[發(fā)明專利]一種基于柔性鉸鏈的光纖光柵高頻加速度傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410232241.9
• 申請(qǐng)日: 2014-05-28
• 公開（公告）號(hào): CN103983806A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 戴玉堂;李治勇;徐剛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01P15/03
• 分類號(hào): G01P15/03
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 楊曉燕;胡建平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于加速度傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于柔性鉸鏈的光纖光柵高頻加速度傳感器，尤其適用于各類機(jī)械設(shè)備的中高頻振動(dòng)測試與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

背景技術(shù)

加速度傳感器是一種基于慣性效應(yīng)而感應(yīng)加速度信號(hào)的傳感器，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)參量的遠(yuǎn)程監(jiān)測中光纖加速度傳感器得到廣泛關(guān)注。光纖加速度傳感器在諸多方面具有優(yōu)越性能，如電絕緣、抗電磁干擾能力，良好的分布式測量能力。這些性能使得光纖加速度傳感器在很多環(huán)境惡劣，需要遠(yuǎn)程操作的特殊領(lǐng)域得到應(yīng)用，如石油、天然氣采掘，石化機(jī)電設(shè)備，航空航天等領(lǐng)域獨(dú)具優(yōu)勢。

專利號(hào)為ZL200510019733.0的中國專利“可諧調(diào)匹配濾波解調(diào)的光纖光柵振動(dòng)加速度”，采用的是懸臂梁結(jié)構(gòu)，在其直接粘貼光纖光柵，只能測量低頻范圍內(nèi)的振動(dòng)，不能滿足高頻測試的要求。專利號(hào)為US7137299B2的美國專利“FIBER?OPTIC?ACCELEROMETER”采用四根彈簧作為彈性元件，從而拓展其頻率測量范圍，但該結(jié)構(gòu)中四彈簧不易調(diào)整均衡，容易造成光纖光柵的折斷。專利號(hào)為US6891621B2的美國專利“HIGHLY?SENSITIVE?CROSS?AXIS?ACCELEROMETER”公布了一種適用于惡劣環(huán)境的高靈敏度的加速度傳感器，該加速度傳感器利用一個(gè)鉸鏈將一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量體與底座相連接，當(dāng)給該傳感器施加水平方向驅(qū)動(dòng)時(shí)，傳感器震動(dòng)質(zhì)量體會(huì)繞鉸鏈擺動(dòng)，光纖在底座和加速度傳感器的外殼之間以交替地拉緊和壓縮的方式連接，該結(jié)構(gòu)雖然可以獲得較高的靈敏度，但其諧振頻率較低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)上述現(xiàn)有光纖光柵加速度傳感器在工程應(yīng)用中存在的不足，提供一種基于柔性鉸鏈的光纖光柵高頻加速度傳感器，將柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性地應(yīng)用于傳感器中，所制備的光纖光柵加速度傳感器具有較高的頻率響應(yīng)范圍和較高的靈敏度，適用于大型機(jī)電設(shè)備、航天航空安全監(jiān)測等領(lǐng)域。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于柔性鉸鏈的光纖光柵高頻加速度傳感器，由復(fù)合基體、光纖和傳感器外殼構(gòu)成，所述復(fù)合基體固定安裝在傳感器外殼的內(nèi)部，復(fù)合基體由一個(gè)共同的底座、兩個(gè)柔性鉸鏈和兩個(gè)慣性質(zhì)量塊組成，兩個(gè)慣性質(zhì)量塊分別通過對(duì)應(yīng)的柔性鉸鏈與底座連接、且該連接處的兩側(cè)分別開設(shè)有水平切口，兩個(gè)慣性質(zhì)量塊之間的垂向開設(shè)有一豎直切口；所述兩個(gè)慣性質(zhì)量塊的上方設(shè)置有對(duì)稱的光纖溝槽，所述光纖穿過傳感器外殼的兩側(cè)(兩側(cè)設(shè)有穿孔)并置于慣性質(zhì)量塊的光纖溝槽內(nèi)，兩個(gè)光纖溝槽之間的光纖處設(shè)置有布拉格光柵，布拉格光柵設(shè)于兩慣性質(zhì)量塊之間居中位置的凹槽處，位于光纖溝槽內(nèi)的光纖通過膠黏劑粘連固定于慣性質(zhì)量塊上。

按上述方案，所述底座、柔性鉸鏈、慣性質(zhì)量塊由同一塊彈簧鋼塊體加工而成。

按上述方案，所述復(fù)合基體中的兩個(gè)柔性鉸鏈、兩個(gè)慣性質(zhì)量塊均對(duì)稱設(shè)置，兩個(gè)慣性質(zhì)量塊在振源激勵(lì)作用下圍繞各自的柔性鉸鏈微幅振動(dòng)，拉動(dòng)布拉格光柵兩端反向運(yùn)動(dòng)。

按上述方案，所述豎直切口與水平切口垂直、用于預(yù)拉光纖兩端，光纖兩端部的尾纖部分采用光纖保護(hù)套管緊固。

按上述方案，所述傳感器外殼的底部設(shè)有沉頭孔，相應(yīng)復(fù)合基體的底座的底部加工有螺紋孔，復(fù)合基體與傳感器外殼之間通過穿設(shè)于沉頭孔、螺紋孔的沉頭螺釘固接，同時(shí)沉頭螺釘上還涂設(shè)有硅膠。

按上述方案，所述兩個(gè)慣性質(zhì)量塊各開設(shè)有一開通孔，所述開通孔用于調(diào)節(jié)各自慣性質(zhì)量塊的質(zhì)心位置。

本發(fā)明基于柔性鉸鏈的光纖光柵加速度傳感器的工作原理是：把傳感器固定在待測物體上，在外界激振源的作用下，傳感器隨物體一起振動(dòng)，從而導(dǎo)致左右兩個(gè)慣性質(zhì)量塊圍繞柔性鉸鏈產(chǎn)生微幅振動(dòng)，慣性質(zhì)量塊將產(chǎn)生慣性力，從而使得受到預(yù)拉伸應(yīng)力的布拉格光柵發(fā)生軸向的微小伸長或收縮的形變即軸向應(yīng)變，這種軸向應(yīng)變將導(dǎo)致布拉格光柵的反射波長產(chǎn)生相應(yīng)的漂移。建立布拉格光柵的實(shí)際應(yīng)變量與柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)應(yīng)變的線性幾何關(guān)系，將外界信號(hào)的加速度量最終轉(zhuǎn)化為光纖光柵中心波長的漂移量(布拉格光柵作為敏感元件將機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣獠ㄩL信號(hào))，通過對(duì)光纖兩端部的尾纖(出線端)的反射波長漂移量的測量便可獲得外界機(jī)械振動(dòng)加速度的大小。利用動(dòng)態(tài)波長解調(diào)儀及其處理器，在計(jì)算機(jī)上顯示光纖光柵加速度傳感器的輸出波形，由相應(yīng)的正弦輸出波形，計(jì)算出待測物體的振動(dòng)頻率以及光纖光柵的峰峰值波長漂移量，最終通過波長漂移量與加速度的線性關(guān)系來確定待測物體的振動(dòng)加速度大小，同時(shí)可分析其振動(dòng)頻譜特性。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：