專利名稱：一種高靈敏度f(wàn)bg加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖光柵傳感器，尤其是一種高靈敏度FBG加速度傳感器。
背景技術(shù)：
光纖光柵傳感器屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過(guò)程是通過(guò)外界物理參量對(duì)光纖布拉格波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息，是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器?，F(xiàn)有的光纖光柵加速度傳感器在使用時(shí)，容易出現(xiàn)啁啾或多峰現(xiàn)象，其靈敏度是一個(gè)問(wèn)題。并且在 外界過(guò)大沖擊作用時(shí)，過(guò)大的加速度會(huì)使光柵產(chǎn)生很大的軸向應(yīng)變使得光柵被拉斷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種耐用的高靈敏度FBG加速度傳感器。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案這種高靈敏度FBG加速度傳感器，包括基座、上蓋，基座和上蓋之間通過(guò)螺釘連接，基座和上蓋形成的空間內(nèi)設(shè)有懸臂梁，懸臂梁一端與基座螺紋連接，另一端與質(zhì)量塊螺紋連接，質(zhì)量塊處于懸空狀態(tài)，懸臂梁上設(shè)有兩個(gè)支塊，其中支塊一設(shè)于懸臂梁與基座的連接端，支塊二設(shè)于支塊一與質(zhì)量塊之間，基座兩側(cè)設(shè)有光纜接頭，光纖通過(guò)兩個(gè)光纜接頭且固定于支塊一和支塊二上，光柵柵區(qū)位于支塊一和支塊二之間。作為優(yōu)選，所述光柵設(shè)有預(yù)拉伸。作為優(yōu)選，所述基座底部設(shè)有一個(gè)限位螺釘，限位螺釘?shù)闹行奈恢门c質(zhì)量塊的集中載荷共線，限位螺釘?shù)亩嗣媾c質(zhì)量塊之間設(shè)有間隙。作為優(yōu)選，所述基座采用鋁合金材質(zhì)。作為優(yōu)選，所述基座和上蓋形成的空間內(nèi)的螺紋連接處設(shè)有螺紋密封膠。作為優(yōu)選，所述基座和上蓋形成的空間內(nèi)部設(shè)有潤(rùn)滑油阻尼液。發(fā)明有益的效果是本發(fā)明通過(guò)調(diào)整支塊的尺寸可以明顯改善傳感器的靈敏度，同時(shí)光柵柵區(qū)部分采用懸空方式，不直接粘貼到懸臂梁上可以有效避免出現(xiàn)中心波長(zhǎng)啁啾或展寬現(xiàn)象；得出了該新型加速度傳感器的具體結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)對(duì)于預(yù)拉伸、防過(guò)載破壞及溫度補(bǔ)償進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；對(duì)傳感器的傳感單元進(jìn)行了有限元仿真分析，結(jié)果與前面設(shè)計(jì)理論結(jié)果十分吻合；故本發(fā)明設(shè)計(jì)的光纖光柵加速度傳感結(jié)構(gòu)為新型加速度傳感器設(shè)計(jì)提供了一種新穎的設(shè)計(jì)思路和方法，具有極大的實(shí)用意義和價(jià)值。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是傳感單元力學(xué)模型結(jié)構(gòu)圖；圖3是純彎梁彎曲變形表面幾何關(guān)系圖；圖4是應(yīng)變分布云圖5是一階模態(tài)應(yīng)力分布云圖；附圖標(biāo)記說(shuō)明基座1，上蓋2，質(zhì)量塊3，懸臂梁4，支塊一 5，支塊二 6，光纜接頭7，光纖8，光柵柵區(qū)9，限位螺釘10。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)施例如圖I所示，一種高靈敏度FBG加速度傳感器，包括基座I、上蓋2，基座I和上蓋2之間通過(guò)螺釘連接，基座I和上蓋2形成的空間內(nèi)設(shè)有懸臂梁4，懸臂梁4 一端與基座I螺紋連接，另一端與質(zhì)量塊3螺紋連接，質(zhì)量塊3處于懸空狀態(tài)，懸臂梁4上設(shè)有兩個(gè)支塊，其中支塊一 5設(shè)于懸臂梁4與基座I的連接端，支塊二 6設(shè)于支塊一 5與質(zhì)量塊3之間，基座I兩側(cè)設(shè)有光纜接頭7，光纖8通過(guò)兩個(gè)光纜接頭7且固定于支塊一 5和支塊二6上,光柵柵區(qū)9位于支塊一 5和支塊二 6之間。由于傳感器用作加速度震動(dòng)測(cè)量，故內(nèi)部所有螺紋連接處均需做防松處理，即通過(guò)涂覆螺紋密封膠防松，尾端光纜接頭7與光纜連·接方式仍采用常規(guī)方式(壓緊及涂膠水)連接，整個(gè)基座I內(nèi)部填充潤(rùn)滑油阻尼液。建立外界激勵(lì)的加速度、頻率信息與光纖光柵之間的力學(xué)模型是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)時(shí)采用懸臂梁4和質(zhì)量塊3力學(xué)模型，外界激勵(lì)加速度產(chǎn)生的慣性力轉(zhuǎn)換為懸臂梁4表面的應(yīng)變，將光柵固定在懸臂梁4表面。這樣，表面的應(yīng)變將使光柵中心波長(zhǎng)發(fā)生變化，結(jié)合光柵應(yīng)變特性、力學(xué)理論知識(shí)，可以建立中心波長(zhǎng)變化與外界激勵(lì)加速度的線性關(guān)系，從而通過(guò)光柵波長(zhǎng)變化量的檢測(cè)可以換算出外界激勵(lì)加速度大小，同時(shí)，傳感器自身設(shè)計(jì)固有頻率決定了可以探測(cè)外界激勵(lì)信號(hào)的工作頻率范圍。將光柵時(shí)域波長(zhǎng)變化信號(hào)進(jìn)行FFT變換即可得到外界激勵(lì)信號(hào)的頻率特性曲線，從而檢測(cè)出外界激勵(lì)信號(hào)的頻率成分。加速度傳感器設(shè)計(jì)時(shí)兩個(gè)重要的指標(biāo)即動(dòng)態(tài)范圍(工作頻率)及靈敏度。在結(jié)構(gòu)檢測(cè)領(lǐng)域(橋梁、大壩等)使用時(shí)，通常要求傳感器在一定的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)有很好的靈敏度，這樣才能監(jiān)測(cè)出結(jié)構(gòu)體的微小震動(dòng)情況。鐵路、公路橋的豎直方向加速度通常低于O. 35g，橫向加速度低于O. Ig,公路、鐵路橋及高層建筑等大型結(jié)構(gòu)的振動(dòng)均為低頻振動(dòng)，固有頻率一般小于10Hz。這里，采用懸臂梁和質(zhì)量塊力學(xué)模型作為加速度傳感器傳感單元。其簡(jiǎn)化的傳感單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，可簡(jiǎn)化為由慣性質(zhì)量m、彈性元件k和阻尼C組成的單自由度的二階系統(tǒng)，由于光纖剛度遠(yuǎn)小于彈性懸臂梁的剛度，故計(jì)算時(shí)忽略了光纖剛度的影響。對(duì)于上述力學(xué)模型可以得到其固有頻率為
rI ω Ilr.bli/ =——=——I--
2π 2π y A(m + mc)L結(jié)合材料力學(xué)、光纖光柵波長(zhǎng)變化與應(yīng)變關(guān)系、彎曲形變定理可得到該結(jié)構(gòu)形式
r π ο Δ1 n + 2h 6m,.S 二-= 0.78--— (i — χ) Λ0
a/ EMr其中，fn :懸臂梁的固有頻率；S :加速度靈敏度系數(shù)；Λ λ :波長(zhǎng)變化量；a :加速度；λ ^ :原始波長(zhǎng)；m :質(zhì)量塊質(zhì)量；m。懸臂梁質(zhì)量；E :懸臂梁彈性模量；b :懸臂梁寬度；L :懸臂梁長(zhǎng)度；
t :懸臂梁厚度；h :支塊厚度(支塊一和支塊二視為等厚);同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)自身設(shè)計(jì)邊界尺寸約束，采用數(shù)值優(yōu)化方法得到，當(dāng)懸臂梁幾何尺寸為L(zhǎng)=45，mc=90, b=15, t=l (單位均為mm)時(shí)其靈敏度及固有頻率均較高，其中懸臂梁選用65Mn材料，其彈性模量E=200GPa，h=7. 5mm代入計(jì)算得到傳感器靈敏度為800pm/g，固有頻率為50HZ。目前業(yè)內(nèi)其它廠家采用懸臂梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器，在幾何尺寸相當(dāng)?shù)那闆r下，其靈敏度遠(yuǎn)低于這一數(shù)值(如菲薄泰達(dá)到360pm/g,紫衫300pm/g),可見(jiàn)可以改變h來(lái)調(diào)整傳感器的靈敏度。 由于加速度傳感器設(shè)計(jì)量程為±lg，這就要求光柵不僅需要軸向拉伸，還需要軸向壓縮。為保證光柵軸向壓縮時(shí)仍能檢測(cè)到光柵中心波長(zhǎng)變化量，對(duì)光柵實(shí)施預(yù)拉伸是很重要的。根據(jù)懸臂梁材料力學(xué)原理可知，其表面應(yīng)變與外力存在以下關(guān)系
「 6/'(A-.V)ε = ~~
Iihlr結(jié)合前面設(shè)計(jì)傳感器單元結(jié)構(gòu)尺寸，當(dāng)外界激勵(lì)加速度為Ig時(shí)，懸臂梁表面最大應(yīng)變?yōu)棣?40.81μ ε，則結(jié)合材料力學(xué)中純彎曲梁變形幾何關(guān)系如圖3所示，懸臂梁表面應(yīng)變與表面高度h處應(yīng)變有如下關(guān)系
r ε tn——=-
ε\ /2 + h
「 1 t + 2h€ =--ε
根據(jù)裸光柵波長(zhǎng)與應(yīng)變的關(guān)系，即k=l. 2pm/μ ε，可以換算得到懸臂梁給光柵的應(yīng)變相當(dāng)于光柵中心波長(zhǎng)的變化量Λ λ為Λ λ =k ε 1=783. 55pm。因此,要滿足加速度傳感器量程為土 Ig要求,需對(duì)光柵實(shí)施不低于783. 55pm的預(yù)拉伸，設(shè)計(jì)時(shí)按照預(yù)拉伸IOOOpm進(jìn)行封裝。感器在外界過(guò)大沖擊作用下(遠(yuǎn)大于自身設(shè)計(jì)量程Ig)時(shí)，過(guò)大加速度會(huì)使光柵產(chǎn)生很大的軸向應(yīng)變使得光柵被拉斷，根據(jù)光纖的材料特性，其在受到外力拉伸時(shí)，斷裂前最大拉伸率為初始長(zhǎng)度的1%左右，也即ΙΟΟΟΟμ ε。因此，對(duì)于光柵進(jìn)行過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)顯得很重要。結(jié)合前面計(jì)算公式可知，光柵產(chǎn)生ΙΟΟΟΟμ ε相當(dāng)于在懸臂梁表面產(chǎn)生625 μ ε，則自由端慣性力為
P sl'jhh^ ^F 二-二 13.65N
6(1.-X)當(dāng)懸臂梁自由端在慣性力F=13.65N作用下，其自由端最大撓度為
4/'/' r =-r = I AAmm
Eblf也即是當(dāng)懸臂梁4自由端產(chǎn)生I. 44_位移時(shí)，光柵將被拉斷。為了避免這一現(xiàn)象，在傳感器基座上安裝一限位螺釘10，該螺釘中心位置與懸臂梁4自由端集中載荷共線，設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)限位螺釘10完全旋入指定位置時(shí)，螺釘端面距離質(zhì)量塊3位移為Imm(小于I. 44mm極限尺寸)。光柵兩端固定于同一材的質(zhì)懸臂梁上，同時(shí)，光柵處于拉伸狀態(tài)，外界溫度變化時(shí)，光柵中心波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生變化。這里沒(méi)有設(shè)計(jì)內(nèi)部溫度補(bǔ)償，需借助外部溫度傳感器進(jìn)行區(qū)域溫度補(bǔ)償。由于傳感器基座I采用了鋁合金材質(zhì)，其具有很高的熱導(dǎo)率，對(duì)于周圍環(huán)境溫度的變化能快速傳遞到傳感器內(nèi)部，同時(shí)內(nèi)部光柵處于裸露，可以快速響應(yīng)外界溫度變化。因此采用外部周圍補(bǔ)償?shù)姆绞绞强梢院芎锰蕹郎囟葘?duì)波長(zhǎng)的影響的。前面從理論計(jì)算方面對(duì)加速度傳感器傳感單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)變、固有頻率計(jì)算分析，前面的分析未有考慮結(jié)構(gòu)局部的變化(如開(kāi)孔、墊高)的影響，在根據(jù)前面理論計(jì)算得出傳感單元各結(jié)構(gòu)件尺寸、質(zhì)量后，建立了三維模型，對(duì)設(shè)計(jì)的三維模型進(jìn)行仿真分析可以很好的校驗(yàn)前面的理論計(jì)算。傳感單元靜力分析，在分析時(shí)建立了相關(guān)約束條件，在懸臂梁左端施加固定支撐約束，定義懸臂梁與質(zhì)量塊連接面為完全綁定支撐約束，在懸臂梁自由端添加集中載荷0.9N。設(shè)置懸臂梁材料為65Mn、質(zhì)量塊材料為黃銅。通過(guò)網(wǎng)格劃分計(jì)算求解可得其應(yīng)變分布云圖如圖4所示，從圖中可以看出，最大應(yīng)變發(fā)生在懸臂梁靠近固定端側(cè)，支塊與懸臂梁表面連接處應(yīng)變值在31. 34-39. 17 μ ε之間，與前面計(jì)算的表面應(yīng)變值40. 81 μ ε比較接近。支塊上表面應(yīng)變值很小，主要由于該處結(jié)構(gòu)材料相對(duì)較厚，材料內(nèi)部之間的應(yīng)變很小，主要變形是由于懸臂梁發(fā)生彎曲支塊整體產(chǎn)生位移。傳感單元模態(tài)分析，在分析時(shí)建立了相關(guān)約束條件，在懸臂梁左端施加固定支撐·約束，定義懸臂梁與質(zhì)量塊連接面為完全綁定支撐約束，設(shè)置懸臂梁材料為65Μη、質(zhì)量塊材料為黃銅。通過(guò)網(wǎng)格劃分計(jì)算求解提取其前6階固有頻率，如下表所示。
權(quán)利要求
1.一種高靈敏度FBG加速度傳感器，包括基座(I)、上蓋(2)，基座(I)和上蓋(2)之間通過(guò)螺釘連接，其特征是基座(I)和上蓋(2)形成的空間內(nèi)設(shè)有懸臂梁(4)，懸臂梁(4) 一端與基座(I)螺紋連接，另一端與質(zhì)量塊(3)螺紋連接，質(zhì)量塊(3)處于懸空狀態(tài)，懸臂梁(4)上設(shè)有兩個(gè)支塊，其中支塊一(5)設(shè)于懸臂梁(4)與基座(I)的連接端，支塊二(6)設(shè)于支塊一(5 )與質(zhì)量塊(3 )之間，基座(I)兩側(cè)設(shè)有光纜接頭(7 )，光纖(8 )通過(guò)兩個(gè)光纜接頭(7)且固定于支塊一(5)和支塊二(6)上,光柵柵區(qū)(9)位于支塊一(5)和支塊二(6)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏度FBG加速度傳感器，其特征是所述光柵設(shè)有預(yù)拉伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏度FBG加速度傳感器，其特征是所述基座(I)底部設(shè)有一個(gè)限位螺釘(10)，限位螺釘(10)的中心位置與質(zhì)量塊(3)的集中載荷共線，限位螺釘(10)的端面與質(zhì)量塊(3)之間設(shè)有間隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏度FBG加速度傳感器，其特征是所述基座(I)采用鋁合 金材質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏度FBG加速度傳感器，其特征是所述基座(I)和上蓋(2)形成的空間內(nèi)的螺紋連接處設(shè)有螺紋密封膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏度FBG加速度傳感器，其特征是所述基座(I)和上蓋(2)形成的空間內(nèi)部設(shè)有潤(rùn)滑油阻尼液。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高靈敏度FBG加速度傳感器，包括基座、上蓋，基座和上蓋之間通過(guò)螺釘連接，基座和上蓋形成的空間內(nèi)設(shè)有懸臂梁，懸臂梁一端與基座螺紋連接，另一端與質(zhì)量塊螺紋連接，質(zhì)量塊處于懸空狀態(tài)，懸臂梁上設(shè)有兩個(gè)支塊，其中支塊一設(shè)于懸臂梁與基座的連接端，支塊二設(shè)于支塊一與質(zhì)量塊之間，基座兩側(cè)設(shè)有光纜接頭，光纖通過(guò)兩個(gè)光纜接頭且固定于支塊一和支塊二上，光柵柵區(qū)位于支塊一和支塊二之間。發(fā)明有益的效果是本發(fā)明光柵柵區(qū)兩端固定在懸臂梁與支塊之間，提高了傳感器的靈敏度，避免了出現(xiàn)啁啾或多峰現(xiàn)象，推導(dǎo)了設(shè)計(jì)計(jì)算的力學(xué)模型，對(duì)傳感器進(jìn)行了過(guò)載安全保護(hù)設(shè)計(jì)、光柵預(yù)拉伸設(shè)計(jì)等；采用有限元分析計(jì)算得出了懸臂梁應(yīng)變分布情況及6階固有頻率，證明分析結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算吻合。
文檔編號(hào)G01P15/03GK102901840SQ201210405559
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者賈淑紅, 王曉宇, 劉兵, 王侃 申請(qǐng)人:浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院