栅12构成。光纤光栅的两个光栅区域使用环氧树脂粘合剂分别粘贴在左质量块4与右质量块6的上端和下端之间，由水密法兰2连接到传输光缆。

所述的对称双铰链结构，为差分对称铰链结构，它由一整块铍青铜制成，经过线性切割和加工，是一个整体模型。其中包括基座11、基座固定孔9、柔性铰链13、质量块4。质量块4通过柔性铰链13与基座11连接，基座11通过固定螺丝直接连接到传感器外壳8。

本发明所述的船体加速监测的光纤光栅加速传感器的特征在于：

（1）船体加速监测的光纤光栅加速传感器是由传感器外壳8固定在船舶上，用以测量船体的船体加速度值。

（2）加速传感器敏感器件及对称双铰链结构等传感器主体部分由传感器外壳盖3、传感器外壳8组成的密封装置所密封保护，提高了传感器系统的水密性和防破坏性，保证该光纤光栅加速度传感器稳定的工作。

本发明进一步公开了一种船体加速监测的光纤光栅加速传感器的使用方法，其特征在于：

（1）将密封好的传感器固定在船体的船艏位置，传感器内部的光纤通过水密法兰2引出，连接到船体的传输光缆，最终在解调仪端能够实时观测船体结构的加速度值。

（2）传感器利用一体成型铝合金结构及密封盖，提高了系统的水密性和稳定性。水密法兰2的使用可以提升传感器的抗腐蚀性能，减少短路断路发生的情况，提高系统的测量精度，便于后期维护。

本发明更加详细的描述如下：

加速传感器敏感器件由一根串联两个不同波长的第一光栅5和第二光栅10的预拉伸2nm的光纤1及温度补偿光栅12构成。光纤光栅的两个光栅区域使用环氧树脂粘合剂（有市售）分别粘贴在左质量块4与右质量块6的上端和下端之间，由水密法兰2连接到传输光缆。光纤光栅的形变与光纤光栅的波长变化基本是线性关系的，通过解调仪端的补偿算法，获得波长与船舶结构的加速度值之间是呈比例变化的，最终船体结构的加速度值以光纤光栅的波长变化的形式在解调仪端显示。

传感器外壳盖3的四周设有密封凹槽，并在密封凹槽中嵌套安装密封条，在传感器外壳盖3设有外壳盖固定孔7，通过固定螺丝与传感器外壳8进行密封连接，提高了系统的水密性和稳定性。

本发明更进一步公开了用于船体加速监测的光纤光栅加速传感器使用方法在用于船体结构加速度值自动监测方面的应用。仿真实验结果显示该传感器在频率为0-100hz范围内的灵敏度为524pm/g。

本发明主要解决了光纤光栅传感器在恶劣情况下加速度值的测量问题，重点考察了光纤光栅传感器的灵敏度及其频率响应，主要的难点在于光纤光栅传感器系统的稳定性及水密性。

本发明公开的用于船体加速监测的光纤光栅加速传感器及应用与现有技术相比所具有的积极效果在于：

（1）用于船体加速监测的光纤光栅加速传感器设计，针对船体工作环境要求，具有良好的水密性、较好的频率响应、较高的灵敏度。

（2）对称双铰链结构的使用可以大大增强传感器的灵敏度，提升传感器测量船体加速度的范围。

（3）针对海洋潮湿、浪涌等恶劣工作条件，本发明利用铝合金结构外壳及外壳盖，保证了船体加速度值测量的光纤光栅加速传感器在海洋领域应用的耐久性和可靠性。

附图说明

图1为本发明用于船体加速监测的光纤光栅加速传感器结构示意图；

图中：1—光纤，2—水密法兰，3—传感器外壳盖，4—左质量块，5—第一光栅，6—右质量块，7—外壳盖固定孔，8—传感器外壳，9—基座固定孔，10—第二光栅，11—基座，12—温度补偿光栅，13—柔性铰链。

具体实施方式

下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

用于船体加速监测的光纤光栅加速传感器，其特征在于所述的传感器包括：传感器外壳8、传感器外壳盖3、加速传感器敏感器件、对称双铰链结构。其中传感器外壳8是由铝合金经过切割、打磨、氧化等步骤一次性加工而成，未经过拼接焊接的过程，传感器外壳8的侧面设有水密法兰2。传感器外壳盖3的四周设有密封凹槽，并在密封凹槽中嵌套安装密封条，在传感器外壳盖3设有外壳盖固定孔7，通过固定螺丝与传感器外壳8进行密封连接。

加速传感器敏感器件由一根串联两个不同波长的第一光栅5和第二光栅10的预拉伸2nm的光纤1及温度补偿光栅12构成。光纤光栅的两个光栅区域使用环氧树脂粘合剂分别粘贴在左质量块4与右质量块6的上端和下端之间，由水密法兰2连接到传输光缆。

所述的对称双铰链结构，为差分对称铰链结构，它由一整块铍青铜制成，经过线性切割和加工，是一个整体模型。对称双铰链结构的使用可以大大增强传感器的灵敏度，提升传感器测量船体结构加速度的范围。

实施例2

使用方法包括：

（1）将密封好的传感器固定在船体的船艏位置，传感器内部的光纤通过水密法兰2引出，连接到船体的传输光缆，最终在解调仪端能够实时观测船体结构的加速度值。

（2）传感器利用一体成型铝合金结构及密封盖，提高了系统的水密性和稳定性。水密法兰2的使用可以提升传感器的抗腐蚀性能，减少短路断路发生的情况，提高系统的测量精度，便于后期维护。

（3）船体结构的加速度值以光纤光栅的波长变化的形式在解调仪端显示,光纤光栅的形变与光纤光栅的波长变化基本是线性关系的,通过解调仪端的补偿算法,最终获得波长与船体结构的加速度值。

实施例3

使用参考光栅法消除温度对船体结构加速度测量的影响，用一根不受应变作用的光栅实现温度测量，将其熔接到加速度传感器敏感器件，放置在传感器内。传感器一旦封装完成，光纤光栅中心波长变化量将不受温度影响，只与船体加速度改变所引起的应变波长漂移量有关，从而实现温度自补偿的光纤光栅传感器。

实施例4

本发明属于铰链-l型结构，假设f0为固有频率；为振动源的角频率；为固有角频率；为频率比；为阻尼比；a为振动加速度，则由弹性力学原理可知，质量块振动的振幅为：

根据结构的几何关系，当惯性质量部分在外部加速度激励的作用下发生最大转角为的振动时，结构上粘贴的fbg的轴向长度变化量为：

将fbg的轴向长度变化量公式代入光纤光栅中心波长的相对变化量公式，可得相对波长变化量为：

定义中心波长对加速度的响应灵敏度s为波长变化量与加速度的比值，即：

则在外界激励信号作用下，传感器的灵敏度为：

假设外界刺激f<<f0时，本发明加速度传感器在理想平坦区加速度响应灵敏度为：

仿真结果说明：

计算后可得该传感器在频率为0-100hz范围内的灵敏度为524pm/g。