一种一体化差动式结构的光纤光栅加速度传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种一体化差动式结构的光纤光栅加速度传感器，属于传感器技术领域。包括支撑结构(101)、弹性梁(102)、质量块(103)和以及带2个光纤光栅(104)的光纤(105)，将带有两只光纤光栅(104)的光纤(105)通过胶点或焊点(106)张紧准直安装在支撑结构(101)和质量块(103)上。其优点在于结构简洁，且支撑框架、弹性量和质量块为一体化结构，具有可靠性高、热稳定性好的特点，并在降低工艺难度的同时，提高传感器工作一致性；同时采用差动测量方法，同一时刻两只光纤光栅的拉应力分别处于增加或减少状态，两只光纤光栅输出相减，可有效消除热影响，并使传感器灵敏度相对于单只光纤光栅提高一倍；同时本发明还具有频响高的特点。
【专利说明】
一种一体化差动式结构的光纤光栅加速度传感器
技术领域
[0001]本发明涉及一种一体化差动式结构的光纤光栅加速度传感器，以光纤光栅作为敏感器件，属于传感器技术领域。
【背景技术】
[0002]光纤传感技术作为一门新兴技术开始发展，也是近年来异军突起的一门新学科和新领域。由于光纤传感器具有绝缘、抗电磁干扰、波分复用等突出优点，成为特殊环境和大型工程结构测量非常关注的传感器。一般工程领域的加速度传感器为压电加速度传感器，使用中对绝缘、电磁干扰问题较为敏感，所用导线对于远距离测量也有比较明显的限制，由于光纤传感器的突出优点，使光纤式加速度传感器成为近年来关注的技术热点，其中光纤光栅加速度传感器为其重要类别。现有光纤光栅加速度传感器更多采取悬臂梁结构，导致传感器结构较大，频率响应较低。由于光纤光栅具有热敏感特性，外界温度的变化将对传感器输出造成影响，同时以往更多采用胶接或者螺钉连接方式构成加速度传感器的弹簧质量系统，严重制约传感器的可靠性和使用寿命的提高，影响在工程中的推广使用。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是针对光纤加速度传感器应用过程中可靠性、热稳定性、频响和灵敏度不足的问题，提出一种一体化差动式结构的光纤光栅加速度传感器，解决了可靠性提升和热稳定性改善问题，拓宽了加速度频响范围和调高了灵敏度。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0005]—种一体化差动式结构的光纤光栅加速度传感器，包括支撑结构(101)、弹性梁
(102)、质量块(103)和以及带2个光纤光栅(104)的光纤(105)，将带有两只光纤光栅(104)的光纤(105)通过胶点或焊点(106)张紧准直安装在支撑结构(101)和质量块(103)上。
[0006]所述光纤光栅加速度传感器的敏感原理在于将被测加速度转化为质量块(103)的动态力，作用于光纤光栅(104)，使其张紧状态发生变化，引起光纤光栅(104)反射波长的改变，通过对反射波长的检测来感知加速度。
[0007]有益效果
[0008]对比现有技术，本发明具有以下特点:
[0009]1、通过差动方式，同一时刻两只光纤光栅的拉应力分别处于增加或减少状态，两只光纤光栅输出相减，可有效消除热影响，并使传感器灵敏度相对于单只光纤光栅提高一倍；
[0010]2、通过一体化设计加工方式，使加速度传感器的弹性梁、质量块和支撑结构融为一体，避免连接带来的影响，有效提高传感器的可靠性、热稳定性和使用寿命，并在降低工艺难度的同时，提高传感器工作一致性；
[0011 ] 3、将光纤光栅与质量块和支撑结构通过张紧方式连接，并确保在工作范围内始终处于张紧状态，通过调节弹性梁刚度与质量块大小的方式，可调节加速度传感器的频响和灵敏度，结构简洁，传感关系简单，安装工艺简便，可获得较高频率响应。
【附图说明】
[0012]图1是本发明的一种实施形式传感器的结构示意图；
[0013]图2是80Hz频率下，该光纤光栅加速度传感器的输出波形示意图；
[0014]图3是120Hz频率下，该光纤光栅加速度传感器的输出波形示意图；
[0015]图4是160Hz频率下，该光纤光栅加速度传感器的输出波形示意图；
[0016]图5是200Hz频率下，该光纤光栅加速度传感器的输出波形示意图；
[0017]图6是300Hz频率下，该光纤光栅加速度传感器的输出波形示意图；
[0018]附图标记:101-支撑结构，102-弹性梁，103-质量块，104-光纤光栅，105-光纤，106-胶点或焊点。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明做以下详细描述。
[0020]如图1所示为一种一体化差动式结构的光纤光栅加速度传感器，由图中可以看出，其包括支撑结构(101)、弹性梁(102)、质量块(103)和带2个光纤光栅(104)的光纤(105);
[0021]连接方式:将带有两只光纤光栅(104)的光纤(105)张紧后，与支撑结构(101)两端和质量块(103)中点以胶点或焊点(106)固定连接，并使光纤(105)处于支撑结构(1I)的中心轴线位置；
[0022]加速度测量原理:外界加速度使质量块(103)产生惯性力，在质量块(103)惯性力和弹性梁(102)恢复力的共同作用下，使两只光纤光栅(104)的张紧状态发生改变，将两只光纤光栅(104)的输出波长相减，消除光纤光栅热影响，得到与加速度对应的波长变化量，通过标定，可反求加速度值。
[0023]作为优选，所述支撑结构(101)、弹性梁(102)和质量块(103)为由一块弹性材料经过一体化设计挖空加工制成。
[0024]作为优选，所述光纤光栅(104)通过相位掩膜法刻制在光纤(105)上。
[0025]作为优选，所述两只光纤光栅(104)制备在一根光纤(105)上。
[0026]作为优选，为保证光纤光栅(104)与弹性梁(102)垂直，并处于其中心位置，在加速度传感器支撑结构(101)及质量块(103)上设有准直凹槽。
[0027]本发明的特征在于:所述光纤光栅加速度传感器的敏感器件为光纤光栅(104)，并且两只光纤光栅(104)对称于质量块(103)和弹性梁(102)安装在传感器支撑框架(101)和质量块(103)上，形成差动式加速度敏感结构。
[0028]试验结果
[0029]使用本发明提出的一种一体化差动式结构的光纤光栅加速度传感器在80Hz、120Hz、160Hz、200Hz、300Hz频率下，进行了试验，波形曲线如图2至图6所示，横坐标为时间数据点，纵坐标为传感器输出波长，从图中可以看出，在各频率下都能输出光滑的正弦波形，说明该种结构光纤光栅加速度传感器可在此频段有效工作。
[0030]以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范o (ττ?
【主权项】
1.一种一体化差动式结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于:包括支撑结构(101)、弹性梁(102)、质量块(103)和以及带2个光纤光栅(104)的光纤(105)，将带有两只光纤光栅(104)的光纤(105)通过胶点或焊点(106)张紧准直安装在支撑结构(101)和质量块(103)上。 对弹性材料经过一体化设计加工制成加速度传感器的支撑框架(101)、弹性梁(102)和质量块(103)，以带有两只光纤光栅(104)的光纤(105)作为敏感器件，经胶点或焊点(106)张紧安装在支撑框架(101)和质量块(103)上，形成差动式光纤光栅加速度传感器。其特征在于:一体化设计加工加速度传感器的支撑框架(101)、弹性梁(102)和质量块(103)，采用带有两只光纤光栅(104)的光纤(105)作为敏感器件，并通过胶点或焊点张紧安装在质量块(103)和支撑框架(101)上，形成差动式加速度传感形式。2.根据权利要求1所述的一种一体化差动式结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，传感器支撑框架(101)、弹性梁(102)和质量块(103)通过一体化设计挖空加工制成。3.根据权利要求1所述的一种一体化差动式结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述光纤光栅(104)通过相位掩膜法刻制在光纤(105)上，并且两只光纤光栅(104)制备在一根光纤(I 05)上。4.根据权利要求1-3任一所述的一种一体化差动式结构的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，为保证光纤光栅(104)与弹性梁(102)垂直，并处于其中心位置，在加速度传感器支撑结构(101)及质量块(103)上设有准直凹槽。
【文档编号】G01P15/03GK105842479SQ201610391377
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】薛景锋, 刘春红, 张毅翔
【申请人】中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所