專利名稱：光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器。特別是涉及一種通過(guò)三個(gè)分量的矢量迭加實(shí)現(xiàn)空間三維加速度的測(cè)量的光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器。

背景技術(shù)：
光纖光柵是一種新型的光子器件，它是在光纖中建立起的一種空間周期性的折射率分布，可以改變和控制光在光纖中的傳播行為。在單模光纖上寫(xiě)制布喇格光柵，由于均勻的折射率分布，其反射譜具有一個(gè)滿足布喇格條件的反射峰，反射峰的波長(zhǎng)與柵格間距和折射率調(diào)制深度成正比。當(dāng)光纖光柵受到軸向力時(shí)，其柵格周期將發(fā)生變化，進(jìn)而引起光纖光柵反射峰的漂移。在彎曲梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器中，加速度于梁的自由端撓度有關(guān)，因此可以通過(guò)光纖光柵探測(cè)梁的撓度，進(jìn)而獲得振動(dòng)的加速度。
但是，在現(xiàn)有技術(shù)中，僅能夠應(yīng)用光纖光柵做一維加速度傳感，尚未有應(yīng)用光纖光柵實(shí)現(xiàn)空間三維加速度傳感的方案。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種通過(guò)三個(gè)分量的矢量迭加實(shí)現(xiàn)空間三維加速度的測(cè)量的光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器，包括有基座，在基座的與x、y、z軸對(duì)應(yīng)的三個(gè)相互垂直的右平面、上平面和前平面上各固定設(shè)置有一個(gè)測(cè)量探頭，共設(shè)有三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的測(cè)量探頭，三個(gè)測(cè)量探頭形成相互垂直的位置關(guān)系，所述的每個(gè)測(cè)量探頭的一端通過(guò)單模光纖與光分路器相連，而光分路器的另一端通過(guò)單模光纖分別連接光源和波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備。
所述的測(cè)量探頭包括有固定在基座平面上的彎曲梁和沿彎曲梁的軸向粘貼于彎曲梁表面上的光纖光柵，以及固定于彎曲梁自由端的質(zhì)量塊，其中，所述的光纖光柵的一端通過(guò)單模光纖與光分路器相連。
所述的三只光纖光柵到彎曲梁固定端的距離相等。
所述的光纖光柵是能由應(yīng)變引起光譜變化的光學(xué)器件構(gòu)成，為布喇格光纖光柵或長(zhǎng)周期光纖光柵或光纖FP腔或光纖干涉器件。
所述的彎曲梁為能構(gòu)成彎曲的振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)，為懸臂梁或簡(jiǎn)支梁或伸長(zhǎng)梁。
所述的用于傳感的光纖光柵采用串聯(lián)或并聯(lián)或串并混聯(lián)的連接方式。
所述的光源是寬帶光源或可調(diào)諧光源。
本發(fā)明的光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器，利用布喇格光纖光柵作為傳感器件，采用三根光纖光柵測(cè)量三維空間加速度的三個(gè)相互垂直的分量，通過(guò)三個(gè)分量的矢量迭加實(shí)現(xiàn)空間三維加速度的測(cè)量?？蓱?yīng)用于空間三維加速度或振動(dòng)參量的感測(cè)。



圖1是本發(fā)明的光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中 1光源2波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備 3光分路器4光纖光柵 5彎曲梁 6單模光纖 7基座8測(cè)量探頭 9質(zhì)量塊
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器做出詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明提供的光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器，由是3個(gè)材料、尺寸相同的振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)，按x、y、z軸三個(gè)方向剛性固定于同一個(gè)基座上，3個(gè)振動(dòng)梁的自由端分別剛性固定3個(gè)相同的質(zhì)量塊，用作基本傳感器件的3只光纖光柵分別粘貼于三個(gè)梁的上表面，3只光纖光柵在三個(gè)梁上的位置相同，3只光纖光柵的一端分別通過(guò)單模光纖連接光分路器，光分路器的另一端通過(guò)單模光纖分別連接光源和波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備。
具體如圖1所示，本發(fā)明的光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器，包括有基座7，在基座7的與x、y、z軸對(duì)應(yīng)的三個(gè)相互垂直的右平面b、上平面c和前平面a上各固定設(shè)置有一個(gè)測(cè)量探頭8，共設(shè)有三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的測(cè)量探頭8，三個(gè)測(cè)量探頭8形成相互垂直的位置關(guān)系。所述的測(cè)量探頭8的構(gòu)成包括有固定在基座7平面上的彎曲梁5和沿彎曲梁5的軸向粘貼于彎曲梁5表面上的光纖光柵4以及固定于彎曲梁5自由端的質(zhì)量塊9。三個(gè)測(cè)量探頭8共有三個(gè)相同的質(zhì)量塊9和三只相同的光纖光柵4，所述的三只光纖光柵4到彎曲梁5固定端的距離都相等，每只光纖光柵4的一端(即每個(gè)測(cè)量探頭8的一端)通過(guò)單模光纖6與光分路器3相連，而光分路器3的另一端通過(guò)單模光纖6分別連接光源1和波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備2。
上面所述的光纖光柵4是能由應(yīng)變引起光譜變化的光學(xué)器件構(gòu)成，為布喇格光纖光柵或長(zhǎng)周期光纖光柵或光纖FP腔或光纖干涉器件。所述的彎曲梁5為能構(gòu)成彎曲的振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)，為懸臂梁或簡(jiǎn)支梁或伸長(zhǎng)梁。所述的用于傳感的光纖光柵4可以是光纖光柵加速度傳感器陣列，采用串聯(lián)或并聯(lián)或串并混聯(lián)的連接方式。所述的光源1是寬帶光源或可調(diào)諧光源。所述的光分路器3可以是光耦合器、光開(kāi)關(guān)等光學(xué)器件。所述的波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備2可以是光譜儀或多波長(zhǎng)計(jì)等光波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備。所述的懸臂梁5和基座7可以是質(zhì)地均勻金屬、非金屬或其他材質(zhì)。
本發(fā)明的光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器，當(dāng)被測(cè)物塊做加速或振動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于質(zhì)量塊的慣性，三個(gè)梁發(fā)生不同程度的彎曲，此時(shí)三根布喇格光纖光柵4由于受力不同其反射峰將產(chǎn)生不同的漂移量，可以利用材料力學(xué)公式計(jì)算梁的撓度，進(jìn)而計(jì)算出這三個(gè)垂直方向上的加速度，由此可以進(jìn)行三維加速度的傳感測(cè)量。
測(cè)試原理是 若彎曲梁結(jié)構(gòu)采用等強(qiáng)度懸臂梁時(shí)(長(zhǎng)度為L(zhǎng)，厚度為h，固定端寬度為b，彈性模量為E)光纖光柵沿懸臂梁上表面軸線粘貼于懸臂梁的固定端附近。懸臂梁自由端固定質(zhì)量為m的質(zhì)量塊作為載荷。根據(jù)材料力學(xué)知識(shí) 等強(qiáng)度梁彎曲時(shí)上表面軸向應(yīng)變?yōu)? 光纖光柵反射峰漂移量為 ΔλB＝(1-Pe)ελB(2) 將(1)代入(2)得光纖光柵反射峰漂移量與懸臂梁自由端撓度的關(guān)系 設(shè)基座作簡(jiǎn)諧振動(dòng)的位移為 X0＝dcos(ωt) (4) 懸臂梁自由端撓度于基座的位移滿足 將(4)代入并化簡(jiǎn)為 式中，梁的固有頻率剛度c為阻尼，臨界阻尼阻尼比為 解(6)得
即加速度的幅值與懸臂梁振幅滿足 將(3)代入(9)得 因此可以利用光纖光柵的反射峰漂移量測(cè)得振動(dòng)加速度。
測(cè)量三個(gè)光柵中心波長(zhǎng)的漂移量，利用(10)式分別求出三個(gè)方向上的加速度分量ax、ay、az，則空間三維加速度為
權(quán)利要求
1.一種光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器，包括有基座(7)，其特征在于，在基座(7)的與x、y、z軸對(duì)應(yīng)的三個(gè)相互垂直的右平面(b)、上平面(c)和前平面(a)上各固定設(shè)置有一個(gè)測(cè)量探頭(8)，共設(shè)有三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的測(cè)量探頭(8)，三個(gè)測(cè)量探頭(8)形成相互垂直的位置關(guān)系，所述的每個(gè)測(cè)量探頭(8)的一端通過(guò)單模光纖(6)與光分路器(3)相連，而光分路器(3)的另一端通過(guò)單模光纖(6)分別連接光源(1)和波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器，其特征在于，所述的測(cè)量探頭(8)包括有固定在基座(7)平面上的彎曲梁(5)和沿彎曲梁(5)的軸向粘貼于彎曲梁(5)表面上的光纖光柵(4)，以及固定于彎曲梁(5)自由端的質(zhì)量塊(9)，其中，所述的光纖光柵(4)的一端通過(guò)單模光纖(6)與光分路器(3)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器，其特征在于，所述的三只光纖光柵(4)到彎曲梁(5)固定端的距離相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器，其特征在于，所述的光纖光柵(4)是能由應(yīng)變引起光譜變化的光學(xué)器件構(gòu)成，為布喇格光纖光柵或長(zhǎng)周期光纖光柵或光纖FP腔或光纖干涉器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器，其特征在于，所述的彎曲梁(5)為能構(gòu)成彎曲的振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)，為懸臂梁或簡(jiǎn)支梁或伸長(zhǎng)梁。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器，其特征在于，所述的用于傳感的光纖光柵(4)采用串聯(lián)或并聯(lián)或串并混聯(lián)的連接方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器，其特征在于，所述的光源(1)是寬帶光源或可調(diào)諧光源。
全文摘要
一種光纖光柵三維加速度/振動(dòng)傳感器，在基座的與x、y、z軸對(duì)應(yīng)的三個(gè)相互垂直的右平面、上平面和前平面上各固定設(shè)置有一個(gè)測(cè)量探頭，三個(gè)測(cè)量探頭形成相互垂直的位置關(guān)系，每個(gè)測(cè)量探頭的一端通過(guò)單模光纖與光分路器相連，而光分路器的另一端通過(guò)單模光纖分別連接光源和波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備。測(cè)量探頭包括有固定在基座平面上的彎曲梁和沿彎曲梁的軸向粘貼于彎曲梁表面上的光纖光柵，以及固定于彎曲梁自由端的質(zhì)量塊，所述的光纖光柵的一端通過(guò)單模光纖與光分路器相連。本發(fā)明利用布喇格光纖光柵作為傳感器件，采用三根光纖光柵測(cè)量三維空間加速度的三個(gè)相互垂直的分量，通過(guò)三個(gè)分量的矢量迭加實(shí)現(xiàn)空間三維加速度的測(cè)量?？蓱?yīng)用于空間三維加速度或振動(dòng)參量的感測(cè)。
文檔編號(hào)G01P15/18GK101210937SQ200710151178
公開(kāi)日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者波 劉, 劉舒揚(yáng), 華 孫, 開(kāi)桂云, 董孝義 申請(qǐng)人:南開(kāi)大學(xué)