專利名稱：高靈敏度溫度自補(bǔ)償型光纖光柵加速度傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域，具體涉及一種高靈敏度溫度自補(bǔ)償型光纖光柵低 頻加速度傳感裝置。
背景技術(shù)：
在房屋、橋梁等結(jié)構(gòu)的施工、驗(yàn)收、維護(hù)等各個(gè)階段，都需要通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試以 達(dá)到對(duì)其性能狀態(tài)的全面掌握，從而決定對(duì)其采取相應(yīng)的工程措施。而振動(dòng)測(cè)試作為結(jié)構(gòu) 測(cè)試眾多手段的一種，有著極其重要的特殊地位。對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試最能直接反映結(jié)構(gòu)的 性能，是獲得結(jié)構(gòu)頻率、振型、阻尼等基本參數(shù)的最有效手段，也是結(jié)構(gòu)測(cè)試中分布最廣， 應(yīng)用最多，不可缺少的測(cè)試方法。
然而，傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)存在難以克服的局限性基于電子系統(tǒng)，傳感器和采集系 統(tǒng)均易受電磁干擾；空間利用率低， 一個(gè)通道只能布置一個(gè)傳感器，以至于布線繁雜；所 需采集設(shè)備繁多，現(xiàn)場(chǎng)操作工序繁復(fù)；線路中信號(hào)亦會(huì)受到干擾，難于維護(hù)。相比之下， 光纖光柵傳感系統(tǒng)由于其固有的特性使其恰能較好地克服這些局限，它們能夠抗電磁干 擾，耐腐蝕，兼?zhèn)鋫鞲小鬏敼δ?，可?fù)用，壽命長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的檢測(cè)與傳輸并且在 使用期限內(nèi)維護(hù)費(fèi)用較低。至發(fā)展到目前來(lái)看，應(yīng)用光纖光柵作為傳感元件還是僅限于以 監(jiān)測(cè)溫度、應(yīng)變?yōu)橹鳎苌儆兄苯討?yīng)用在結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)上的傳感器(加速度計(jì))。己有的 一些光纖光柵加速度計(jì)由于自身結(jié)構(gòu)的缺陷，也存在著靈敏度不高，溫度影響大、長(zhǎng)期使 用中非線性影響大等缺點(diǎn)。在本實(shí)用新型提出的高靈敏度溫度自補(bǔ)償型光纖光柵加速度傳 感裝置上，將體現(xiàn)出現(xiàn)有傳感器所不具備的優(yōu)勢(shì)。
高靈敏度對(duì)于一個(gè)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的傳感器來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，靈敏度越高就越能捕捉到結(jié) 構(gòu)微幅的振動(dòng)，而恰恰在大型土木結(jié)構(gòu)中，這種微幅振動(dòng)中隱藏著為工程師及研究人員關(guān) 心的頻率成分。通過(guò)傳感器對(duì)這些微幅振動(dòng)進(jìn)行有效辨別和拾取，在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中是最 直接、最有價(jià)值的。提高靈敏度的手段一般有兩種 一種是提高測(cè)試系統(tǒng)靈敏度，也即光 纖光柵解調(diào)設(shè)備的靈敏度；另一種是通過(guò)傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化來(lái)提高傳感器的靈敏 度。前一種方法是基于光學(xué)技術(shù)的發(fā)展的，要求一系列相關(guān)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)，成本較高；而后一 種是通過(guò)結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化而能夠以低成本和高可行性實(shí)現(xiàn)的，且沒(méi)有產(chǎn)業(yè)依賴 關(guān)系，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究人員進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在工程測(cè)量中，光纖光柵傳感材料的應(yīng)變靈敏度為L(zhǎng)2;w7/^，而溫度靈敏度為 10 15pm/C'，可見(jiàn)在使用光纖光柵傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試時(shí)，溫度補(bǔ)償十分重要。而 傳統(tǒng)的溫度補(bǔ)償方法是在一個(gè)通道里配備一個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器，用它來(lái)對(duì)一個(gè)通道中多達(dá) 十?dāng)?shù)個(gè)的傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，這些傳感器往往相距很遠(yuǎn)布置，并不在同一溫度場(chǎng)中，因 此這樣的溫度補(bǔ)償準(zhǔn)確性和可靠度都值得商榷。要做到合理準(zhǔn)確又有效的溫度補(bǔ)償，只能 通過(guò)單個(gè)傳感器的溫度自補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳感器自身能夠?qū)ψ约褐車臏囟茸兓M(jìn)行補(bǔ)償， 從而真正解決溫度補(bǔ)償不準(zhǔn)確的問(wèn)題。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種適用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試的、具有較寬工作范圍、并能減 少儀器非線性因素影響的高靈敏度溫度自補(bǔ)償型光纖光柵加速度傳感裝置。
本實(shí)用新型提出的高靈敏度溫度自補(bǔ)償型光纖光柵加速度傳感裝置，由上光纖錨桿1、 一號(hào)光纖光柵2、軸桿3、橫桿4、 二號(hào)光纖光柵5、阻尼液6、光纖7、下光纖錨桿8、微 型彈簧IO、質(zhì)量塊ll、外殼12組成，其中， 一號(hào)光纖光柵2、 二號(hào)光纖光柵5分別位于 光纖7上， 一號(hào)光纖光柵2的一端錨固于上光纖錨桿1上，上光纖錨桿l另一端固定于外 殼12頂部，外部光纖由此進(jìn)入，二號(hào)光纖光柵5的一端錨固于下光纖錨桿8上，下光纖 錨桿8另一端固定于外殼12底部， 一號(hào)光纖光柵2與二號(hào)光纖光柵5之間錨固于橫桿4 一端，橫桿4另一端連接質(zhì)量塊11，使質(zhì)量塊11能繞軸3振動(dòng)；質(zhì)量塊ll底部連接彈簧 IO—端，彈簧10另一端固定于外殼12底部，外殼12—側(cè)底部設(shè)有光纖出口 9，光纖7 下端導(dǎo)圓角后從光纖出口 9伸出外殼12;外殼12內(nèi)充滿阻尼液6。
本實(shí)用新型中， 一號(hào)光纖光柵2與二號(hào)光纖光柵5的長(zhǎng)度相等。
本實(shí)用新型的運(yùn)動(dòng)可看作彈簧A:-阻尼c-質(zhì)量塊m的單自由度系統(tǒng)，系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方 程為
+ ci)(X) + = —m 0)三pe# (X) (1)
式中 (0為外罩支承的豎向加速度，A為系統(tǒng)剛度，& = 2( /6)2&+&, ^為光纖的抗拉剛 度。
傳感器的靈敏度傳感器的靈敏度系數(shù)《可表示為<formula>formula see original document page 4</formula>
a 1 A:.
、2
=)時(shí)，靈敏度系數(shù)取到最大值，式(3)即為本傳感器高靈敏度設(shè)計(jì)的原理( 6 乂 2夂
經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的靈敏度系數(shù)能達(dá)到0.2§^//^，完全能滿足工程結(jié)構(gòu)中微幅振動(dòng)測(cè)試的需要。 當(dāng)振子發(fā)生上下振動(dòng)時(shí)， 一號(hào)光纖光柵2 (F萬(wàn)G1)和二號(hào)光纖光柵5 (F萬(wàn)G2)的中心波 長(zhǎng)變化分別為
線
"S1
義,
B2
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式中，和A;is2分別為F5G1和FSG2的中心波長(zhǎng)改變量，&和&2分別為F萬(wàn)G1和 i^G2的初始中心波長(zhǎng)，尸為彈光系數(shù)，A和a2分別為F萬(wàn)Gl和FBG2的熱膨脹系數(shù)，《和 ^分別為F萬(wàn)Gl和i^G2熱光系數(shù)，Ar為溫度改變值，A和&分別為F5G1和FBG2的應(yīng)
因?yàn)閮筛饫w光柵的封裝方式完全一樣，長(zhǎng)度完全一樣，且在同一根光纖上刻寫光柵， 故有
<formula>formula see original document page 5</formula>，故可以認(rèn)為<formula>formula see original document page 5</formula>° 由于兩根光纖光柵為反向布置，兩者應(yīng)變等幅反向，故有e1=-f2=e; 故可以導(dǎo)出
<formula>formula see original document page 5</formula>
上式表明，波長(zhǎng)變化只和應(yīng)變有關(guān)，和溫度無(wú)關(guān)。故此傳感器利用雙光纖光柵的結(jié)構(gòu) 能很好地進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
本實(shí)用新型的工作過(guò)程如下固定本實(shí)用新型于待測(cè)結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)引起質(zhì)量塊 ll振動(dòng)，通過(guò)橫桿的杠桿作用將振動(dòng)傳至上下兩根光纖光柵，引起其中心波長(zhǎng)的改變，從 而通過(guò)對(duì)光柵波長(zhǎng)的解調(diào)，可以得到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)。
本實(shí)用新型具有如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)-
(1) 靈敏度是加速度傳感器的重要參數(shù)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試要求高靈敏度以測(cè)量結(jié)構(gòu)微 幅振動(dòng)。本實(shí)用新型采用了杠桿的傳動(dòng)原理，將質(zhì)量塊振動(dòng)轉(zhuǎn)為到光纖光柵的動(dòng)應(yīng)變，經(jīng) 過(guò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到了使靈敏度系數(shù)大幅增大的效果，其量程范圍亦能滿足工程需要。
(2) 針對(duì)光纖光柵對(duì)溫度變化極為敏感的特性，本實(shí)用新型提出了一種雙光柵溫度 自補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)，以對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行有效的溫度補(bǔ)償，且這種補(bǔ)償是嚴(yán)格的同溫度場(chǎng)下的
補(bǔ)償，比傳統(tǒng)溫度補(bǔ)償更為精確。且可以提高傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。
(3) 結(jié)構(gòu)阻尼可以改變加速度傳感器的共振區(qū)特性，且能防止其工作在共振區(qū)時(shí)由 于幅值過(guò)大引起傳感器部件損壞，延長(zhǎng)傳感器的使用壽命。本實(shí)用新型對(duì)傳感器施加適當(dāng) 的液態(tài)阻尼，可使共振區(qū)附近的幅頻特性曲線變得平直起來(lái)，從而增加了加速度傳感器的 頻率響應(yīng)范圍。
(4) 通過(guò)核心構(gòu)件——轉(zhuǎn)動(dòng)軸的引入，使整個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，并能消除以往 設(shè)計(jì)中幾何非線性的影響，無(wú)論是對(duì)于獲得信號(hào)的正確性還是長(zhǎng)期耐久性能都有很大提高.


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)圖示。
圖中標(biāo)號(hào)l為上光纖錨桿，2為一號(hào)光纖光柵，3為軸桿，4為橫桿，5為二號(hào)光纖 光柵，6為阻尼液，7為光纖，8為下光纖錨桿，9為底部光纖出口， 10為微型彈簧，11 為質(zhì)量塊，12為外殼。
具體實(shí)施方式

下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型。
實(shí)施例1，將下列器件按圖1所示方式連接，該領(lǐng)域技術(shù)人員均能順利完成本實(shí)用新 型裝置的實(shí)施。上光纖錨桿l為金屬管，上部連接光纖入口，下部錨固一號(hào)光纖光柵2， 橫桿4連接質(zhì)量塊11及軸桿3，軸桿3為可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸，與外殼連接， 一號(hào)光纖光柵 2和二號(hào)光纖光柵5—并刻在光纖7上，并在橫桿4左端錨固，二號(hào)光纖光柵5下部在下 光纖錨桿8頂端錨固，光纖7下部轉(zhuǎn)彎通向底部光纖出口9，微型彈簧IO的上部連接質(zhì)量 塊ll，下部連接外殼12。質(zhì)量塊ll為0.25kg，橫桿4在軸桿3左端為7mm，在其右端至 質(zhì)量塊中心為2cm，阻尼液6釆用硅油，外殼12采用普通鋼材制作，長(zhǎng)x寬x高尺寸為 0.04附x0.04wx0.06w 。
權(quán)利要求1、一種高靈敏度溫度自補(bǔ)償型光纖光柵加速度傳感裝置，由上光纖錨桿(1)、一號(hào)光纖光柵(2)、軸桿(3)、橫桿(4)、二號(hào)光纖光柵(5)、阻尼液(6)、光纖(7)、下光纖錨桿(8)、微型彈簧(10)、質(zhì)量塊(11)、外殼(12)組成，其特征在于一號(hào)光纖光柵(2)、二號(hào)光纖光柵(5)分別位于光纖(7)上，一號(hào)光纖光柵(2)的一端錨固于上光纖錨桿(1)上，上光纖錨桿(1)另一端固定于外殼(12)頂部，二號(hào)光纖光柵(5)的一端錨固于下光纖錨桿(8)上，下光纖錨桿(8)另一端固定于外殼(12)底部，一號(hào)光纖光柵(2)與二號(hào)光纖光柵(5)之間錨固于橫桿(4)一端，橫桿(4)另一端連接質(zhì)量塊(11)，使質(zhì)量塊(11)能繞軸(3)振動(dòng)；質(zhì)量塊(11)底部連接彈簧(10)一端，彈簧(10)另一端固定于外殼(12)底部，外殼(12)一側(cè)底部設(shè)有光纖出口(9)，光纖(7)下端導(dǎo)圓角后從光纖出口(9)伸出外殼(12)；外殼(12)內(nèi)充滿阻尼液(6)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度溫度自補(bǔ)償型光纖光柵加速度傳感裝置，其特征 在于一號(hào)光纖光柵(2)與二號(hào)光纖光柵(5)的長(zhǎng)度相等。
專利摘要本實(shí)用新型屬于結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域，具體涉及一種高靈敏度溫度自補(bǔ)償型光纖光柵低頻加速度傳感裝置。由兩根光纖光柵、轉(zhuǎn)軸、橫桿、阻尼液、彈簧、質(zhì)量塊、外殼組成。光柵分別與外殼連桿和橫桿連接，刻于同一根光纖上，橫桿連接轉(zhuǎn)軸與質(zhì)量塊，轉(zhuǎn)軸兩端與外殼連接，彈簧上端連接質(zhì)量塊，下端連接外殼，外殼內(nèi)充滿阻尼液。本實(shí)用新型通過(guò)杠桿原理將質(zhì)量塊的振動(dòng)傳至光纖光柵，引起其波長(zhǎng)改變，從而通過(guò)波長(zhǎng)解調(diào)得到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)。本實(shí)用新型經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化，具有高靈敏度，量程范圍亦能滿足工程需要；通過(guò)雙光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的溫度自補(bǔ)償；引入轉(zhuǎn)動(dòng)軸使傳感器結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，消除幾何非線性的影響，增強(qiáng)信號(hào)的正確性和傳感器的耐久性。
文檔編號(hào)G01D5/26GK201203508SQ20082005906
公開(kāi)日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2008年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月29日
發(fā)明者智 孫, 孫利民, 洋 沈, 閔志華 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)