專利名稱：雙光纖光柵加速度計探頭的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光纖光柵傳感技術、工程力學和光電檢測等技術領域，是一種不受電磁干擾、尺寸小、能自動消除溫度噪聲的具有較高測量靈敏度和分辨率的加速度傳感器探頭。
背景技術：
混凝土提壩、衛(wèi)星發(fā)射臺和海上開采平臺等大型工程結構中由于應力集中而產生一種振幅微小(10-8-10-10m)應力波。這種應力波振動頻率一般在IOOHz以下，它廣泛存在于工程應用領域中，它反映了處于微振物體的本質狀態(tài)特征，而表征這種應力波最直接的參數是其振動加速度。通過對加速度進行精確測量可實現振動體的狀態(tài)分析和故障診斷。振動監(jiān)測系統(tǒng)中對振動信號進行拾取主要依靠電磁類加速度傳感器來實現，雖然電磁類加速度傳感器已在振動測量中得到了廣泛應用，但是其自身存在的諸多缺陷使得電磁類加速度傳感器在振動測量領域的應用受到很大的限制，如電磁干擾和溫度噪聲不能從根本上消除，信號之間的串音、測量探頭復雜，以及電線總體積大、布置空間容易受到等問題難以解決。近年來，許多光纖傳感器被應用于振動監(jiān)測和信息采集中，并受到廣泛關注和大力推廣，其中光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)傳感器最具有發(fā)展前景。
發(fā)明內容本實用新型的目的是提供一種雙光纖光柵加速度計探頭，其基于光纖布拉格光柵 (簡稱光纖光柵)設計，不但能實現低頻振動加速度的測量，同時具有尺寸小，質量輕，不受電磁干擾，不受光路中功率波動影響等優(yōu)點，還能自動消除溫度噪聲和相位噪聲的影響，具有較高的測量靈敏度和分辨率。為實現上述目的，本實用新型采取的技術方案是一種雙光纖光柵加速度計探頭， 包括殼體，殼體內設有簡支梁和慣性質量塊；簡支梁的數量為2個，上下平行的安裝于殼體中；慣性質量塊固定于兩個簡支梁之間；上簡支梁的上表面以及下簡支梁的下表面上分別固定1個光纖光柵，兩個光纖光柵相互平行設置，且豎直方向投影相互重合；兩個光纖光柵位于同一側的端部通過光纖相互連接，另一側的端部通過光纖連接殼體外部。作為一種改進，本實用新型還包括基座，基座連接殼體下端，基座上表面中心與殼體下端面中心重合；基座的底面積大于殼體下端面的面積?；c殼體可以為整體結構，基座的設置可使得本實用新型在應用時更好的避免其它振動造成的干擾，保證測量的靈敏度和精確度。作為一種改進，本實用新型中所述2個簡支梁均為矩形截面簡支梁，各簡支梁的兩端分別固定于殼體的兩側部。采用矩形截面的簡支梁，可以使得兩個簡支梁與圓柱體振子即慣性質量塊之間“線”接觸，保證簡支梁的應變?yōu)榫€性應變，為分析提供便利。進一步的，當矩形截面的兩個簡支梁之間設置的慣性質量塊為圓柱體時，慣性質量塊的軸向平行于簡支梁的表面，并垂直于簡支梁的長度方向。簡支梁的長度方向即以固定于殼體上的兩個端部作為端點的方向。優(yōu)選的，本實用新型中兩個光纖光柵在同一根光纖上制成，光纖光柵的制作為現有技術；這一根光纖可穿過兩個簡支梁，使得其上兩個光纖光柵位置對稱、相互平行的分別固定于上簡支梁的上表面和下簡支梁的下表面上，可采用粘貼或者其他形式進行固定。此外，如果不使用同一根光纖制成，只要保證所采用的兩個光纖光柵的類型、性能相同即可， 引出到殼體外的光纖端部為信號輸出端。優(yōu)選的，本實用新型所述慣性質量塊為圓柱體，其徑向截面以及軸向皆垂直于簡支梁的長度方向；慣性質量塊的直徑等于上下簡支梁之間的距離。圓柱體的慣性質量塊較之其它形狀可以使得測量的靈敏度更高，另一方面，其外輪廓可較好的緩沖簡支梁的受力， 使得簡支梁的壽命較長，進而也保證了本實用新型的使用壽命。進一步的，本實用新型所述慣性質量塊位于上下簡支梁之間、簡支梁長度方向的中間部位，可提高本實用新型的靈敏性。本實用新型的有益效果為本加速度計探頭采用光纖光柵作為敏感元件，免受電磁干擾，適合于復雜電磁環(huán)境使用；本傳感探頭是將加速度引起的簡支梁應變量轉換為光纖光柵的中心波長漂移量，不受測量系統(tǒng)中光路功率波動影響；本傳感探頭采用雙光纖光柵結構，將簡支梁的壓縮應變和拉伸應變分別作用于兩個光纖光柵，而溫度變化對光纖光柵中心波長的影響相同，這樣測量中能夠進行溫度的自動補償，克服了一般光纖光柵傳感器溫度、應變交叉敏感問題；本加速度計探頭的雙光纖光柵結構也將測量的靈敏度較單根光纖光柵提高一倍；本加速度計探頭結構較為簡單，體積較小，易于形成分布式傳感網絡， 進行多點加速度測量，同時成本較低，安裝簡單，易于推廣。

圖1所示為本實用新型的結構示意圖；圖2所示圖1的主視圖；圖3所示為光纖光柵傳感系統(tǒng)示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型的內容更加明顯易懂，
以下結合附圖和具體實施方式
做進一步描述。結合圖1和圖2，本實用新型包括殼體1，殼體1的下部設有底面積較大的基座11 ； 殼體ι內設有簡支梁3和慣性質量塊2 ；簡支梁3為矩形截面的簡支梁，數量為2個，且上下相互平行；各簡支梁3的兩端分別固定于殼體1的兩側壁上。慣性質量塊2為圓柱體，固定于兩個簡支梁3之間，慣性質量塊2的直徑等于上下簡支梁之間的距離。圓柱體慣性質量塊2的軸向平行于簡支梁3的表面，并垂直于簡支梁3的長度方向；簡支梁3的長度方向即以固定于殼體1上的兩個端部作為端點的方向。上簡支梁的上表面以及下簡支梁的下表面上分別固定一個光纖光柵4，兩個光纖光柵4相互平行設置，且豎直方向投影相互重合；兩個光纖光柵4位于同一側的端部通過光纖相互連接，另一側的端部通過光纖連接殼體1外部。本實用新型中兩個光纖光柵4在同一根光纖5上制成；這一根光纖5穿過兩個簡支梁3，其上兩個光纖光柵4位置對稱、相互平行的，分別粘貼固定于上簡支梁的上表面和下簡支梁的下表面上。本實用新型在應用時基于光纖光柵傳感原理，具體為忽略溫度和應變的交叉敏感，分別考察僅在單一溫度或應變的作用下FBG(光纖布拉格光柵)傳感特性。溫度引起的光纖光柵Bragg波長變化公式為ΔλΒ/λΒ=(α + ξ)ΔΤ = ΚτΔΤ其中式中丄.義為光纖的熱膨脹系數Z = 1. 1為光纖的熱光系數，Kt為
Λ dT^ff dT
光纖光柵相對波長溫度靈敏度系數。由(1)式可知，ΔΤ與Δ λΒ存在著線性關系，通過檢測波長的移位，即可確定被測溫度變化量。光纖軸向應變ε引起的光纖光柵Bragg波長變化公式為Δ λΒ/λΒ = (I-Pe) ε = Κε ε式中，Pe為有效彈光系數，尺=4^^-44 +巧2)]/2，其中Ρη、Ρ12為彈光系數，υ
為光纖泊松比；ΚΕ為光纖光柵相對波長應變靈敏度系數。與溫度類似，ΔλB與ε也成線性關系，由Δ λ B可方便地求出外界應變ε。由上可知，光柵Bragg波長變化與應變和溫度的變化關系為Δ λ Β/ λ Β = (α + ξ) Δ T+(I-Pe) ε = ΚτΔΤ+Κε ε (1)顯然，光柵中心反射波長對應變和溫度都是敏感的，測量一個量的同時，勢必要受到另一個量的影響。由此可見，解決應變和溫度交叉敏感的問題是FBG傳感檢測技術實用化的關鍵。如圖3所示為光纖光柵傳感系統(tǒng)示意圖。從寬帶光源發(fā)出的光經耦合器傳送到傳感光柵上，傳感光柵反射回一個中心波長為Bragg波長λΒ的窄帶光波，待測量(應變、溫度等)加在傳感光柵上使λB產生漂移Δ λ Β，這個產生漂移的反射窄帶光波又經耦合器導入波長檢測系統(tǒng)，從中檢測出△ λ Β，進而確定待測量。本實用新型中，粘貼固定與上簡支梁上表面的光纖光柵即第一光纖布拉格光柵 FBG1，粘貼固定于下簡支梁下表面的即第二光纖布拉格光柵FBG2 ；粘貼時確保兩光柵與簡支梁梁表面粘貼的牢固性和準直性，并且兩光柵嚴格對稱。當有加速度時，因為慣性質量塊固定于兩個簡支梁之間，也就確保了慣性質量塊與上下簡支梁振動呈一體。當有加速度時，慣性質量塊上下振動，設其振動加速度為a，則慣性質量塊所受到的慣性力為F = ma。在質量塊慣性力F作用下，簡支梁發(fā)生彎曲，其中一光柵受壓縮，另一光柵受拉伸。若簡支梁厚度為h，長度為L，寬度為b，依據材料力學和彈性力學知識結合公式F = ma，慣性力引起的光纖光柵的應變ε為
3FL 3Lmε = (2)式中E為梁的彈性模量。式(2)給出了光纖光柵的應變ε和振動加速度為a的數學關系。因此，可以通過測量FBG的瞬時應變而得到外界加速度值。當光信號通過FBGl和FBG2時，因為它們是完全一致的光纖光柵，在沒有振動信號時，設FBG中心反射波長為λΒ1 = 1540ηπι。當質量塊以加速度a振動時，兩個FBG的長度伸長和縮短，從而影響其反射譜發(fā)生變化，中心波長產生漂移。假設外界溫度變化為ΔΤ，根據公式(1)，兩光纖光柵的中心波長漂移量分別為Δ λ B1= λ Β11-λ Β1= λΒ [ΚτΔΤ+Κε (-ε )] (3)Δ λΒ2 = λΒ12-λΒ1 = λΒ1[ΚτΔΤ+Κε ε ] (4)式中λ Β11為FBGl受壓縮后輸出的中心波長；λ Β12為FBG2受拉伸后輸出的中心波長；ε為光纖光柵應變(當光柵受拉力時取“ + ”，反之取“_”)。由式⑶、⑷得到FBGl和 FBG2的中心波長差為Δ λ Β = Δ λ Β2- Δ λ B1 = 2 λ Β1Κ ε ε根據公式⑵，上式轉化為= 2AmKb. ――. a
bh E( 5 )所以通過檢測光纖光柵中心波長的漂移量Δ λ Β便可檢測振動加速度a。由于工程測量中，FBG的應變靈敏度為2X 10_3nm/ μ ε，而溫度靈敏度為 0.03nm/°C，可見在加速度測量時，溫度補償十分重要。由式( 可知，該傳感探頭能很好地對溫度進行補償，并且對應變測量的靈敏度比單光纖光柵提高了 2倍。本實用新型中所述具體實施案例僅為本實用新型的較佳實施案例而已，并非用來限定本實用新型的實施范圍。即凡依本實用新型申請專利范圍的內容所作的等效變化與修飾，都應作為本實用新型的技術范疇。
權利要求1.一種雙光纖光柵加速度計探頭，其特征是，包括殼體，殼體內設有簡支梁和慣性質量塊；簡支梁的數量為2個，上下平行的安裝于殼體中；慣性質量塊固定于兩個簡支梁之間； 上簡支梁的上表面以及下簡支梁的下表面上分別固定1個光纖光柵，兩個光纖光柵相互平行設置，且豎直方向投影相互重合；兩個光纖光柵位于同一側的端部通過光纖相互連接，另一側的端部通過光纖連接殼體外部。
2.根據權利要求1所述的雙光纖光柵加速度計探頭，其特征是，還包括基座，基座連接殼體下端，基座上表面與殼體下端面中心重合；基座的底面積大于殼體下端面的面積。
3.根據權利要求1或2所述的雙光纖光柵加速度計探頭，其特征是，所述2個簡支梁的截面均為矩形，各簡支梁的兩端分別固定于殼體的兩側部。
4.根據權利要求1或2所述的雙光纖光柵加速度計探頭，其特征是，兩個光纖光柵在同一根光纖上制成。
5.根據權利要求1或2所述的雙光纖光柵加速度計探頭，其特征是，所述慣性質量塊為圓柱體，其軸向以及徑向截面皆垂直于簡支梁的長度方向；慣性質量塊的直徑等于上下簡支梁之間的距離。
6.根據權利要求3所述的雙光纖光柵加速度計探頭，其特征是，所述慣性質量塊為圓柱體，其軸向平行于簡支梁的表面，并垂直于簡支梁的長度方向。
7.根據權利要求1或2或6所述的雙光纖光柵加速度計探頭，其特征是，所述慣性質量塊位于上下簡支梁之間、簡支梁長度方向的中間部位。
8.根據權利要求1或2所述的雙光纖光柵加速度計探頭，其特征是，兩個光纖光柵分別粘貼固定于上下簡支梁上。
專利摘要本實用新型公開一種雙光纖光柵加速度計探頭，其包括殼體，殼體內設有簡支梁和慣性質量塊；簡支梁的數量為2個，上下平行的安裝于殼體中；慣性質量塊固定于兩個簡支梁之間；上簡支梁的上表面以及下簡支梁的下表面上分別固定1個光纖光柵，兩個光纖光柵相互平行設置，且豎直方向投影相互重合；兩個光纖光柵位于同一側的端部通過光纖連接，另一側的端部通過光纖連接殼體外部。當有加速度時，慣性質量塊與上下簡支梁振動呈一體，簡支梁發(fā)生彎曲使得簡支梁上的一個光纖光柵受壓縮，另一個光纖光柵受拉伸。通過檢測加在光纖光柵的應變即可得到加速度大小。本實用新型尺寸小質量輕，在實現低頻振動加速度的測量時，具有較高的靈敏度和分辨率。
文檔編號G01P15/03GK202285022SQ20112044163
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權日2011年11月9日
發(fā)明者劉旭明, 周洪, 李國利 申請人:金陵科技學院