[發明專利]三維加速度測量的光纖光柵傳感器

無效

• 申請號: 201110358702.3
• 申請日: 2011-11-14
• 公開（公告）號: CN102495235A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 張東生;郭永興;孟匯
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G01P15/18
• 分類號: G01P15/18;G01P15/03
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 張安國;伍見

技術領域

本發明涉及一種光纖光柵加速度傳感器，尤其涉及一種三維加速度測量的光纖光柵傳感器。屬于傳感技術領域。

技術背景

光纖光柵傳感具有尺寸小，重量輕，抗電磁干擾，復用性好等其它類型傳感器不具備的優點，近年來發展迅速，各種光纖光柵傳感產品得到開發并廣泛應用。光纖光柵振動/加速度傳感器在航空航天、大型機電設備，橋梁建筑等各個工程領域廣泛應用并發揮重要作用。如孫汝嬌等人提出的一種應用于橋梁健康監測的“L”型的振動傳感器，利用“L”型杠桿結構將質量塊振動轉換為對光柵的拉伸，傳感器具有很高的靈敏度，但對光柵的直接拉伸會導致光柵易被拉斷，傳感器壽命得不到保障。專利號為200720300082的中國專利“一種新型的光纖光柵高頻加速度傳感器”，以鋼絲或鋼管和質量塊組成彈性系統，沿鋼絲軸向振動，克服了懸臂梁型振動傳感器頻率響應速度低的缺點，且實現了溫度自補償。專利號200710177787.9的中國專利“一種光纖振動傳感器”，采用傳統的懸臂梁結構，外加阻尼系統，在高速動態信號下，傳感器能真實反映待測信號，但阻尼系統易受溫度影響，使傳感器參數不穩定。專利號201010544589.3的中國專利“一種基于金屬波紋管結構的光纖光柵加速度傳感器”，將金屬波紋管和一質量塊封裝在金屬圓筒中，獲得了很強的抗橫向干擾能力及靈敏度，但傳感器同樣是對光柵直接拉伸，光柵壽命得不到保證。上述各種結構傳感器均只能實現在單個方向上的測量，而很多實際工程中需測量三維方向上的振動及加速度量。目前市場上的多維振動傳感器主要以壓電、電容式為主，不具備光纖傳感無源無電、抗電磁干擾、分布式測量等優點，且大都采用組合式結構，這樣勢必造成傳感器體積過大、精度低，加工復雜。如S.R.K.Morikawa等人在其發表的“Triaxial?Bragg?Grating?Accelerometer”一文中提出，在圓柱質量塊三個方向上打孔，將三對光纖光柵穿過圓孔并用膠黏劑固定，可在實現三維振動測量，這種結構傳感器工作時同樣直接對光纖光柵進行拉壓，靈敏度高但光柵易斷。專利號200710151178.6的中國專利“光纖光柵三維加速度/振動傳感器”采用三個懸臂梁組合實現三維測量，這種簡單的拼裝結構穩定性差、適用范圍小、裝配較為麻煩。專利號ZL200720021749.X的實用新型“三分量光纖光柵振動傳感器”，將三個光纖光柵分別粘貼于三個橡膠塊上，通過質量塊對橡膠的作用力來改變光柵波長，該結構橡膠材料受溫度影響較大，不具備溫度自補償功能，且被測物體的各個方向上的振動不能很好的傳遞給傳感器，傳感器輸出信號容易失真。

發明內容

本發明提出了一種利用簡單的“鋼管-質量塊”組成的“彈性結構體”和5個粘貼在鋼管表面上的光纖光柵來實現三維加速度測量的光纖光柵加速度傳感器。

本發明的技術方案如下：一種三維加速度測量的光纖光柵傳感器，主要由鋼管、質量塊、五個光纖光柵、外殼基座及光纜輸出保護接頭組成；其鋼管兩端張拉固定在所述的外殼基座上，所述的質量塊固定于所述的鋼管中間位置，其中四個光纖光柵粘貼在所述的質量塊一側的鋼管表面應變的最大處，分布在沿所述的鋼管圓周呈90度方位角的位置上，粘貼方向沿鋼管的軸向；另一個光纖光柵粘貼在所述的質量塊另一側鋼管表面上，與前四個光柵中的某一個光柵相對稱，五個光纖光柵串接在一起后兩端光纖從光纜輸出保護接頭引出。

本發明的技術方案中，所述的五個光柵到質量塊的距離相等。

本發明的技術方案中，所述的鋼管兩端張拉固定，質量塊固定在鋼管中間部組成的彈性結構體。彈性結構體在受迫振動作用下，鋼管表面的應變隨之變化，鋼管表面圓周方位上不同位置的應變與彈性結構體的振動方向和大小有關，通過兩兩組合的光纖光柵對的波長差可以感測不同方向的振動加速度。為便于詳細說明傳感器三維加速度檢測的工作原理，首先建立三維直角坐標系：以鋼管軸線確定為Z軸，X軸、Y軸與Z軸垂直，Z軸方向與光纖光柵所在方向一致。當彈性結構體沿X軸或Y軸方向振動時，在鋼管的圓周表面處在X軸或Y軸上相應的兩個光纖光柵分別同時受到正負應變作用，二者的波長差值用來衡量這一方向的振動加速度，而處在Y軸或X軸上的兩個光纖光柵的波長差沒有變化；當彈性結構體沿Z軸方向振動時，在鋼管上與Z軸方向一致的兩個對稱的光纖光柵受到正負應變作用，二者的波長差值用來衡量這一方向的振動加速度，X軸和Y軸方向沒有應變變化。如果彈性結構體沿任意方向振動，可以將這種振動分解為X-Y-Z三個方向振動的矢量和，并分別加以檢測。溫度變化，引起光柵波長的變化方向一致，因此，以兩個光纖光柵的波長差作為檢測信號，可以消除溫度變化的影響。