一種新型光纖光柵振動加速度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光纖光柵振動加速度傳感領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種新型光纖光柵振動加速 度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，光纖光柵傳感器W其抗電磁干擾、耐腐蝕、高絕緣性、 測量范圍廣、便于復(fù)用成網(wǎng)等優(yōu)點，在±木工程、航空航天、石油化工、電力、醫(yī)療、船舶工業(yè) 等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。當機械振動產(chǎn)生的應(yīng)變波作用到光纖光柵上時，將引起光纖光柵 的光學(xué)參數(shù)的變化，從而引起光纖光柵中屯、波長的變化；通過光纖光柵解調(diào)設(shè)備，可將中屯、 波長的變化轉(zhuǎn)換為光功率的變化，通過檢測光功率的變化，就可實現(xiàn)機械振動的檢測；ii 量振動加速度是振動監(jiān)測常用的一種方法，目前，由于懸臂梁具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的特 點，所用光纖光柵加速度傳感器多采用懸臂梁結(jié)構(gòu)；但由于固有頻率的影響，采用懸臂梁結(jié) 構(gòu)的光纖光柵振動傳感器的頻帶都比較窄，同時，懸臂梁結(jié)構(gòu)一般體積較大，限制了其在許 多領(lǐng)域的應(yīng)用。除懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵加速度傳感器外，研究人員還提出了光纖光柵傳 感器其他結(jié)構(gòu)的封裝形式，但存在頻帶窄、體積大、溫度影響大等問題，不利于使用。
[0003] 新型光纖光柵振動加速度傳感器具有體積小、封裝穩(wěn)固、傳感器頻帶寬，便于安裝 使用的特點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種用于測量機械振動加速度的光纖光柵加速度傳感器， 通過測量光纖光柵反射的光功率的變化實現(xiàn)機械振動加速度的測量，解決現(xiàn)有振動傳感器 頻帶窄，體積大，受溫度影響等問題。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，新型光纖光柵振動加速度傳感器， 包括彈性傳感體、光纖光柵，所述彈性傳感體上半部分設(shè)有一個圓孔，圓孔內(nèi)安裝傳感光纖 光柵并定位固定，在彈性傳感體下半部分設(shè)有螺孔，螺孔內(nèi)旋入螺柱，螺柱另一端旋入被測 物體并組成剛體連接。
[0006] 圓孔和螺孔之間不通透，圓孔和螺孔的孔中屯、與圓柱形彈性傳感體的本體中屯、線 重合。
[0007] 圓孔直徑2mm、深20mm，傳感光纖光柵沿圓孔中屯、線安放并置于圓孔內(nèi)的底部，其 頂端中屯、位于圓孔中屯、處，利用環(huán)氧樹脂膠將傳感光纖光柵定位并固定。
[0008] 螺孔的直徑為5mm，深8mm。
[0009] 傳感光纖光柵為光纖布拉格光柵。
[0010] 本發(fā)明的光纖光柵振動加速度傳感器，由于利用光纖布拉格光柵作為傳感器件， 當振動產(chǎn)生的應(yīng)變波通過彈性傳感體作用到嵌入其中的光纖布拉格光柵上時，應(yīng)變波會與 光纖布拉格光柵中的光波發(fā)生禪合，從而引起光纖布拉格光柵光學(xué)參數(shù)的變化，導(dǎo)致光纖 布拉格光柵中屯、波長發(fā)生變化，通過波長解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)中屯、波長的變化，將中屯、波長的變 化轉(zhuǎn)換為光功率的變化，即可實現(xiàn)高精度振動加速度的傳感。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明的光纖光柵振動加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 陽〇1引 在圖中：
[0013] 1-彈性傳感體、2-圓孔、3-傳感光纖光柵、4-螺孔、5-寬譜光源6-第一環(huán)形 器、7-第二環(huán)形器、8-匹配光纖光柵、9-光電檢測器、10-數(shù)據(jù)采集設(shè)備；
[0014] 圖2是本發(fā)明的光纖光柵振動加速度傳感器固定在被測物體上的示意圖。 陽〇1引 在圖中：
[0016] 11-螺柱、12-被測物體。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的光纖光柵振動加速度傳感器做出詳細說明。
[0018] 本發(fā)明提供的光纖光柵振動加速度傳感器是由彈性傳感體1和嵌在彈性傳感體 中的傳感光纖光柵3構(gòu)成的，傳感光纖光柵3采用環(huán)氧樹脂膠固定，彈性傳感體1底面中央 開有螺孔4,用于將彈性傳感體固定在被測物體12上。
[0019] 圖1給出了本發(fā)明提供的光纖光柵振動加速度傳感器具體結(jié)構(gòu)，光纖光柵振動加 速度傳感器包括有彈性傳感體1，彈性傳感體1的最佳實施例為圓柱形，其直徑為20mm、高 30mm ;在彈性傳感體1上半部分設(shè)有一個圓孔2,圓孔2內(nèi)安裝傳感光纖光柵3并定位固定， 將傳感光纖光柵3垂直于彈性傳感體上表面放入圓孔2中，且傳感光纖光柵3處于圓孔2 的最底部，垂直方向上與圓孔2的中屯、線重合，其頂端位于圓孔2中屯、處，與傳感光纖光柵 3相連的光纖暴露在圓孔2的外部。
[0020] 在彈性傳感體1下半部分設(shè)有螺孔4,螺孔4內(nèi)旋入螺柱11，螺柱11的另一端旋 入被測物體12并組成剛體連接。
[0021] 圓孔2和螺孔4之間不通透，圓孔2和螺孔4的孔中屯、與圓柱形彈性傳感體1的 本體中屯、線重合。 陽02引圓孔2直徑2mm、深20臟，光纖光柵3沿圓孔2中屯、線安放并置于圓孔2內(nèi)的底部， 其頂端中屯、位于圓孔2中屯、處，利用環(huán)氧樹脂膠將傳感光纖光柵3定位并固定。
[0023] 實施本光纖光柵振動加速度傳感器，螺孔4的直徑為5mm，深8mm。
[0024] 實施本光纖光柵振動加速度傳感器，傳感光纖光柵3為光纖布拉格光柵。
[00巧]為了保證傳感器的精度，上述標定尺寸的誤差在應(yīng)在0. 2mm W內(nèi)。
[00%] 傳感光纖光柵3與第一環(huán)形器6相連，第一環(huán)形器6的另兩端分別連接寬譜光源5 和第二環(huán)形器7,第二環(huán)形器7的另兩端分別連接匹配光纖光柵8和光電檢測器9,光電檢 測器9的輸出連接數(shù)據(jù)采集設(shè)備10。
[0027] 上面所述的傳感光纖光柵3是能夠由應(yīng)變引起其反射譜發(fā)生變化的光學(xué)器件，為 光纖布拉格光柵；所述的彈性傳感體1采用的材料可W是質(zhì)地均勻的金屬、非金屬或其它 材質(zhì)的線彈性材料；所述的寬譜光源5的譜寬必須與傳感光纖光柵3和匹配光纖光柵8的 中屯、波長匹配；所述的光電檢測器9是可將光功率變化轉(zhuǎn)換為電壓變化的光電器件；所述 的數(shù)據(jù)采集設(shè)備10是可將模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的設(shè)備。
[0028] 圖2給出了光纖光柵振動加速度傳感器安裝示意圖，在被測物體12上開與螺孔4 相同的孔，采用螺柱11將傳感器固定在被測物體12上，當被測物體12發(fā)生機械振動時，機 械振動將作用在彈性傳感體1的底面，并在彈性傳感體1底部產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)變場。應(yīng)變場將 在彈性傳感體1和環(huán)氧樹脂膠中沿軸向傳播形成應(yīng)變波，并作用在嵌入環(huán)氧樹脂膠中的傳 感光纖光柵3上。如果機械振動的加速度呈正弦變化，則產(chǎn)生的應(yīng)變波隨時間也為正弦變 化，其隨時間變化的表達式如（1)式所示：
[0029]
。)：
[0030] 式中Em表示應(yīng)變波的幅度，λ S表示應(yīng)變波的波長，ω S表示應(yīng)變波的角頻率，Z 為應(yīng)變波的傳輸方向。根據(jù)布拉格條件，傳感光纖光柵3的中屯、波長可由（2)式表不：
[0031] 入附二化 effO 八 0 0)
[0032] 式中rwf。表示傳感光纖光柵3的有效折射率，Λ。表示傳感光纖光柵3的周期。當 應(yīng)變波沿傳感光纖光柵3軸向傳播時，會導(dǎo)致傳感光纖光柵3沿軸向拉伸或壓縮，引起傳感 光纖光柵3周期Λ。的變化；同時，由于彈光效應(yīng)的影響，傳感光纖光柵3的有效折射率n^f。 會發(fā)生變化。最終會引起傳感光纖光柵3的中屯、波長λ,。發(fā)生變化。當應(yīng)變波的波長λ S 與傳感光纖光柵3的長度L的比值λ s/L〉〉l時，傳感光纖光柵3的中屯、波長受應(yīng)變的影響 可表不為：
[0033] λΒ(?) = Αβο+Δ A〇cos(〇st) (3)
[0034] 式中Δ λ。為傳感光纖光柵3中屯、波長受應(yīng)變波影響的變化幅度，為一常數(shù)。由 此可知，當機械振動成正弦變化時，傳感光纖光柵3的中屯、波長也將呈正弦變化，將傳感光 纖光柵3中屯、波長的變化轉(zhuǎn)換為光功率的變化，便可獲得機械振動的加速度。
[0035] 寬譜光源5譜寬必須包含傳感光纖光柵3和匹配光纖光柵8的中屯、波長。傳感光 纖光柵3和匹配光纖光柵8的溫度靈敏度系數(shù)和3地帶寬要求相同，兩光纖光柵的3地帶 寬和中屯、波長的差值應(yīng)在0. 2nm左右。當傳感光纖光柵3的中屯、波長在機械振動的作用下 發(fā)生變化時，其光譜就會左右移動，此時匹配光纖光柵8反射的光功率，即進入光電檢測器 9的光功率就會發(fā)生變化，導(dǎo)致光電檢測器9的輸出電壓發(fā)生變化。數(shù)據(jù)采集設(shè)備10通過 采集光電檢測器9的輸出電壓，便可獲得機械振動的變化情況，實現(xiàn)振動傳感檢測。
[0036] 最后應(yīng)說明的是：W上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，盡管 參照前述實施例對發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可W對前 述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換，如：將 彈性傳感體改變?yōu)閳A柱之外其它形狀，圓孔2和螺孔4的尺寸變更，將凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種新型光纖光柵振動加速度傳感器，包括彈性傳感體、光纖光柵，其特征在于：所 述彈性傳感體（1)上半部分設(shè)有一個圓孔（2)，圓孔（2)內(nèi)安裝傳感光纖光柵（3)并定位固 定，在彈性傳感體（1)下半部分設(shè)有螺孔（4)，螺孔（4)內(nèi)旋入螺柱（11)，螺柱（11)的另一 端旋入被測物體（12)并組成剛體連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型光纖光柵振動加速度傳感器，其特征在于：所述圓孔（2) 和螺孔（4)之間不通透，圓孔（2)和螺孔（4)的孔中心與圓柱形彈性傳感體（1)的本體中 心線重合。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型光纖光柵振動加速度傳感器，其特征在于：所述圓孔（2) 直徑2mm、深20mm，傳感光纖光柵（3)沿圓孔（2)中心線安放并置于圓孔（2)內(nèi)的底部，其 頂端中心位于圓孔（2)中心處，利用環(huán)氧樹脂膠將傳感光纖光柵（3)定位并固定。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型光纖光柵振動加速度傳感器，其特征在于：所述螺孔（4) 的直徑為5mm，深8mm〇5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型光纖光柵振動加速度傳感器，其特征在于：所述傳感光 纖光柵（3)為光纖布拉格光柵。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型光纖光柵振動加速度傳感器，主要由彈性傳感體、光纖光柵組成，彈性傳感體上半部分設(shè)有圓孔，在圓孔內(nèi)安裝傳感光纖光柵并定位固定，在彈性傳感體下半部分設(shè)有螺孔，螺孔內(nèi)旋入螺柱，螺柱另一端旋入被測物體并組成剛體連接；傳感光纖光柵與傳感器的相關(guān)部件連接組成檢測設(shè)備；本發(fā)明利用光纖布拉格光柵作為傳感器件，當振動產(chǎn)生的應(yīng)變波通過彈性傳感體作用到嵌入其中的光纖布拉格光柵上時，通過本傳感器可實現(xiàn)高精度振動加速度的傳感。
【IPC分類】G01H9/00
【公開號】CN105628172
【申請?zhí)枴緾N201510761107
【發(fā)明人】姚國珍, 李永倩, 楊志, 尚秋峰
【申請人】華北電力大學(xué)（保定）
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2015年11月10日