本發(fā)明涉及光纖光柵應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域,具體而言是一種懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作方法。
背景技術(shù):
光纖光柵傳感技術(shù)具有靈敏度高、復(fù)用簡單、抗電磁干擾、無源等特性,在加速度傳感器領(lǐng)域倍受青睞。目前,大多數(shù)光纖光柵加速度傳感器利用機械結(jié)構(gòu)進行增敏,將加速度的變化轉(zhuǎn)化為光纖光柵上的波長變化,再通過光柵解調(diào)儀還原傳感信息。如專利“一種懸臂梁式光纖光柵加速度計”(申請?zhí)枺?00710065321.X)、“基于懸臂梁撓度的光纖光柵加速度計”(申請?zhí)枺?00710065322.X)、“雙等強度懸臂梁光纖光柵振動傳感器”(申請?zhí)枺?01010285791.9)、“一種雙懸臂梁光纖光柵加速度傳感器”(申請?zhí)枺?01310092296.X)等都采用了懸臂梁式的機械結(jié)構(gòu),將加速度或振動轉(zhuǎn)化為光柵的波長變化后再進行檢測。但相關(guān)專利多側(cè)重于加速度傳感器結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新,較少考慮傳感器的制作方法,而在實際工程中,更多關(guān)注的是傳感器的技術(shù)指標能否符合工程需求,以及能否根據(jù)監(jiān)測對象的具體要求,靈活調(diào)節(jié)傳感器的技術(shù)參數(shù),提供最佳的性能指標,如靈敏度、工作頻率等。例如,在泥石流地聲監(jiān)測系統(tǒng)中,泥石流地聲的顯著頻率低于200Hz,最小振動的加速度幅度在0.2m/s2左右,屬于低頻微弱振動信號的范疇,接近傳統(tǒng)單光柵懸臂梁式加速度傳感器的靈敏度極限。傳統(tǒng)的方法是選擇確定結(jié)構(gòu)方案后,先對該結(jié)構(gòu)進行理論計算和軟件仿真,獲取懸臂梁結(jié)構(gòu)的臂長、質(zhì)量塊的大小等參數(shù),再通過精密機械加工出各個零件,進行結(jié)構(gòu)組裝。但實際制作過程中,由于光纖光柵應(yīng)變誤差、機械零件的加工誤差、結(jié)構(gòu)裝配誤差等的影響,裝配后傳感器的參數(shù)會偏離設(shè)計值,嚴重時甚至無法使用,需要進行返工維修。但由于光纖光柵極易損傷,且多采用環(huán)氧樹脂與機械結(jié)構(gòu)粘接,維修拆卸時極容易造成光柵損壞,且傳感器多設(shè)計成半封閉結(jié)構(gòu),內(nèi)部空間狹窄,維修加工和處理非常困難。因此,研究懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作新方法,對提高傳感器的性能和合格率非常關(guān)鍵。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,而提供一種懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作方法,該方法簡化了懸臂梁光纖光柵加速度傳感器的設(shè)計,降低了傳感器的制作難度,大幅提高傳感器的性能和合格率。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作方法,該加速度傳感器包括基座、彈簧片、質(zhì)量塊、側(cè)蓋、光纖光柵;
制作步驟如下:
步驟1:在質(zhì)量塊左右兩個側(cè)面的中心位置對稱加工有配重孔,在基座和質(zhì)量塊上加工有卡槽,彈簧片的一端與基座的卡槽過盈配合連接,彈簧片的另一端與質(zhì)量塊卡槽過盈配合連接,并通過激光焊接加固;;
步驟2:將帶尾纖的光纖光柵從基座的引入孔導(dǎo)入,所述光纖光柵的一端點膠固定在引入孔上,所述光纖光柵的另一端水平牽引到質(zhì)量塊的上沿,然后點膠固定;光纖光柵的尾纖再懸空回繞到質(zhì)量塊的下沿,經(jīng)基座的引出孔導(dǎo)出并點膠固定,保持回繞尾纖的自由松弛狀態(tài);
步驟3:將傳感裝置放置在振動臺上,光纖光柵的尾纖的一端接入解調(diào)設(shè)備,光纖光柵的尾纖的另一端浸入匹配液,實時監(jiān)測振動臺的輸入和光柵反射信號的波長變化,確定傳感裝置的諧振頻率點和靈敏度;
步驟4:當(dāng)傳感裝置的諧振頻率點低于設(shè)計值,通過對質(zhì)量塊側(cè)面的配重孔擴孔,減輕質(zhì)量塊重量,提高諧振點的頻率;當(dāng)傳感裝置的諧振頻率點高于設(shè)計值,通過在配重孔點膠來增加質(zhì)量塊的重量,降低諧振頻率,提高靈敏度;
步驟5:將傳感裝置老化后,裝配側(cè)蓋,點膠密封;
通過上述步驟,完成懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作。
所述步驟3中,固定設(shè)置振動臺的加速度值,在0Hz到1.5倍的最大允許工作頻率范圍內(nèi),以一定的增量調(diào)節(jié)振動臺激振信號的頻率,記錄加速度傳感器對應(yīng)的波長偏移量;標定最大波長偏移對應(yīng)的頻率為諧振頻率點,波長偏移/加速度的曲線擬合斜率為靈敏度。經(jīng)典的懸臂梁傳感器諧振頻率一半高于工作頻率1.5~3倍,以降低傳感器自身特性對被測量影響。在光纖加速度傳感器中,考慮光纖應(yīng)變幅度較小,可以適當(dāng)降低加速度傳感器的諧振頻率!當(dāng)振動臺加速度大小不變,而頻率逐步調(diào)節(jié)時,處于諧振點的激勵信號,由于與傳感器發(fā)生共振,在懸臂梁上產(chǎn)生最大作用力,從而形成最大波長變化,而其它點波長變化相對較小,因此,可以根據(jù)該規(guī)律來標定傳感器的諧振頻率點。而其他遠離諧振諧振頻率點位置上,傳感器自身影響較小,光柵波長變化與加速度直接相關(guān),故可作為靈敏度計算的依據(jù)。
所述光纖光柵2基于G.657的抗彎光纖刻寫,裸光柵區(qū)域采用小彈性模量的高分子樹脂材料超薄涂覆,涂覆后的直徑為135um~140um,柵區(qū)長度30mm??紤]光纖粘接和回彎過程中極易導(dǎo)致光功率損耗,采用G.657抗彎光纖刻寫光柵,累積插入損耗小于0.3dB,提高了傳感器的可復(fù)用數(shù)量;柵區(qū)采用小彈性模量的高分子樹脂材料超薄涂覆,既有效避免了水汽的滲透,延長了傳感器的使用壽命,又確保了外力有效作用于光柵部分,提升了傳感器的靈敏度。
本發(fā)明一種懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作方法,優(yōu)點在于:
⑴、簡化了加速度傳感器的設(shè)計和加工要求:
懸臂梁結(jié)構(gòu)采用分體組合方式設(shè)計,彈簧片和質(zhì)量塊單獨加工,避免了一體化設(shè)計導(dǎo)致的加工困難;懸臂采用專用的彈性金屬材料制作(如65Mn),用料少,熱處理方便,殘余應(yīng)力小;質(zhì)量塊形狀規(guī)則,有利于通過精密機械加工來控制質(zhì)量塊的重量。
⑵、傳感器的靈敏度高,插入損耗?。?/p>
通過精確的參數(shù)配置,優(yōu)化傳感器的工作頻率,大幅提升懸臂梁光柵傳感器的靈敏度;考慮光纖粘接和回彎過程中極易導(dǎo)致光功率損耗,采用G.657抗彎光纖刻寫光柵,累積插入損耗小于0.3dB;柵區(qū)采用小彈性模量的高分子樹脂材料超薄涂覆,既有效避免了水汽的滲透,延長了傳感器的使用壽命,又確保了外力有效作用于光柵部分,提升了傳感器的靈敏度。
⑶、操作方法簡單靈活,實用性強:
在實際制作過程中,由于光纖光柵應(yīng)變誤差、機械零件的加工誤差、結(jié)構(gòu)裝配誤差等的影響,傳感器的關(guān)鍵技術(shù)指標會偏離設(shè)計值。
傳統(tǒng)的光纖光柵懸臂梁加速度傳感器在優(yōu)化技術(shù)指標時,往往需要加工多個不同規(guī)格的質(zhì)量塊,采用逐一替換的方法裝配成加速度傳感器后,再逐一進行測試,制作周期長,合格率低。而對于不合格的傳感器,由于環(huán)氧樹脂固化后剝離困難,且傳感器空間狹小,返工維修廢品率高。
而本發(fā)明通過在質(zhì)量塊上設(shè)計專用的配重孔,通過簡單機械加工或注膠進行配重,可改變加速度傳感器的靈敏度和頻率范圍,為靈活調(diào)節(jié)傳感器的技術(shù)指標提供了方便。
附圖說明
圖1為本發(fā)明中懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明中懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器等效原理圖。
圖3為本發(fā)明實施例中泥石流地聲監(jiān)測的加速度傳感器的頻率特性圖。
圖中:1-基座,2-傳感光柵,3-彈簧片,4-質(zhì)量塊。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例作進一步的詳細描述:
本實施例所述的懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器,用于泥石流地聲監(jiān)測。泥石流地聲是指泥石流爆發(fā)時,其攜帶大量泥、砂、礫石和水在運動過程中發(fā)生的碰撞與摩擦?xí)斐傻乇碚駝?。研究表明,泥石流地聲的顯著頻率在10~200Hz,典型強度在0.2m/s2左右,與火山爆發(fā)、地震等現(xiàn)象產(chǎn)生的地表振動信號有著明顯的區(qū)別。通過對泥石流地聲進行監(jiān)測,在泥石流發(fā)生初期及時告警,可以有效避免或減輕泥石流災(zāi)害所造成人員和財產(chǎn)損失。光纖光柵傳感器具有無源、抗干擾、復(fù)用能力強等特點,在地聲監(jiān)測中具有明顯優(yōu)勢,成為近年來研究的熱點。本實施例設(shè)計的光柵加速度傳感器應(yīng)用于泥石流地聲監(jiān)測,包括基座1、彈簧片3、質(zhì)量塊4、側(cè)蓋和光纖光柵2。其中,基座1、彈簧片3、質(zhì)量塊4通過機械配合連接和激光焊接后,構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu);光纖光柵2與基座和質(zhì)量塊4之間直接采用環(huán)氧樹脂點膠固定。傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,理論模型如圖2所示。
彈簧片3的采用彈簧鋼制作,厚度0.2mm;基座和質(zhì)量塊4上卡槽的開口大小為0.2mm,其中,彈簧片3與基座和質(zhì)量塊4采用過盈配合連接,再通過激光焊接加固。
側(cè)蓋采用不銹鋼制作,與基座1側(cè)面采用間隙配合設(shè)計,側(cè)蓋和基座1裝配后,沿縫隙點環(huán)氧樹脂膠密封。
本發(fā)明所述的一種懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器,制作方法包括如下步驟:
⑴、在質(zhì)量塊4的左右兩個側(cè)面的中心位置,對稱加工有配重孔,配重孔的直徑φ1.5mm,深度1mm,在基座和質(zhì)量塊4上加工有卡槽。彈簧片3的一端與基座的卡槽過盈配合連接,彈簧片3的另一端與質(zhì)量塊4的卡槽過盈配合連接,采用激光對連接部位加固焊接后,構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)。
⑵、將帶尾纖的光纖光柵2從基座的引入孔導(dǎo)入,光纖光柵2的一端點膠固定在引入孔上,光纖光柵2的另一端水平牽引到質(zhì)量塊4的上沿并保持50N預(yù)張力,然后點膠固定,尾纖再懸空回繞到質(zhì)量塊4的下沿,經(jīng)基座的引出孔導(dǎo)出,在點膠固定,保持回繞尾纖的自由松弛狀態(tài)。
⑶、將傳感裝置放置在振動臺上,尾纖的一端接入解調(diào)設(shè)備,解調(diào)設(shè)備為CCD快速波長解調(diào)儀,另一端侵入匹配液:無水酒精,實時監(jiān)測振動臺的輸入和光柵反射信號的波長變化,確定傳感裝置的諧振頻率點和靈敏度。
固定設(shè)置振動臺的加速度值,在10Hz到400Hz的范圍內(nèi),以10Hz的增量調(diào)節(jié)振動臺激振信號的頻率,記錄加速度傳感器對應(yīng)的波長偏移量。標定最大波長偏移對應(yīng)的頻率為諧振頻率點,如圖3中的310Hz,波長偏移/加速度的曲線擬合斜率為靈敏度。
⑷、當(dāng)傳感器的諧振頻率點低于設(shè)計值,通過對質(zhì)量塊4側(cè)面的配重孔擴孔,減輕質(zhì)量塊4重量,提高諧振點的頻率。
⑸、當(dāng)傳感器的諧振頻率點高于設(shè)計值,通過在配重孔點膠來增加質(zhì)量塊4的重量,降低懸臂梁加速度傳感器的諧振頻率,提高傳感器的靈敏度。
⑹將傳感器老化后,裝配側(cè)蓋,點膠密封。
本發(fā)明所涉及的光纖光柵基于G.657的抗彎光纖刻寫,裸光柵區(qū)域采用小彈性模量的高分子樹脂材料超薄涂覆,涂覆后的直徑為135um~140um,柵區(qū)長度30mm。由于光柵涂覆層減薄,且對應(yīng)變的抵抗力小,單位應(yīng)變力作用下,光纖的應(yīng)變提升近2倍,光纖光柵加速度傳感器的靈敏度提升2倍左右。
光柵加速度傳感器的優(yōu)化原理如下:
分析圖2中光纖光柵加速度傳感器的理論模型可知,當(dāng)基座受外界振動信號作用向上運動時,質(zhì)量塊4受激振力Fa的作用,使彈片產(chǎn)生變形,同時受光纖的拉力Ff作用。則質(zhì)量塊4的受力可以簡化為垂直向上的力Fa和順時針旋轉(zhuǎn)力矩M=Ff*d的共同作用,其中d為光纖粘接點與彈片焊接點之間的距離。
根據(jù)材料力學(xué)中等截面懸臂梁彎曲變形的分析,彈片近似變形擾度ω為:
其中,l為彈片的有效長度;E為彈性模量;I為慣性矩。
當(dāng)質(zhì)量塊4到達偏離水平的最遠位置,且光纖長度遠大于懸臂梁長度及質(zhì)量塊4厚度時,光纖的拉伸量ΔL可以表示為:
其中,L為光纖的原始長度。由材料力學(xué)可知,在彈性變形范圍內(nèi),光纖上的軸向受力可用如下公式表示:
其中,A為光纖的有效截面積,σ為軸向應(yīng)變,Ef為軸向彈性模量。
聯(lián)立(1)~(3),帶入光柵波長偏移與應(yīng)變的關(guān)系ΔλB=(1-Pε)λBε,可得到傳感器的靈敏度S為:
其中,Pε為軸向泊松參數(shù),λB為光柵的布拉格波長,m為質(zhì)量塊的質(zhì)量,d為質(zhì)量塊高度的一半。
式(4)可以看出,在傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后,加速度的大小與FBG的波長變化量有嚴格的線性關(guān)系。
根據(jù)懸臂梁加速度傳感器的理論分析可知,傳感器的一階諧振頻率為:
綜合分析(4)、(5)式可知,對于這種特定結(jié)構(gòu)的光纖加速度傳感器,質(zhì)量塊大小與傳感器的靈敏度成正比,與固有頻率的平方成反比;彈性體的長度與靈敏度成近似的正比,和固有頻率平方根成反比。通過調(diào)節(jié)彈性體的長度和質(zhì)量塊的大小,可以優(yōu)化設(shè)計加速度傳感器的靈敏度和固有頻率。
泥石流地聲的顯著頻率低于200Hz,強度約0.2m/s2,這對光纖光柵傳感器提出了很高的要求。為了獲得較高的靈敏度,傳統(tǒng)的方法是提高波長解調(diào)儀的解調(diào)精度,即提高光纖光柵解調(diào)設(shè)備的波長分辨率,這會導(dǎo)致解調(diào)設(shè)備成本的大幅度攀升,降低解調(diào)的實時性。目前,采用CCD解調(diào)的方案,波長分辨率1pm,折算成加速度傳感器的靈敏度為最低20pm/g。為了確保對地聲信號的有效監(jiān)測,工程設(shè)計中傳感器的靈敏度要高于200pm/g,諧振頻率點不低于300Hz即可。通過機械設(shè)計和仿真分析后,設(shè)計出加速度傳感器的零件理論尺寸,再加工試樣。但實際加工制作時,由于光纖光柵應(yīng)變誤差、機械零件的加工誤差、結(jié)構(gòu)裝配誤差等的影響,裝配后傳感器的諧振頻率點會偏離設(shè)計值,即頻率或者靈敏度不能滿足傳感器的設(shè)計指標要求,造成產(chǎn)品不達標或者報廢。
基于本發(fā)明的制作方法,將傳感器進行組裝后,在振動臺上進行校準,如果傳感器的諧振頻率是1200Hz,而靈敏度是150pm/g,即傳感器的靈敏度低于設(shè)計指標的下限時,應(yīng)該提高傳感器的靈敏度,優(yōu)化傳感器的工作頻率范圍。具體而言,通過在質(zhì)量塊4的配重孔中適量點膠,增加質(zhì)量塊4的重量。按照公式(5)的描述,隨著質(zhì)量塊4重量的增加,傳感器的諧振頻率會快速下降。因此,在點膠配重時,需要實時監(jiān)控傳感器的諧振頻率。當(dāng)傳感器的諧振頻率降低到310Hz附近,停止點膠增重,對配重孔的膠進行固化,穩(wěn)定質(zhì)量塊的重量。再對傳感器的靈敏度進行標定,實測傳感器的靈敏度在300pm/g,與理論預(yù)期基本一致。在批量生產(chǎn)加速度傳感器時,為了簡化操作,可將質(zhì)量塊的尺寸按照下公差加工,確保質(zhì)量塊的重量小于或等于設(shè)計值,使裝配后的傳感器諧振略高于設(shè)計頻率,再采取點膠的方式增加配重來調(diào)校頻率,提高靈敏度,從而避免通過機械加工減重的方法來優(yōu)化傳感器。
應(yīng)當(dāng)理解的是,對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說,可以根據(jù)上述說明加以改進或變換,而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。