專利名稱：一種基于金屬波紋管結(jié)構(gòu)的光纖光柵加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖光柵傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于測定物體加速度和振動 信號的光纖光柵加速度傳感器。
背景技術(shù)：
光纖光柵傳感器是利用如應力、應變、溫度等外界物理量的變化引起光纖有效折 射率或光柵周期等參數(shù)的變化，從而導致光柵反射中心波長的變化，通過檢測光柵反射中 心波長的變化來獲得外界物理量的變化。與傳統(tǒng)的電類加速度傳感器相比，電類加速度傳 感器輸出的是弱電信號，容易受電磁干擾，不適宜在大型機電設(shè)備等強電磁場環(huán)境中工作， 而且不能進行遠距離傳輸，一般需要就近將弱模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，增加了傳感器使 用的成本，使用也不方便。光纖光柵加速度傳感器是波長調(diào)制型傳感器，不但具有靈敏度 高、動態(tài)范圍寬、不受電磁干擾、抗腐蝕、傳輸損耗小、可靠性高、體積小、重量輕等特點，而 且具有傳感信號不受光源起伏、光路損耗等因素的影響，抗干擾能力強、傳感探頭結(jié)構(gòu)簡 單、易于使用波分復用技術(shù)而形成分布式測量等明顯優(yōu)勢，在國防、軍事、石油、交通運輸?shù)?應用技術(shù)領(lǐng)域顯得尤為突出，被許多國家列為重點發(fā)展的國防技術(shù)。因此，光纖光柵在振動 傳感領(lǐng)域的應用引起了人們的廣泛關(guān)注和極大興趣，具有重要的學術(shù)研究價值和市場應用 前景。鑒于光纖光柵加速度傳感器的如上技術(shù)優(yōu)勢，可滿足在油氣資源、地質(zhì)勘探、工程 建筑振動監(jiān)測以及軍事應用等領(lǐng)域，目前已經(jīng)在此方面展開了研究。專利號為ZL 200710065323. 9，發(fā)明名稱為《一種溫度不敏感的光纖光柵加速度傳 感器》的中國發(fā)明專利，公開了一種光纖光柵加速度傳感器，其技術(shù)方案如下包括單模光 纖、光纖布拉格光柵、等強度懸臂梁、質(zhì)量塊、滑竿等，其特點是將光纖光柵粘貼于等強度 懸臂梁靠近固定端的表面上，等強度懸臂梁自由端與質(zhì)量塊柔性聯(lián)接，質(zhì)量塊被穿在滑竿 上，可沿與梁垂直的方向運動。這種光纖光柵加速度傳感器結(jié)構(gòu)復雜、部件多、不易組裝、抗 橫向干擾能力差，容易造成L型杠桿振動與實際物體的振動方向不一致，即L型杠桿在豎直 方向振動時易產(chǎn)生橫向振動，使得測量結(jié)果不精確。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服上述光纖光柵加速度傳感器的缺點，提供一 種抗橫向干擾能力強和靈敏度高的一種基于金屬波紋管結(jié)構(gòu)的光纖光柵加速度傳感器。解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是金屬波紋管的上端設(shè)置在加工有通孔的 外殼內(nèi)頂部下表面，金屬波紋管下端設(shè)置有質(zhì)量塊，外殼下端設(shè)置加工有通孔、且與密封蓋 聯(lián)接的端蓋，密封蓋的下端設(shè)置有傳感器接頭，在金屬波紋管內(nèi)部設(shè)置有振動傳感光纖光 柵，振動傳感光纖光柵的光纖上部固定在外殼上，振動傳感光纖光柵的光纖下部穿過質(zhì)量 塊的中心通孔固定在質(zhì)量塊上、從密封蓋側(cè)壁上的通孔引出并固定在密封蓋側(cè)壁上。本發(fā)明的金屬波紋管的內(nèi)徑為10 18mm、外徑為15 24mm、波距為3 5mm、波厚為0. 1 0. 14mm、波數(shù)為5 10。本發(fā)明的振動傳感光纖光柵是波長為1520 1620nm 的摻鍺光纖光柵。本發(fā)明的質(zhì)量塊的質(zhì)量為7. 5 15g。本發(fā)明的金屬波紋管為鈹青銅金屬波紋管。本發(fā)明的質(zhì)量塊為黃銅質(zhì)量塊。本發(fā)明的外殼、金屬波紋管、質(zhì)量塊的中心線在同一直線上，金屬波紋管的上端面 與外殼內(nèi)的頂端面平行、下端面與質(zhì)量塊的上表面平行。本發(fā)明的端蓋的上表面與質(zhì)量塊下表面之間的距離為1 10mm。本發(fā)明根據(jù)光纖光柵應變傳感原理，在金屬波紋管的底部設(shè)置質(zhì)量塊，將振動傳 感光纖光柵穿過質(zhì)量塊和金屬波紋管的中心后安裝在金屬波紋管內(nèi)部，當被測物體發(fā)生振 動時，引起質(zhì)量塊振動，在質(zhì)量塊的慣性力的作用下，與質(zhì)量塊聯(lián)接的金屬波紋管產(chǎn)生拉伸 或壓縮運動，使得固定于其上的振動傳感光纖光柵產(chǎn)生應變，振動傳感光纖光柵將接收到 的加速度信號轉(zhuǎn)換成光信號輸出。這種結(jié)構(gòu)的加速度傳感器，解決了同類光纖光柵傳感器 體積大，難以安裝使用的技術(shù)問題，提高了傳感器的靈敏度、測量范圍及響應頻率，提高了 光纖光柵振動傳感器工作的可靠性和穩(wěn)定性。本發(fā)明與現(xiàn)有的加速度傳感器相比較，具有 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、靈敏度高、頻譜范圍寬、器形細長、易于串聯(lián)組裝等優(yōu)點，可實現(xiàn)多點分 布和動態(tài)在線實時監(jiān)測。


圖1是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實施例1的瞬態(tài)響應圖。圖3是本發(fā)明實施例1的幅頻特性圖。圖4是本發(fā)明實施例1的靈敏度標定圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步詳細說明，但本發(fā)明不限于這些實施例。實施例1在圖1中，本實施例的一種基于金屬波紋管結(jié)構(gòu)的光纖光柵加速度傳感器由金屬 波紋管1、振動傳感光纖光柵2、質(zhì)量塊3、端蓋4、密封蓋5、傳感器接頭6、外殼7聯(lián)接構(gòu)成。本實施例的外殼7為圓柱筒形結(jié)構(gòu)，金屬波紋管1的上端用502膠粘接在外殼7 內(nèi)頂部下表面，金屬波紋管1是鈹青銅金屬波紋管，金屬波紋管1的內(nèi)徑為18mm、外徑為 24mm、波距為5mm、波厚為0. 12mm、波數(shù)為9。金屬波紋管1下端用502膠粘貼固定有質(zhì)量 塊3，502膠為市場銷售的商品，由臺州市椒江拓普膠粘劑廠生產(chǎn)，質(zhì)量塊3的中心加工有通 孔，本實施例中的質(zhì)量塊3的質(zhì)量為15g，材質(zhì)為黃銅，質(zhì)量塊3用于調(diào)節(jié)光纖光柵振動傳 感器的靈敏度和固有頻率。外殼7的下端通過螺紋聯(lián)接安裝有端蓋4，端蓋4的上表面與 質(zhì)量塊3下表面之間留有距離，距離為5mm，用于金屬波紋管1振動時產(chǎn)生軸向變形。端蓋 4的下端通過螺紋聯(lián)接安裝有密封蓋5，密封蓋5的側(cè)壁上加工有一通孔，密封蓋5的下端 通過螺紋聯(lián)接安裝有傳感器接頭6，傳感器接頭6用于將本發(fā)明與振動臺相聯(lián)。本發(fā)明的外 殼7、金屬波紋管1、質(zhì)量塊3的中心線在同一直線上，金屬波紋管1的上端面與外殼7內(nèi)的頂端面平行、下端面與質(zhì)量塊3的上表面平行。在金屬波紋管1內(nèi)裝有振動傳感光纖光柵 2，本實施例中的振動傳感光纖光柵2為摻鍺光纖光柵，其波長為1532. 4nm,為市場上銷售 的商品，由北京泰克里科光學技術(shù)有限公司生產(chǎn)，振動傳感光纖光柵2的光纖上部從外殼7 的中心通孔引出并用502膠粘貼固定在外殼7外表面的中心孔處，振動傳感光纖光柵2的 光纖下部穿過質(zhì)量塊3的中心通孔并用502膠粘貼固定在質(zhì)量塊3下表面的中心通孔處， 從密封蓋5側(cè)壁上的通孔引出并用502膠粘貼固定在密封蓋5側(cè)壁上的通孔處。振動傳感 光纖光柵2用于接收金屬波紋管1在發(fā)生振動時產(chǎn)生的加速度信號，當被測物體發(fā)生振動 時，引起質(zhì)量塊振動，在質(zhì)量塊的慣性力的作用下，與質(zhì)量塊聯(lián)接的金屬波紋管產(chǎn)生拉伸或 壓縮運動，使得固定于金屬波紋管上的振動傳感光纖光柵產(chǎn)生應變，振動傳感光纖光柵將 接收到的加速度信號轉(zhuǎn)換成光信號輸出。這種結(jié)構(gòu)的加速度傳感器，解決了同類光纖光柵傳感器體積大，難以安裝使用的 技術(shù)問題，提高了傳感器的靈敏度、測量范圍及響應頻率，提高了光纖光柵振動傳感器工作 的可靠性和穩(wěn)定性。這種結(jié)構(gòu)的加速度傳感器，由于體積小、靈敏度高、頻譜范圍寬、器形細 長，很適應于在空間小、距離長的環(huán)境下傳輸所接收的加速度信號轉(zhuǎn)換成光信號輸出。實施例2在本實施例中，金屬波紋管1的上端用502膠粘接在外殼7內(nèi)頂部下表面，金屬波 紋管1下端用502膠粘貼固定有質(zhì)量塊3上，金屬波紋管1的內(nèi)徑為18mm、外徑為24mm、波 距為5mm、波厚為0. 14mm、波數(shù)為10，質(zhì)量塊3的質(zhì)量為15g，端蓋4的上表面與質(zhì)量塊3下 表面之間的距離為10mm。在金屬波紋管1內(nèi)裝有振動傳感光纖光柵2，振動傳感光纖光柵2 的光纖上部從外殼7的中心通孔引出并用502膠粘貼固定在外殼7外表面的中心孔處，振 動傳感光纖光柵2的光纖下部穿過質(zhì)量塊3的中心通孔并用502膠粘貼固定在質(zhì)量塊3下 表面的中心通孔處，從密封蓋5側(cè)壁上的通孔引出并用502膠粘貼固定在密封蓋5側(cè)壁上 的通孔處。振動傳感光纖光柵2是波長為1532. 4nm的摻鍺光纖光柵。其它零部件以及零 部件的聯(lián)接關(guān)系與實施例1相同。實施例3在本實施例中，金屬波紋管1的上端用502膠粘接在外殼7內(nèi)頂部下表面，金屬波 紋管1下端用502膠粘貼固定有質(zhì)量塊3上，金屬波紋管1的內(nèi)徑為10mm、外徑為15mm、波 距為3mm、波厚為0. 1mm、波數(shù)為5，質(zhì)量塊3的質(zhì)量為7. 5g，端蓋4的上表面與質(zhì)量塊3下 表面之間的距離為1mm。在金屬波紋管1內(nèi)裝有振動傳感光纖光柵2，振動傳感光纖光柵2 的光纖上部從外殼7的中心通孔引出并用502膠粘貼固定在外殼7外表面的中心孔處，振 動傳感光纖光柵2的光纖下部穿過質(zhì)量塊3的中心通孔并用502膠粘貼固定在質(zhì)量塊3下 表面的中心通孔處，從密封蓋5側(cè)壁上的通孔引出并用502膠粘貼固定在密封蓋5側(cè)壁上 的通孔處。振動傳感光纖光柵2是波長為1533. 2nm的摻鍺光纖光柵。其它零部件以及零 部件的聯(lián)接關(guān)系與實施例1相同。實施例4在本實施例中，金屬波紋管1的上端用502膠粘接在外殼7內(nèi)頂部下表面，金屬波 紋管1下端用502膠粘貼固定有質(zhì)量塊3上，金屬波紋管1的內(nèi)徑為14mm、外徑為20mm、波 距為4mm、波厚為0. 12mm、波數(shù)為8，質(zhì)量塊3的質(zhì)量為10g，端蓋4的上表面與質(zhì)量塊3下 表面之間的距離為5mm。在金屬波紋管1內(nèi)裝有振動傳感光纖光柵2，振動傳感光纖光柵2的光纖上部從外殼7的中心通孔引出并用502膠粘貼固定在外殼7外表面的中心孔處，振 動傳感光纖光柵2的光纖下部穿過質(zhì)量塊3的中心通孔并用502膠粘貼固定在質(zhì)量塊3下 表面的中心通孔處，從密封蓋5側(cè)壁上的通孔引出并用502膠粘貼固定在密封蓋5側(cè)壁上 的通孔處。振動傳感光纖光柵2是波長為1533. 2nm的摻鍺光纖光柵。其它零部件以及零 部件的聯(lián)接關(guān)系與實施例1相同。實施例5在以上的實施例1 4中，在金屬波紋管1內(nèi)裝有振動傳感光纖光柵2，振動傳感 光纖光柵2的光纖上部從外殼7的中心通孔引出并用502膠粘貼固定在外殼7外表面的中 心孔處，振動傳感光纖光柵2的光纖下部穿過質(zhì)量塊3的中心通孔并用502膠粘貼固定在 質(zhì)量塊3下表面的中心通孔處，從密封蓋5側(cè)壁上的通孔引出并用502膠粘貼固定在密封 蓋5側(cè)壁上的通孔處。振動傳感光纖光柵2是波長為1520nm nm的摻鍺光纖光柵。其它零 部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與相應的實施例相同。實施例6在以上的實施例1 4中，在金屬波紋管1內(nèi)裝有振動傳感光纖光柵2，振動傳感 光纖光柵2的光纖上部從外殼7的中心通孔引出并用502膠粘貼固定在外殼7外表面的中 心孔處，振動傳感光纖光柵2的光纖下部穿過質(zhì)量塊3的中心通孔并用502膠粘貼固定在 質(zhì)量塊3下表面的中心通孔處，從密封蓋5側(cè)壁上的通孔引出并用502膠粘貼固定在密封 蓋5側(cè)壁上的通孔處。振動傳感光纖光柵2是波長為1620nm的摻鍺光纖光柵。其它零部 件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與相應的實施例相同。根據(jù)上述原理，還可設(shè)計出另外一種具體結(jié)構(gòu)的基于金屬波紋管結(jié)構(gòu)的光纖光柵 加速度傳感器，但均在本發(fā)明的的保護范圍之內(nèi)。本發(fā)明的工作原理如下由寬帶光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)光纖傳輸?shù)焦饫w光柵振動傳感器上，光纖光柵振動傳 感器固定在被測物體表面，跟隨被測物體一起振動，振動時質(zhì)量塊3和金屬波紋管1構(gòu)成的 彈性系統(tǒng)在慣性力的作用下做受迫振動，導致底部與質(zhì)量塊3相聯(lián)接的金屬波紋管1產(chǎn)生 相應的應變變化，使得固定在其上的振動傳感光纖光柵2的中心波長產(chǎn)生漂移，并與被測 物體的振動加速度變化規(guī)律一致，由振動傳感光纖光柵2將接收到的加速度信號轉(zhuǎn)換成光 信號輸出。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1.本發(fā)明采用金屬波紋管1作為振動信號的傳遞元件，通過在振動傳感光纖光柵 2兩端進行固定的方式，避免了振動傳感光纖光柵2啁啾且降低了封裝難度，制作工藝簡2.本發(fā)明將質(zhì)量塊3在振動過程中的位移轉(zhuǎn)化為振動傳感光纖光柵2的軸向位 移，提高了光纖光柵振動傳感器的靈敏度。3.本發(fā)明可以通過調(diào)節(jié)質(zhì)量塊3的質(zhì)量或改變金屬波紋管1的剛度來改變本發(fā)明 的靈敏度和固有頻率，以滿足不同頻率的測量要求。為了驗證本發(fā)明的有益效果，發(fā)明人采用實施例1制備的基于金屬波紋管的光纖 光柵振動傳感器進行實驗室研究實驗，各種實驗情況如下實驗儀器光譜分析儀，型號為AQ6370B，由日本恒河(Y0K0GAWA)公司生產(chǎn)；光纖熔接機，型號為FSM-60S，由日本藤倉公司生產(chǎn)；動態(tài)解調(diào)儀，型號為SM130，由美國微光 (MICRON OPTICS)公司生產(chǎn)；標準振動臺，型號為WS-Z40，由北京波普世紀科技發(fā)展有限公 司生產(chǎn)；標準電荷加速度傳感器，由北京波普世紀科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)。1、本發(fā)明的瞬態(tài)響應實驗將本發(fā)明實施例1的金屬波紋管光纖光柵加速度傳感器沿豎直方向固定在標準 振動臺上，激振頻率設(shè)置為70Hz，采用正弦波激振。從本發(fā)明實施例1的加速度傳感器外殼 引出的一端尾纖接在美國微光公司生產(chǎn)的動態(tài)解調(diào)儀上，通過動態(tài)解調(diào)儀對從本發(fā)明實施 例1的加速度傳感器中的振動傳感光纖光柵的波長變化進行解調(diào)。金屬波紋管光纖光柵加 速度傳感器中振動傳感光纖光柵2中心波長隨時間的變化關(guān)系見表1。表1振動傳感光纖光柵中心波長隨時間的變化關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種基于金屬波紋管結(jié)構(gòu)的光纖光柵加速度傳感器，其特征在于金屬波紋管(1) 的上端設(shè)置在加工有通孔的外殼(7)內(nèi)頂部下表面，金屬波紋管(1)下端設(shè)置有質(zhì)量塊 (3)，外殼(7)下端設(shè)置加工有通孔、且與密封蓋( 聯(lián)接的端蓋G)，密封蓋(5)的下端設(shè) 置有傳感器接頭(6)，在金屬波紋管(1)內(nèi)部設(shè)置有振動傳感光纖光柵O)，振動傳感光纖 光柵( 的光纖上部固定在外殼(7)上，振動傳感光纖光柵( 的光纖下部穿過質(zhì)量塊(3) 的中心通孔固定在質(zhì)量塊(3)上、從密封蓋(5)側(cè)壁上的通孔引出并固定在密封蓋(5)側(cè) 壁上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于金屬波紋管結(jié)構(gòu)的光纖光柵加速度傳感器，其特征 在于所述的金屬波紋管(1)的內(nèi)徑為10 18mm、外徑為15 24mm、波距為3 5mm、波厚 為0. 1 0. 14mm、波數(shù)為5 10 ；所述的振動傳感光纖光柵(2)是波長為1520 1620nm 的摻鍺光纖光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于金屬波紋管結(jié)構(gòu)的光纖光柵加速度傳感器，其特征 在于所說的質(zhì)量塊(3)的質(zhì)量為7. 5 15g。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于金屬波紋管結(jié)構(gòu)的光纖光柵加速度傳感器，其特征 在于所述的金屬波紋管(1)為鈹青銅金屬波紋管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種基于金屬波紋管結(jié)構(gòu)的光纖光柵加速度傳感器，其 特征在于所述的質(zhì)量塊C3)為黃銅質(zhì)量塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于金屬波紋管結(jié)構(gòu)的光纖光柵加速度傳感器，其 特征在于所述的外殼(7)、金屬波紋管(1)、質(zhì)量塊(3)的中心線在同一直線上，金屬波紋 管(1)的上端面與外殼(7)內(nèi)的頂端面平行、下端面與質(zhì)量塊(3)的上表面平行。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于金屬波紋管結(jié)構(gòu)的光纖光柵加速度傳感器，其 特征在于所述的端蓋的上表面與質(zhì)量塊(3)下表面之間的距離為1 10mm。
全文摘要
一種基于金屬波紋管結(jié)構(gòu)的光纖光柵加速度傳感器，金屬波紋管的上端設(shè)置在加工有通孔的外殼內(nèi)頂部下表面，金屬波紋管下端設(shè)置有質(zhì)量塊，外殼下端設(shè)置加工有通孔、且與密封蓋聯(lián)接的端蓋，密封蓋的下端設(shè)置有傳感器接頭，在金屬波紋管內(nèi)部設(shè)置有振動傳感光纖光柵，振動傳感光纖光柵的光纖上部固定在外殼上，振動傳感光纖光柵的光纖下部穿過質(zhì)量塊的中心通孔固定在質(zhì)量塊上、從密封蓋側(cè)壁上的通孔引出并固定在密封蓋側(cè)壁上。本發(fā)明與現(xiàn)有的加速度傳感器相比較，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、靈敏度高、頻譜范圍寬、器形細長、易于串聯(lián)組裝等優(yōu)點，可實現(xiàn)多點分布和動態(tài)在線實時監(jiān)測。
文檔編號G01P15/03GK102087300SQ201010544589
公開日2011年6月8日 申請日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
發(fā)明者喬學光, 傅海威, 馮忠耀, 周銳, 張敬花, 楊揚, 高宏 申請人:西北大學