一种适用于极端低温环境下振动测量的FBG加速度传感器

本发明涉及光纤光栅传感领域，具体涉及一种适用于极端低温环境下振动测量的fbg加速度传感器。

背景技术：

1、随着深空探测、低温治疗、量子计算等技术的发展，越来越多的装备需要在极端低温工况下服役，许多材料、结构和部件设备处于强磁场、大电流、辐照、高压等极端低温的苛刻环境中，超低温下的振动问题日益显现。提高超低温环境下振动监测的能力，对保障低温装备的安全运行具有重要意义。低温下材料的脆化、大温变下冷却过程引起的热应力与机械应力等导致低温构件远低于屈服强度应力状态下发生脆性断裂或失效，特别是在负荷波动、环境复杂多变的服役状态下，易受到多种损伤机制和失效模式的交互作用，因此对深冷复杂环境下重大工程和装备的振动测量面临极大挑战。

2、而现有应用于极端低温振动测量的加速度传感器主要为电类传感器，存在电磁干扰严重、传输距离有限、响应时间滞后、布线复杂等难以克服缺陷。fbg加速度传感器具有抗电磁干扰、本质安全、响应快速和远程传输的独特优势，在保障极端低温下装备与工程可靠安全运行方面具有良好的应用前景。但是针对极端低温环境下fbg传感器的研发，现阶段仅有温度、应变、压力、位移等传感类型，急需开发一种适用于极端低温环境下振动测量的fbg加速度传感器。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种适用于极端低温环境下振动测量的fbg加速度传感器，以实现极端低温环境下对于加速度的准确测量。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种技术方案：一种适用于极端低温环境下振动测量的fbg加速度传感器，包括壳体，以及固定于壳体中设置的传感组件；壳体的一侧设有供光纤穿过的一对出纤管；传感组件包括一体成型的传感弹性元件和光纤，传感弹性元件包括依次连接的安装基座、弹性铰链以及质量块，安装基座与质量块间设有空挡，空挡位于弹性铰链两侧；光纤在质量块一侧弯折后分别固定于安装基座和质量块两侧的沟槽中，且光纤设置有一对fbg，所述的一对fbg对称设置于弹性铰链两侧的空挡中。

3、按上述方案，安装基座上设置有螺纹孔，壳体侧面设置有与安装基座螺纹孔相对应的通孔，设有穿过壳体侧面通孔后与安装基座的螺纹孔固定连接的螺栓，用于将安装基座固定于壳体。

4、按上述方案，所述的安装基座、弹性铰链以及质量块由因瓦合金或艾林瓦合金材料一体成型加工得到。

5、按上述方案，fbg的栅区长度为5～10mm。

6、按上述方案，弹性铰链为直圆弧铰链，或为椭圆弧铰链，或为抛物线弧铰链，或为球弧形铰链。

7、按上述方案，光纤与安装基座及质量块的沟槽的连接点处设置有包覆于光纤外的金属涂层。

8、按上述方案，金属涂层通过低温胶粘贴或微型镍管焊接固定于安装基座及质量块的沟槽中。

9、按上述方案，壳体外设置有与壳体内腔连通的单向真空阀。

10、一种用于制备上文所述的适用于极端低温环境下振动测量的fbg加速度传感器的制备工艺，包括以下步骤；

11、s1、通过一体成型加工得到传感弹性元件；

12、s2、清洗光纤，对光纤的与安装基座和质量块的连接处进行化学刻蚀，而后对该连接处进行金属表面沉积，形成金属涂层；

13、s3、清洗传感弹性元件；将光纤绕于安装基座和质量块的外侧，并将光纤的金属涂层与安装基座和质量块分别固定，制成传感组件；

14、s4、将传感组件与壳体固定，将光纤两端分别穿过一对出纤管；

15、s5、密封壳体；

16、s6、将壳体内部抽真空，得到传感器毛坯；

17、s7、将传感器毛坯进行循环老化实验，得到所需加速度传感器。

18、按上述方案，s3中将光纤的金属涂层与安装基座和质量块分别固定的过程具体为；

19、首先将开设有v型槽的镍管与光纤的金属涂层部分进行焊接，而后对安装基座和质量块的两侧沟槽打磨，随后在传感弹性元件两侧绕设光纤，使光纤的一对fbg悬空正对于弹性铰链的两侧，并利用夹具使fbg具备一定预拉伸量；最后将镍管与传感弹性元件焊接。

20、本发明的有益效果是：1、采用了一体化的传感弹性元件，极大地降低了传感器的体积，有效避免温度影响；采用双fbg对称分布的结构形式，使该传感器具备单fbg传感器的两倍灵敏度；从而更适应低温环境。

21、2、通过采用特定的因瓦合金或艾林瓦合金作为传感弹性元件的构成材料，解决了由于低温下材料的脆化和大温变范围下材料性能大变化导致传感器失敏难题。

22、3、通过设置的单向真空阀，可使壳体内部保持真空环境，提高了传感器对信号的拾取能力，使低温fbg加速度传感器在实际运用中更加可靠。

技术特征：

1.一种适用于极端低温环境下振动测量的fbg加速度传感器，其特征在于：包括壳体，以及固定于壳体中设置的传感组件；壳体的一侧设有供光纤穿过的一对出纤管；传感组件包括一体成型的传感弹性元件和光纤，传感弹性元件包括依次连接的安装基座、弹性铰链以及质量块，安装基座与质量块间设有空挡，空挡位于弹性铰链两侧；光纤在质量块一侧弯折后分别固定于安装基座和质量块两侧的沟槽中，且光纤设置有一对fbg，所述的一对fbg对称设置于弹性铰链两侧的空挡中。

2.根据权利要求1所述的适用于极端低温环境下振动测量的fbg加速度传感器，其特征在于：安装基座上设置有螺纹孔，壳体侧面设置有与安装基座螺纹孔相对应的通孔，设有穿过壳体侧面通孔后与安装基座的螺纹孔固定连接的螺栓，用于将安装基座固定于壳体。

3.根据权利要求1所述的适用于极端低温环境下振动测量的fbg加速度传感器，其特征在于：所述的安装基座、弹性铰链以及质量块由因瓦合金或艾林瓦合金材料一体成型加工得到。

4.根据权利要求1所述的适用于极端低温环境下振动测量的fbg加速度传感器，其特征在于：fbg的栅区长度为5～10mm。

5.根据权利要求1所述的适用于极端低温环境下振动测量的fbg加速度传感器，其特征在于：弹性铰链为直圆弧铰链，或为椭圆弧铰链，或为抛物线弧铰链，或为球弧形铰链。

6.根据权利要求1所述的适用于极端低温环境下振动测量的fbg加速度传感器，其特征在于：光纤与安装基座及质量块的沟槽的连接点处设置有包覆于光纤外的金属涂层。

7.根据权利要求6所述的适用于极端低温环境下振动测量的fbg加速度传感器，其特征在于：金属涂层通过低温胶粘贴或微型镍管焊接固定于安装基座及质量块的沟槽中。

8.根据权利要求1所述的适用于极端低温环境下振动测量的fbg加速度传感器，其特征在于：壳体外设置有与壳体内腔连通的单向真空阀。

9.一种用于制备权利要求1-8任一所述的适用于极端低温环境下振动测量的fbg加速度传感器的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤；

10.根据权利要求9所述的制备工艺，其特征在于：s3中将光纤的金属涂层与安装基座和质量块分别固定的过程具体为；

技术总结
本发明公开了一种适用于极端低温环境下振动测量的FBG加速度传感器，包括壳体，以及固定于壳体中设置的传感组件；壳体的一侧设有供光纤穿过的一对出纤管；传感组件包括传感弹性元件和光纤，传感弹性元件包括依次连接的安装基座、弹性铰链以及质量块，光纤在质量块一侧弯折后分别固定于安装基座和质量块两侧的沟槽中，且光纤位于安装基座和质量块之间的部分设置有一对FBG。该传感器能够在常温至低温环境下有效获取振动数据，解决现有电类低温加速度传感器应用于电磁干扰严重、传输距离较长等特殊复杂极端低温下振动测量的难题，使低温FBG加速度传感器在实际运用中更加可靠。

技术研发人员：王慧,梁磊,童晓玲,江轲,戴澍
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11