[發明專利]雙半孔梁差動式光纖布拉格光柵加速度傳感器

無效

• 申請號: 201310014322.7
• 申請日: 2013-01-15
• 公開（公告）號: CN103076465A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 喬學光;榮強周;杜彥英;馮定一;忽滿利;馮忠耀
• 申請（專利權）人: 西北大學
• 主分類號: G01P15/03
• 分類號: G01P15/03
• 代理公司: 西安永生專利代理有限責任公司 61201
• 代理人: 申忠才

技術領域

本發明屬于光纖傳感器技術領域，具體涉及到用于涉及到用于測量加速度的傳感器。

背景技術

光纖光柵加速度傳感器的基本傳感原理是利用彈性元件的受力把加速度量轉換為光纖布拉格光柵的應變量，從而轉化為布拉格波長的變化，通過檢測波長的變化實現對加速度幅值的測量。作為一種新型的光無源器件，光纖光柵加速度傳感器具有許多電磁類加速度傳感器無法比擬的優點,如靈敏度高、動態范圍寬、不受電磁干擾、抗腐蝕、傳輸損耗小、可靠性高、體積小、重量輕等特點，而且具有傳感信號不受光源起伏、光路損耗等因素的影響，抗干擾能力強、傳感探頭結構簡單、易于使用波分復用技術而形成分布式測量等特點。因此光纖光柵加速度傳感器也成為了一個新的研究和發展的方向，并且已經成功應用于地震勘探、民用建筑以及航空測試等方面。

固有頻率和靈敏度是加速度傳感器的兩個重要指標。靈敏度決定了加速度傳感器分辨能力的大小，而固有頻率則決定其適用的頻率范圍，這兩個指標就決定了加速度傳感器的使用領域，在設計加速度傳感器時必須要加以充分考慮。但固有頻率和靈敏度成反比，因此優化固有頻率和靈敏度的關系一直是國內外研究者們關注的核心問題。A.Mita等、M.D.Todd等和J.H.Zhang等分別提出基于單梁、雙梁和多梁結構的FBG加速度傳感器，FBG封裝工藝采用全粘式封裝方案，基于單梁和多梁結構的加速度計的靈敏度分別為498με/g和410.7pm/g，但頻帶較窄，雙梁的加速度傳感器，頻帶有所提高，但封裝工藝都容易導致光柵啁啾，引起非線性失真。劉欽朋等提出了兩點封裝的光纖布拉格加速度傳感器設計，可以有效的避免光柵啁啾，但是加速度的靈敏度較低,靈敏度為3.88pm/(m/s²）。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服上述光纖光柵加速度傳感器的缺點，提供一種設計合理、結構簡單、固有頻率和靈敏度優化的雙半孔梁差動式光纖布拉格光柵加速度傳感器。

解決上述技術問題所采用的技術方案是：在振動梁上表面左側制作有上半圓形孔，振動梁上表面設置有光柵部分位于上半圓形孔直徑平面上的上光纖布拉格光柵，在振動梁下表面左側制作有下半圓形孔，上半圓形孔的圓弧面位于振動梁上表面向下彎曲的圓弧面，下半圓形孔的圓弧面位于振動梁下表面向上彎曲的圓弧面，上半圓形孔的半圓形弧面的中心平面與下半圓形孔的半圓形弧面的中心平面位于同一個與上表面垂直的平面內，上半圓形弧面的底部與下半圓形弧面的頂部的距離為2～10mm，振動梁下表面設置有光柵部分位于下半圓形孔直徑平面上的下光纖布拉格光柵，上光纖布拉格光柵與下光纖布拉格光柵首尾串聯或并聯。

本發明的上半圓形孔和下半圓形孔的孔徑為13～30mm。

本發明的上半圓形孔的孔徑與下半圓形孔的孔徑相同。

本發明的上半圓形弧面的底部與下半圓形弧面的頂部的距離為2～10mm。

本發明的上光纖布拉格光柵的波長為1520nm～1545nm、或1555nm～1620nm，下光纖布拉格光柵的波長為1520nm～1545nm、或1560nm～1620nm。

傳感器的振動梁采用DC-160有機硅彈性體在模具內灌注而成，這種材料制作的振動梁，彈性模量小，在0～200℃內保持良好的彈性；在振動梁上表面制作有上半圓形孔，下表面制作有上半圓形孔，上半圓形弧面的底部與下半圓形弧面的頂部的距離為2～10mm，靈敏度系數與同等尺寸的光纖布拉格加速度傳感器相比，具有體積小、頻響范圍寬、靈敏度高等優點，其靈敏度是光纖布拉格加速度傳感器靈敏度的33倍。將本發明安裝在橋梁和固定建筑物上，結合光纖傳感網絡，可用于測量橋梁和固定建筑物的振動加速度。

附圖說明

圖1是本發明實施例1的結構示意圖。

圖2是圖1的俯視圖。

圖3是圖1的仰視圖。

圖4是本發明實施例1的頻譜圖。

圖5是本發明實施例1的線性響應圖。

圖6是本發明實施例1在輸入的正弦波加速度為1m/s²頻率為20Hz時的輸出響應圖。

圖7是本發明實施例1在輸入的正弦波加速度為2m/s²頻率為30Hz時的輸出響應圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步詳細說明，但本發明不限于這些實施例。