[發明專利]一種中高頻橢圓鉸鏈雙光纖光柵加速度傳感器及測量方法

有效

• 申請號: 202010896491.8
• 申請日: 2020-08-31
• 公開（公告）號: CN111879969B
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發明（設計）人: 邱忠超;李亞南;洪利;孫睿;孟娟;韓智明
• 申請（專利權）人: 中國地震局地球物理研究所;防災科技學院
• 主分類號: G01P15/03
• 分類號: G01P15/03;G01P21/00;G01H9/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李圣梅

1.一種中高頻橢圓鉸鏈雙光纖光柵加速度傳感器，其特征是，包括：橢圓鉸鏈、固定支架及質量塊；

所述橢圓鉸鏈的一端與固定支架固連，所述橢圓鉸鏈的另一端連接至質量塊；

所述固定支架及質量塊上下表面分別在同一平面上，同一平面的固定支架及質量塊之間且位于橢圓鉸鏈正上方及正下方分別粘貼有光纖光柵；

光纖光柵的兩端在粘貼時施加相等的預應力，以防止出現啁啾效應；

為了得到最優的靈敏度和諧振頻率，采用MATLAB軟件的優化工具箱對傳感器的橢圓鉸鏈長半軸b、短半軸c和厚度t進行優化；

設定傳感器的靈敏度和諧振頻率為目標參數，以橢圓鉸鏈的長半軸b、短半軸c和厚度t的取值為約束條件，結合MATLAB優化工具箱建立優化模型，考慮到傳感器的尺寸和加工的可能性，得到優化模型為：

其中F表示諧振頻率，b、c、t的取值以mm為單位。

2.如權利要求1所述的一種中高頻橢圓鉸鏈雙光纖光柵加速度傳感器，其特征是，所述光纖光柵中，在同一時刻，一根光纖光柵拉伸，另外一根光纖光柵收縮，將兩根光纖光柵的反射波長做差求得波長漂移量。

3.如權利要求1所述的一種中高頻橢圓鉸鏈雙光纖光柵加速度傳感器，其特征是，光纖光柵波長漂移量與光纖光柵產生的軸向應變成正比。

4.如權利要求1所述的一種中高頻橢圓鉸鏈雙光纖光柵加速度傳感器，其特征是，傳感器靈敏度為光纖光柵的中心波長變化量和加速度之比。

5.如權利要求1所述的一種中高頻橢圓鉸鏈雙光纖光柵加速度傳感器，其特征是，所述傳感器制作材料選用彈簧鋼，基于測量精度選擇其密度、彈性模量、傳感器厚度、光纖的彈性模量、有效彈光系數、光纖光柵的中心波長及光纖光柵長度。

6.如權利要求1所述的一種中高頻橢圓鉸鏈雙光纖光柵加速度傳感器，其特征是，基于優化的傳感器的結構參數對傳感器進行建模，對傳感器模型的固定支架施加固定約束，獲得傳感器模型在不同頻率的正弦載荷作用下的系統動態響應，得到有利于實現中高頻的測量的傳感器的諧振頻率。

7.基于權利要求1-6任一所述的一種中高頻橢圓鉸鏈雙光纖光柵加速度傳感器的測量方法，其特征是，包括：

振動時，質量塊在慣性力的作用下以橢圓鉸鏈的質點為中心轉動，同時帶動上下光纖光柵產生伸縮形變，進而引起光纖光柵的反射波長發生漂移；

其中，在同一時刻，一根光纖光柵拉伸，另外一根光纖光柵收縮，將兩根光纖光柵的反射波長做差求得波長漂移量；

通過解調中心波長的變化情況獲取中心波長變化量即波長漂移量和加速度之間的關系。

8.傳感器靈敏度標定實驗系統，其特征是，包括振動測試系統和信號解調系統；

所述振動測試系統包括振動臺、信號發生器、信號放大器；權利要求1-6任一所述的加速度傳感器的固定支架底座與振動臺之間通過螺栓緊密相連，所述信號發生器將產生的信號經過信號放大器放大后以使振動臺帶動加速度傳感器振動；

信號解調系統包括環形器、波長解調儀；加速度傳感器光纖光柵的反射光波通過傳輸光纖進入環形器，最終輸送至波長解調儀，解調出光波波長變化所攜帶的信息；

光纖光柵的兩端在粘貼時施加相等的預應力，以防止出現啁啾效應；

為了得到最優的靈敏度和諧振頻率，采用MATLAB軟件的優化工具箱對傳感器的橢圓鉸鏈長半軸b、短半軸c和厚度t進行優化；

設定傳感器的靈敏度和諧振頻率為目標參數，以橢圓鉸鏈的長半軸b、短半軸c和厚度t的取值為約束條件，結合MATLAB優化工具箱建立優化模型，考慮到傳感器的尺寸和加工的可能性，得到優化模型為：

其中F表示諧振頻率，b、c、t的取值以mm為單位。