CN103868582B

CN103868582B - 基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器

Info

Publication number: CN103868582B
Application number: CN201410093841.1A
Authority: CN
Inventors: 万舟; 刘豪华; 李懿洋; 油锡存; 陈主恩
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: CN103868582A

Abstract

本发明涉及一种基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器，属于光测量器件技术领域。该传感器的结构包括弦马Ⅰ、振弦、导轨、弦马Ⅱ和固定支架，振弦悬空固定在固定支架上，固定支架安装振弦的下方有环形部分和右侧底板，环形部分为圆形的弹性膜片，弹性膜片的下表面粘贴有Bragg光栅，右侧底板上安装有与振弦平行的导轨，弦马Ⅰ固定安装在弹性膜片的圆心处，导轨上安装有可沿导轨移动的弦马Ⅱ，振弦与弦马Ⅰ和弦马Ⅱ接触。通过左侧弦马Ⅰ与光纤Bragg光栅之间有聚酯薄膜做成的弹性膜片，该弹性膜片可以降低次声波对光纤Bragg光栅的直接作用的影响，有效地提高了传感器的灵敏度。

Description

基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器

技术领域

本发明涉及一种基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器，属于光测量器件技术领域。

背景技术

近年以来，随着学者们的深入研究以及科学技术的不断发展，人们对于次声波有了逐渐深入的认识和理解，并随着计算机技术、电子技术和网络技术的日益成熟，次声波的应用越来越广泛，目前主要应用在定位救援、次声武器、自然灾害预测预警和次声医疗等领域。随着次声波的广泛应用，用于检测次声波的次声波传感器就显得越来越重要。

目前使用最为广泛的次声波传感器多为电容、电感式次声波传感器，但是现有次声波传感器还存在一些诸如灵敏度低、频率范围小、体积大、不便于安装和对环境要求高等缺点，因此需要一种新型的次声波传感器能够改善现存的不足。

发明内容

本发明提供了一种基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器及其使用方法，以用于克服现有次声波传感器存在的灵敏度低、频率范围小、体积大、不便于安装和对环境要求高等不足。

本发明的基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器的结构包括：弦马Ⅰ1、振弦2、导轨3、弦马Ⅱ4和固定支架，振弦2悬空固定在固定支架上，固定支架安装振弦2的下方有环形部分13和右侧底板9，环形部分13为圆形的弹性膜片8，弹性膜片8的下表面粘贴有Bragg光栅7，右侧底板9上安装有与振弦2平行的导轨3，弦马Ⅰ1固定安装在弹性膜片8的圆心处，导轨3上安装有可沿其移动的弦马Ⅱ4，振弦2与弦马Ⅰ1和弦马Ⅱ4接触。

所述固定支架的振弦2通过夹弦装置固定连接，（如图1所示，固定支架的两端有钢板Ⅰ6和钢板Ⅱ12，振弦2的两端是分别通过钢板Ⅰ6的夹弦装置Ⅰ5、钢板Ⅱ12的夹弦装置Ⅱ11固定连接的），夹弦装置为锥形栓夹弦装置，由锥形栓17、防松螺母18、调整螺母19、支架20、有锥形空的圆栓套21组成，两个用于夹持振弦2的半圆形的锥形栓17轴心置于有锥形空的圆栓套21中，圆栓套21置于支架20圆孔中，防松螺母18和调整螺母19固定于圆栓套21的两端。

所述导轨3上有刻度。

所述导轨3包括涡轮轴14和蜗杆16，涡轮轴14一端的涡轮与蜗杆16咬合，涡轮轴14的轴体外部有螺纹，螺母15套在涡轮轴14的轴体上，弦马Ⅱ4固定于螺母15上。

所述蜗杆16的一端伸出导轨3的边缘，并安装蜗杆旋钮10，便于转动蜗杆16。

所述弦马Ⅰ1与弦马Ⅱ4之间的弦长为振弦2的有效弦长。

所述光纤Bragg光栅7中心波长的变化与光栅栅距的变化关系为：，其中为光纤芯区有效折射率；为Bragg光栅周期。光纤Bragg光栅粘贴于弹性膜片圆心到1/2半径处。

所述弹性膜片8的半径R与厚度h之间的关系为：；其中E为弹性膜片8的弹性模量，F为作用于弹性膜片8的外力、v为弹性膜片8的泊松比。

所述振弦2为钢弦。

本发明的使用方法是：振弦2接收次声波并产生振动，通过弦马Ⅰ传递给弹性膜片8，弹性膜片8的振动可引起贴在弹性膜片8上的光纤Bragg光栅7响应，光纤Bragg光栅7接收振动产生形变导致光栅栅距变化，从而使光纤Bragg光栅中心波长移位，通过检测光纤Bragg光栅中心波长的变化就可以检测次声波频率的变化。

所述弦马Ⅰ1与弦马Ⅱ4之间的弦长为振弦2的有效弦长，弦马Ⅱ4可在一定范围内移动，使振弦2的有效长度可调，从而使设计的传感器量程可调（转动蜗杆旋钮10可使弦马Ⅱ4在导轨3上移动从而改变振弦2的有效弦长，使该传感器量程可调；若没有蜗杆旋钮10，则直接通过弦马Ⅱ4在导轨3上移动从而改变振弦2的有效弦长，使该传感器量程可调）。

本发明的数学模型分析如下：

本发明的振弦2的质量对传感器的精度、灵敏度和稳定性起着至关重要的作用，对振弦2的设计如下：对于两端固定的振弦2，其振动方程为：

（1）

由于振弦2的两端固定，在边界处振弦2的位移为零，已知振弦2的长度为，振弦2的边界条件可以写为：

（2）

当振弦2自某一初始状态y=y ₀(x)作自由振动时，一般同时有许多振动频率，这些频率可由振动公式和边界条件得到：

（3）

这一系列固有频率f _n对应的振动位移为：

（4）

式（4）中，B _n，φ _n是与第n次振动相对应的待定系数，可以根据初始条件求得。基频振动是振弦2最稳定的振动形式，即n=1时，频率为：

（5）

以上各式中，T为振弦2张紧力；为振弦2的线密度，= s，为振弦2的密度，s为振弦2的横截面积；t为时间；l为振弦2的长度；E ₁为振弦2的弹性模量；为振弦2的内应力。

由式（5）易知，通过加大振弦2的长度、增大振弦2的半径可以降低振弦2的频率，从而提高传感器对低频的敏感度。根据式（5）亦可知弹性模量高的材料有助于提高传感器的灵敏度，因此经计算和实验选择杨氏弹性模量为E=200Gpa，密度ρ=7.93g/cm ³的OCr₁₈Ni₉不锈钢弦作为传感器的振弦2。然后设置振弦2的张紧力为0.1N，根据式（5）对弦径为0.60mm、0.80mm、1.00mm、1.20mm，长度为分别为200mm、400mm、600mm、800mm、1000mm的振弦2的基频频率进行计算，通过比较计算结果得出弦径为1.20mm，弦长为1000mm的振弦2具有较好的低频特性、较小的绝对误差和相对误差，提高了传感器整体的灵敏度和稳定性。

本发明对弹性膜片8（如：圆平膜片）的设计如下：

对于弹性膜片8，根据大挠度理论和小挠度理论得出平膜片的位移方程：

（6）

弹性膜片8位移的最大相对非线性误差为：

（7）

式（7）中，w _m为弹性膜片8上的最大挠度；△w _max为挠度线性偏移的最大偏移量。该式说明w _m/h的比值决定了最大相对非线性误差的大小。因为w _m/h≤0.5同时要求膜片的最大相对非线性误差不大于0.1%，通过计算取w _m/h=0.06，此时△w _max/w _m=0.084%，符合要求。

弹性膜片8固有频率计算公式为：

（8）

式（8）中，m、k和分别表示弹性膜片8的质量、刚度和无阻尼固有频率。

刚度是弹性膜片8产生单位位移所需要的力的大小。

（9）

式（9）中，w、F分别表示弹性膜片8产生的形变和作用于弹性膜片8的外力。

弹性膜片8最大挠度公式为：

（10）

以上各式中，p为均布载荷在半径为r ₀的范围内施加的力，v为弹性膜片8的泊松比、w _m为弹性膜片8的最大挠度、F为作用于弹性膜片8的外力、h为弹性膜片8的厚度、E为弹性膜片8的弹性模量、R为弹性膜片8的半径。

联立式（9）和式（10），得出弹性膜片8的刚度为：

（11）

由式（8）（11）知，弹性膜片8的半径越大，刚度越小，固有频率越低，传感器的灵敏度也会越高，但若半径过大，存在材料不易获取、加工困难等局限，故弹性膜片8半径的选择应考虑全面。

由式（10）及已求出的易知：

（12）

则可计算出弹性膜片8半径R与厚度h之间的关系为：

（13）

对于周边固支架，半径为R，厚度为h，在半径为r ₀的同心圆内承受均布载荷的弹性膜片8，中心的应力(r ₀<0.588R)为：

（14）

取F _m=6×10^-4 N，已知弹性薄膜（如：聚酯薄膜）的弹性模量E=4×10⁵ kg/cm ²，泊松比v=0.3，屈服极限σ_b=200MPa=2000kg/cm ²，取安全系数为n=6，则许用应力为[σ]=σ_b/n=330kg/cm ²，对于弹性膜片8，必须满足σ_max≤[σ]，得

（15）

联合式子（13）（15），同时考虑及表述弹性膜片8刚度的式子（11），经计算、分析得出取R=120mm，h=0.3mm，r ₀=30mm最为合适。即弹性膜片8的最终设计半径为R=120mm，厚度为h=0.3mm，弦马Ⅰ1的底面半径为r ₀=30mm。

本发明中，关于光纤Bragg光栅7的粘贴位置设计如下：

通过有限元分析软件ANSYS对弹性膜片8静力和动力特性进行分析，弹性膜片8在直径路径方向上的径向应变如图6，由图6分析可知，该弹性膜片8的应变在中心最大，且约在半径的1/2处径向应变出现了一个拐点，这样就确定了光纤Bragg光栅的粘贴位置是在弹性膜片的中心处到1/2半径处，如图7所示。

本发明的有益效果是：

1、通过采用光纤Bragg光栅，利用其低频性能好的特点，拓宽了光纤Bragg光栅次声波传感器的低频范围，提高了其在低频段的抗干扰能力。

2、通过采用振弦作为接收元件使该传感器的体积较小，更重要的是可对次声波进行全方位接收。

3、通过左侧弦马Ⅰ与光纤Bragg光栅之间有聚酯薄膜做成的弹性膜片，该弹性膜片可以降低次声波对光纤Bragg光栅的直接作用的影响，有效地提高了传感器的灵敏度。

4、通过采用在支架右侧底板安装导轨的结构，使右侧弦马Ⅱ可在导轨上滑动，从而使振弦的有效长度变得可调，使该传感器的量程可调。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的结构俯视图；

图3是本发明的蜗轮蜗杆及蜗轮轴和螺母结构示意图；

图4是本发明的中夹弦装置正视示意图；

图5是本发明的中夹弦装置剖视示意图；

图6是本发明的弹性膜片在直径路径方向上的径向应变示意图；

图7是本发明的弹性膜片上光纤Bragg光栅的粘贴位置示意图。

图中各标号：1为弦马Ⅰ、2为振弦、3为导轨、4为弦马Ⅱ、5为夹弦装置Ⅰ、6为钢板Ⅰ、7为光纤Bragg光栅、8为弹性膜片、9为右侧底板、10为蜗杆旋钮、11为夹弦装置Ⅱ、12为钢板Ⅱ、13为环形部分、14为蜗轮轴、15为螺母、16为蜗杆、17为锥形栓、18为防松螺母、19为调整螺母、20为支架、21为圆栓套。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施方式一：如图1至7所示，本实施方式的基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器的结构包括：弦马Ⅰ1、振弦2、导轨3、弦马Ⅱ4和固定支架，振弦2悬空固定在固定支架上，固定支架安装振弦2的下方有环形部分13和右侧底板9，环形部分13为圆形的弹性膜片8，弹性膜片8的下表面粘贴有Bragg光栅7，右侧底板9上安装有与振弦2平行的导轨3，弦马Ⅰ1固定安装在弹性膜片8的圆心处，导轨3上安装有可沿导轨移动的弦马Ⅱ4，振弦2与弦马Ⅰ1和弦马Ⅱ4接触。固定支架的振弦2通过夹弦装置固定连接，（如图1所示，固定支架的两端有钢板Ⅰ6和钢板Ⅱ12，振弦2的两端是分别通过钢板Ⅰ6的夹弦装置Ⅰ5、钢板Ⅱ12的夹弦装置Ⅱ11固定连接的），夹弦装置为锥形栓夹弦装置，由锥形栓17、防松螺母18、调整螺母19、支架20、有锥形空的圆栓套21组成，两个用于夹持振弦2的半圆形的锥形栓17轴心置于有锥形空的圆栓套21中，圆栓套21置于支架20圆孔中，防松螺母18和调整螺母19固定于圆栓套21的两端。导轨3上有刻度。导轨3包括涡轮轴14和蜗杆16，涡轮轴14一端的涡轮与蜗杆16咬合，涡轮轴14的轴体外部有螺纹，螺母15套在涡轮轴14的轴体上，弦马Ⅱ4固定于螺母15上。蜗杆16的一端伸出导轨3的边缘，并安装蜗杆旋钮10，便于转动蜗杆16。弦马Ⅰ1与弦马Ⅱ4之间的弦长为振弦2的有效弦长。光纤Bragg光栅7中心波长的变化与光栅栅距的变化关系为：，其中为光纤芯区有效折射率；为Bragg光栅周期。光纤Bragg光栅粘贴于弹性膜片圆心到1/2半径处。弹性膜片8的半径R与厚度h之间的关系为：；其中E为弹性膜片8的弹性模量，F为作用于弹性膜片8的外力、v为弹性膜片8的泊松比。振弦2为杨氏弹性模量为E=200Gpa，密度ρ=7.93g/cm ³的OCr₁₈Ni₉不锈钢弦，弦径为1.20mm，弦长为1000mm。弹性膜片8的半径为R=120mm，厚度为h=0.3mm。弦马Ⅰ1的底面半径为r ₀=30mm。

实施方式二：如图1至7所示，本实施方式的基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器的结构包括：弦马Ⅰ1、振弦2、导轨3、弦马Ⅱ4和固定支架，振弦2悬空固定在固定支架上，固定支架安装振弦2的下方有环形部分13和右侧底板9，环形部分13为圆形的弹性膜片8，弹性膜片8的下表面粘贴有Bragg光栅7，右侧底板9上安装有与振弦2平行的导轨3，弦马Ⅰ1固定安装在弹性膜片8的圆心处，导轨3上安装有可沿导轨移动的弦马Ⅱ4，振弦2与弦马Ⅰ1和弦马Ⅱ4接触。固定支架的振弦2通过夹弦装置固定连接，（如图1所示，固定支架的两端有钢板Ⅰ6和钢板Ⅱ12，振弦2的两端是分别通过钢板Ⅰ6的夹弦装置Ⅰ5、钢板Ⅱ12的夹弦装置Ⅱ11固定连接的），夹弦装置为锥形栓夹弦装置，由锥形栓17、防松螺母18、调整螺母19、支架20、有锥形空的圆栓套21组成，两个用于夹持振弦2的半圆形的锥形栓17轴心置于有锥形空的圆栓套21中，圆栓套21置于支架20圆孔中，防松螺母18和调整螺母19固定于圆栓套21的两端。导轨3上有刻度。导轨3包括涡轮轴14和蜗杆16，涡轮轴14一端的涡轮与蜗杆16咬合，涡轮轴14的轴体外部有螺纹，螺母15套在涡轮轴14的轴体上，弦马Ⅱ4固定于螺母15上。蜗杆16的一端伸出导轨3的边缘，并安装蜗杆旋钮10，便于转动蜗杆16。弦马Ⅰ1与弦马Ⅱ4之间的弦长为振弦2的有效弦长。光纤Bragg光栅7中心波长的变化与光栅栅距的变化关系为：，其中为光纤芯区有效折射率；为Bragg光栅周期。光纤Bragg光栅粘贴于弹性膜片圆心到1/2半径处。弹性膜片8的半径R与厚度h之间的关系为：；其中E为弹性膜片8的弹性模量，F为作用于弹性膜片8的外力、v为弹性膜片8的泊松比。

实施方式三：如图1至7所示，本实施方式的基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器的结构包括：弦马Ⅰ1、振弦2、导轨3、弦马Ⅱ4和固定支架，振弦2悬空固定在固定支架上，固定支架安装振弦2的下方有环形部分13和右侧底板9，环形部分13为圆形的弹性膜片8，弹性膜片8的下表面粘贴有Bragg光栅7，右侧底板9上安装有与振弦2平行的导轨3，弦马Ⅰ1固定安装在弹性膜片8的圆心处，导轨3上安装有可沿导轨移动的弦马Ⅱ4，振弦2与弦马Ⅰ1和弦马Ⅱ4接触。固定支架的振弦2通过夹弦装置固定连接，（如图1所示，固定支架的两端有钢板Ⅰ6和钢板Ⅱ12，振弦2的两端是分别通过钢板Ⅰ6的夹弦装置Ⅰ5、钢板Ⅱ12的夹弦装置Ⅱ11固定连接的），夹弦装置为锥形栓夹弦装置，由锥形栓17、防松螺母18、调整螺母19、支架20、有锥形空的圆栓套21组成，两个用于夹持振弦2的半圆形的锥形栓17轴心置于有锥形空的圆栓套21中，圆栓套21置于支架20圆孔中，防松螺母18和调整螺母19固定于圆栓套21的两端。导轨3上有刻度。导轨3包括涡轮轴14和蜗杆16，涡轮轴14一端的涡轮与蜗杆16咬合，涡轮轴14的轴体外部有螺纹，螺母15套在涡轮轴14的轴体上，弦马Ⅱ4固定于螺母15上。蜗杆16的一端伸出导轨3的边缘，并安装蜗杆旋钮10，便于转动蜗杆16。弦马Ⅰ1与弦马Ⅱ4之间的弦长为振弦2的有效弦长。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims

1.一种基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器，其特征在于：包括弦马Ⅰ（1）、振弦（2）、导轨（3）、弦马Ⅱ（4）和固定支架，振弦（2）悬空固定在固定支架上，固定支架安装振弦（2）的下方有环形部分（13）和右侧底板（9），环形部分（13）为圆形的弹性膜片（8），弹性膜片（8）的下表面粘贴有Bragg光栅（7），右侧底板（9）上安装有与振弦（2）平行的导轨（3），弦马Ⅰ（1）固定安装在弹性膜片（8）的圆心处，导轨（3）上安装有可沿其移动的弦马Ⅱ（4），振弦（2）与弦马Ⅰ（1）和弦马Ⅱ（4）接触。

2.根据权利要求1所述的基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器，其特征在于：所述振弦（2）通过夹弦装置固定连接固定支架，夹弦装置为锥形栓夹弦装置，由锥形栓（17）、防松螺母（18）、调整螺母（19）、支架（20）、有锥形空的圆栓套（21）组成，两个用于夹持振弦（2）的半圆形的锥形栓（17）轴心置于有锥形空的圆栓套（21）中，圆栓套（21）置于支架（20）圆孔中，防松螺母（18）和调整螺母（19）固定于圆栓套（21）的两端。

3.根据权利要求1所述的基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器，其特征在于：所述导轨（3）上有刻度。

4.根据权利要求1或3所述的基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器，其特征在于：所述导轨（3）包括涡轮轴（14）和蜗杆（16），涡轮轴（14）一端的涡轮与蜗杆（16）咬合，涡轮轴（14）的轴体外部有螺纹，螺母（15）套在涡轮轴（14）的轴体上，弦马Ⅱ（4）固定于螺母（15）上。

5.根据权利要求4所述的基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器，其特征在于：所述蜗杆（16）的一端伸出导轨（3）的边缘，并安装蜗杆旋钮（10）。

6.根据权利要求1所述的基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器，其特征在于：所述光纤Bragg光栅粘贴于弹性膜片圆心到1/2半径处。

7.根据权利要求1所述的基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器，其特征在于：所述弹性膜片（8）的半径R与厚度h之间的关系为：；其中E为弹性膜片（8）的弹性模量，F为作用于弹性膜片（8）的外力、v为弹性膜片（8）的泊松比。

8.根据权利要求1所述的基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器，其特征在于：所述振弦（2）为钢弦。