光纤光栅振动传感器及其振动测量元件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种振动传感器，特别地涉及一种光纤光栅振动传感器及其振动测量 元件。
【背景技术】
[0002] 振动测量是指测定能表征物体振动特性的有关参数的过程。振动测量在故障监 测、结构健康监测方面有着重要的意义。振动测量需要选择灵敏度和频率响应能满足测量 要求的振动传感器。目前振动传感器的种类很多，包括压电式，磁电式以及光纤振动传感器 等。
[0003] 光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而另辟新径的一种崭新的 传感技术。自从1978年发明在光纤中形成光致布喇格光栅以来，光纤光栅（FBG:Fiber BraggGrating)在光纤通信和传感中已得到广泛应用。光纤光栅首次被用于应变和温度 传感实验以来，光纤光栅传感器技术得到了持续的和快速的发展，成为光纤传感领域中发 展最快、被关注度最高的技术。这是因为光纤光栅构成的传感器与其他光纤传感器相比具 有很多突出的优点。其主要的优点包括：传感元件体积小、轻巧隐蔽，可以把它置于很小的 空间，甚至嵌入到复合材料中；结合波分复用（WDM:WavelengthDivisionMultiplexing) 和时分复用（TDM:TimeDivisionMultiplexing)以及空分复用（SDM，SpaceDivision Multiplexing)技术，每个光纤通道中可以设置多个光纤光栅构成准分布式的传感点，便于 空间组网，分辨精度高；光纤光栅作为传感元件，输出的是绝对波长量（它具有内在的波长 度量刻度），可以作为绝对量的测量；利用复合子结构光纤光栅的特殊光谱特性，可以制备 多参数智能传感元件等。因此，光纤光栅传感器特别适合于对大型市政工程、管道设施、航 天器、飞机、轮船、工业和生产设备等进行健康安全监测和自动控制。
[0004] 光纤光栅传感具有抗电磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀、可进行分布式测量、 便于组网等诸多优点，特别适合应用在一些特殊的场合，光纤光栅传感技术的应用已经发 展到了电力、石油、石化、交通和建筑等各个工业领域。在公共安全、国防、工农业安全生产、 环保等重大安全监测领域也有着重要应用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是：提供一种灵敏度高，频率范围宽的，能选择性地同时测量三轴方 向或其任一轴方向的振动的光纤光栅振动传感器。
[0006] 在本发明的第一个方面，提供了一种光纤光栅振动传感器，包括：基座；和振动测 量元件；以及光纤光栅；其中，振动测量元件在轴向上安装在基座的安装面上；振动测量元 件包括第一凸台和第二凸台；振动测量元件的第一凸台侧的一端固定安装在安装面上，振 动测量元件的第二凸台侧的一端悬空；并且光纤光栅在轴向上封装在振动测量元件上，用 于感测在该轴向上的振动。
[0007] 在一个优选实施例中，所述基座被加工有三个相互垂直的安装面,每个安装面在 轴向上均安装有一个振动测量元件；三个安装面上的三个振动测量元件被安装成在空间上 相互垂直；并且三个振动测量元件所封装的三个光纤光栅串接在一起。
[0008] 在上述优选实施例中，三个振动测量元件其中至少之一的凸台的高度被不同地设 置，以便为光纤光栅振动传感器在相应的轴向上提供相对应的灵敏度。
[0009] 在上述优选实施例中，所述光纤光栅通过引出光纤连接到光纤光栅解调仪，用于 传递所述光纤光栅感测到的振动，以便光纤光栅解调仪计算各轴向的振动量。
[0010] 在所述光纤光栅振动传感器的应用中，所述光纤光栅振动传感器被安装在铁轨 下，用于测量铁轨在三个轴向的振动。
[0011] 在本发明的第二个方面，还提供了一种用于光纤光栅振动传感器的振动测量元 件，其中所述振动测量元件在轴向上安装在光纤光栅振动传感器的基座的安装面上；所述 振动测量元件包括：悬臂梁弯曲中心层；第一凸台和第二凸台，位于悬臂梁弯曲中心层上； 和光纤光栅；其中所述光纤光栅在轴向上封装在第一凸台和第二凸台上，用于感测在该轴 向上的振动；振动测量元件的第一凸台侧的一端用于固定安装在安装面上，振动测量元件 的第二凸台侧的一端悬空。
[0012] 在本发明的第一个方面和第二个方面的一个优选实施例中，其中第一凸台和第二 凸台高度相同，且根据不同的灵敏度需求选取不同的高度值，其中所述高度确定光纤光栅 振动传感器在轴向上的灵敏度的放大系数。
[0013] 在本发明的第一个方面和第二个方面的又一个优选实施例中，第 一凸台和第二凸台的高度S是振动测量元件的悬臂梁的厚度h的N倍： 5 =Nil，其中N为大于零的数值。
[0014] 在本发明的第一个方面和第二个方面的再又一个优选实施例中，所述N的取值范 围在1_3之间。
[0015] 在本发明的第一个方面和第二个方面的另一个优选实施例中，所述振动测量元件 的悬臂梁的弯曲所引起的光纤光栅上的应变表示为：
其中： h为悬臂梁的厚度； S为凸台的高度； P为悬臂梁的曲率半径； Μ为惯性力的力矩； Ε为悬臂梁材料的杨氏模量； J为悬臂梁的惯性矩； L为悬臂梁长度； F为悬臂梁受到的惯性力；b为悬臂梁的宽度； m为悬臂梁的末端等效质量； a为外界振动的加速度； N为凸台的高度δ除以悬臂梁的厚度h的比值。
[0016] 在本发明三个振动方向中，任意一个方向单独使用，可以实现单方向振动的测量。
[0017] 本发明的技术效果是：在一个基座上同时安装互相垂直的振动测量元件，能选择 性地同时测量三个方向上的振动，能全面的测量到空间振动情况。另外，三个轴上的振动灵 敏度可以选择性地设置成不同，能适应不同场合的测量需要。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明的一种光纤光栅振动传感器的结构图。
[0019] 图2是本发明的光纤光栅振动传感器中的振动测量元件的结构图。
[0020] 图3是本发明在铁轨振动测量应用中的一个示意图。
[0021] 图中：振动传感器标记为100 ;振动传感器外壳标记为110 ;基座标记为120 ;安装 面标记为131、132、133;振动测量元件标记为141、142、143;导线柱标记为151、152;安装 孔标记为161、162、163;光纤光栅标记为171、172、173;引出孔标记为180;引出光纤标记 为190 ;悬臂梁标记为200 ;凸台标记为211、212 ;悬臂梁安装孔标记为231 ;悬臂梁弯曲中 心层标记为242 ;光纤光栅标记为206;铁轨标记为313;安装螺钉标记为314;抱装件标记 为315;光纤光栅振动传感器标记为316。
【具体实施方式】
[0022] 为使本发明的目的、结构和优点更加清楚，下面结合附图对本发明进一步地进行 详细的描述。
[0023] 图1是根据本发明的实施例的光纤光栅振动传感器100的结构图。光纤光栅振动 传感器100被固定在外壳110中。光纤光栅振动传感器100包括：基座120;振动测量兀件 141、142、143 和光纤光栅 171、172、173。
[0024] 为了便于说明，在以下的实施例中，光纤光栅振动传感器100包括有三个振动测 量兀件141、142、143，但是光纤光栅振动传感器100未必是必须要同时包括这三个振动测 量元件141、142、143。在一个实施例中，光纤光栅振动传感器100可以被配置成仅包括X轴 方向，Y轴方向和Z轴方向中一个方向上的振动测量兀件。在另一个实施例中，光纤光栅振 动传感器100可以被配置成包括X轴方向，Y轴方向和Z轴方向中任意两个方向上的振动测 量兀件。在又一个实施例中，光纤光栅振动传感器100可以被配置成同时包括X轴方向，Y 轴方向和Z轴方向这三个方向上的振动测量元件。在这种情况下，光纤光栅振动传感器100 称为三轴光纤光栅振动传感器100,它可以用于同时测量X轴方向，Y轴方向和Z轴方