[發(fā)明專利]具有自溫補功能的高可靠光纖光柵加速度傳感器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210589602.6
• 申請日: 2012-12-31
• 公開（公告）號: CN103063872A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 熊燕玲;鐘少龍;楊文龍;盛立文;沈濤;李喬藝;梁歡;李守鐸;王麗
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱理工大學(xué)
• 主分類號: G01P15/03
• 分類號: G01P15/03
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務(wù)所 23109
• 代理人: 牟永林

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光纖光柵加速度傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前，光纖布拉格光柵(Fiber?Bragg?Grating，F(xiàn)BG，簡稱光纖光柵)傳感技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，如橋梁、大壩、隧道、建筑等土木工程結(jié)構(gòu)的溫度和應(yīng)力變形監(jiān)測，滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，開關(guān)柜、變壓器、電纜、架空線等輸變電設(shè)備在線測溫，油罐、隧道等火災(zāi)自動報警，壓力容器、起重機械等特種設(shè)備結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測以及礦井結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測等等。

振動的研究和測試是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的一項基礎(chǔ)，在科學(xué)技術(shù)、國民經(jīng)濟和國防領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。振動傳感器所測量的振動信號可以通過振動加速度或振動幅度來表征，因此振動信號的檢測有基于振動加速度的振動檢測和基于振動幅度的振動檢測的兩種方案，而前者是主要的檢測方案。根據(jù)振動信號物理檢測方式的不同，又可以分為電檢測式加速度傳感器和光檢測式加速度傳感器。

電檢測加速度傳感器利用振動敏感機構(gòu)感知振動加速度，振動敏感機構(gòu)主要由敏感質(zhì)量塊、彈性元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成。電檢測加速度傳感器主要包括電磁感應(yīng)式、電容式和壓電式三種。在振動加速度的作用下，敏感質(zhì)量塊感知振動加速度而產(chǎn)生運動或應(yīng)力變化，帶動與之相連的轉(zhuǎn)換元件如電磁線圈、電容極板運動或產(chǎn)生壓電晶片的應(yīng)力變化，電磁線圈在永磁體的磁場中運動切割磁力線而產(chǎn)生感生電壓、電容極板的位置變化改變電容值的大小、壓電晶片的應(yīng)力變化產(chǎn)生的壓電信號，從而通過電信號的變化感知振動信號。電檢測加速度傳感器的敏感器的電輸出信號一般十分微弱，需要電信號檢測單元中放大電路提供增益，因此電信號檢測單元與振動敏感器通常必須封裝在同一封裝結(jié)構(gòu)中構(gòu)成加速度傳感器，也就是說電信號檢測單元與振動敏感器兩者是不能分離的。電檢測加速度傳感器同時還必須自帶電源或外部供電。電檢測加速度傳感器的特點是易受到電磁干擾、信號傳輸距離近、需要電源供電，因此限制電檢測加速度傳感器在一些場合如存在電磁干擾、現(xiàn)場供電困難、遠距離傳輸?shù)膽?yīng)用。

光檢測式加速度傳感器利用光信號檢測物體的振動，包括非接觸式和接觸式兩種主要形式。非接觸式加速度傳感器主要是利用光信號直接檢測物體某部位表面的振動幅度(即位移)來感知振動，屬于絕對振動測量，有光纖位移檢測、激光三角法、激光器外腔振蕩法等方法。非接觸式加速度傳感器還有一種方式是利用光信號檢測物體某部位表面的振動速度導(dǎo)致的反射或散射光信號的多普勒頻移來感知振動。接觸式加速度傳感器與振動物體固定連接，利用振動敏感機構(gòu)感知物體振動加速度，振動敏感機構(gòu)主要由敏感質(zhì)量塊、彈性元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成。由于光纖傳感器具有體積小、重量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾、適于易燃易爆環(huán)境，通常利用光纖來實現(xiàn)，稱為光纖加速度傳感器或光纖加速度計。光纖加速度傳感器根據(jù)敏感原理可以分為相位調(diào)制型、波長調(diào)制型和光強調(diào)制型。相位調(diào)制型光纖加速度傳感器主要利用多種方式將振動信號轉(zhuǎn)化為光相位的變化，然后利用光纖干涉儀，如法布里-珀羅(F-P)干涉儀、邁克爾遜干涉儀、馬赫-曾德爾(M-Z)干涉儀來檢測相位的變化。這種光纖加速度傳感器具有靈敏度高的優(yōu)點，但光纖干涉儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在穩(wěn)定性問題，實用化較為困難，成本也較高。

波長調(diào)制型光纖加速度傳感器主要基于光纖光柵(FBG)傳感技術(shù)，通過敏感機構(gòu)帶動FBG應(yīng)力變形，導(dǎo)致FBG反射波長的變化，利用波長解調(diào)得到加速度信號。光纖光柵加速度傳感器除具備光纖傳感器固有的優(yōu)點外，由于其輸出表征信號為光柵反射的光信號的中心波長，屬于數(shù)字量，所以具有優(yōu)異的傳輸特性(不受光源波動及長距離傳輸光纖引入衰減的影響)，而且通過不同波長復(fù)用可以方便地實現(xiàn)準分布式測量。可以廣泛應(yīng)用于核爆試驗、航空航天工程等國防尖端技術(shù)領(lǐng)域及水利水工結(jié)構(gòu)、橋梁和建筑結(jié)構(gòu)、機械設(shè)備等的加速度監(jiān)測與測量。

由于光纖光柵本身對溫度及應(yīng)變同時敏感，在使用光纖光柵做為加速度傳感器敏感元件時會受到溫度的影響而導(dǎo)致測量精度大大降低；此外，光纖光柵雖然具有良好的軸向抗拉伸疲勞能力，但一旦其受力方向偏離軸向，極易被剪切力折斷。針對這些實際工程應(yīng)用問題，本發(fā)明提出一種既能消除溫度影響又能避免光纖光柵斷裂的具有自溫補功能的高可靠光纖光柵加速度傳感器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對傳統(tǒng)光纖光柵傳感器靈敏度低，可靠性差的問題，提供一種具有自溫補功能的高可靠光纖光柵加速度傳感器。

具有自溫補功能的高可靠光纖光柵加速度傳感器，該傳感器包括菱形梁、振動粱、質(zhì)量塊、光纖光柵和傳輸光纖；

所述菱形梁包括菱形筒、一號方形梁、二號方形梁、三號方形梁和四號方形梁；