CN110133324A - 一种差动式光纤光栅加速度传感装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种差动式光纤光栅加速度传感装置，包括基座和外壳，二者构成密封的腔体，还包括有宽带光源、扫描F‑P滤波器、光电接收器、解调器和控制器；所述的基座上设置有立柱，立柱的顶端水平固定设置有弹性臂，弹性臂的自由端固定设置有质量块，还设置有光纤光栅、漫反射吸收器和光纤接口，所述漫反射吸收器固定设置在光纤光栅的一端，光纤光栅另一端与光纤接口固定连接。本发明通过长方形乙缩醛共聚物薄板作为弹性梁，弹性梁结构一定位置上设置包括三个不同光栅节距的光纤光栅组成差动式加速度测量光路，从而对待测量部件进行加速度的测量，且测量具有温度误差自补偿、灵敏度高、动态响应好、抗电磁干扰且对局部电磁环境非侵入的特性。

Description

一种差动式光纤光栅加速度传感装置
技术领域
本发明涉及运动状态检测技术领域，尤其涉及一种差动式光纤光栅加速度传感装置。
背景技术
目前，加速度传感器是一种能够测量与加速度相关的力、位移等参数的传感器。传统加速度传感器由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成，传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式、以及近些年基于微机电技术的MEMS加速度传感器等。
上述这些加速度传感器在使用中均存在容易受到测量环境周围空间电磁场的影响、信号线间的串扰和长信号地线电阻引起的干扰，导致所传输的振动信号发生畸变或失真。同时，加速度计的输出接头、电缆接头和电缆之间相互连接不当也会产生寄生谐波，叠加在振动信号中，从而影响检定准确度。此外，在一些需要同时精确检测电磁场参数的场合、对高压输配电设备的监测等，上述这些加速度传感器使用会造成对电磁环境的侵入式破坏、造成高压设备绝缘性能的下降等不良影响，以至于限制了传统传感器的使用。
光纤光栅传感器在抗电磁干扰、不会产生电磁环境侵入式破坏、高灵敏度、小尺寸、重量轻、成本低，高温、腐蚀环境适应性等方面较一般传感器具有明显的优势，此外还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式测量的独特优势。
光纤光栅传感***主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成，宽带光源为***提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调***实时地反映出来。光纤光栅传感***的发展趋势是优化测量方法，光纤光栅传感***的优化主要从三方面考虑，即，光源、光纤光栅传感器及信号解调。
对于传感***的优化，主要是根据传感器的数目、配置、传感器的灵敏度和解调***的分辨力，根据实际的测量需要，配置不同的光源、传感结构、传感器解调***，使得成本低、测量误差小、测量精度高。针对未来光纤光栅传感***网络化的要求，应使用稳定性好、宽带、高输出功率的光源。光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。
由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。因此，解决交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量，或者在测量应力的同时消除温度变化的影响是技术方案可实施性的关键。所以，一个实用的信号解调方案必须具有极高的波长分辨力。其次，要解决动态与静态信号的检测问题，尤其是二者的结合性检测已成为光栅传感实用解调技术中的难点。
发明内容
本发明的目的是提供一种差动式光纤光栅加速度传感装置，能够用光学光栅为敏感元件，以弹性梁结构构建的差动式加速度传感装置，且测量具有温度误差自补偿、灵敏度高、动态响应好、抗电磁干扰且对局部电磁环境非侵入的特性。
本发明采用的技术方案为：
一种差动式光纤光栅加速度传感装置，包括基座和外壳，二者构成密封的腔体，还包括有宽带光源、扫描F-P滤波器、光电接收器、解调器和控制器；
所述的基座上设置有立柱，立柱的顶端水平固定设置有弹性臂，弹性臂的自由端固定设置有质量块，还设置有光纤光栅、漫反射吸收器和光纤接口，所述漫反射吸收器固定设置在光纤光栅的一端，光纤光栅另一端与光纤接口固定连接；
所述的光纤接口通过传导光纤与耦合器的左端口连接，耦合器的右端口通过传导光栅与宽带光源连接，耦合器的下行端口通过传导光栅与扫描F-P滤波器的输入端口连接，扫描F-P滤波器的输出光束照射于光电接收器，光电接收器的输出与解调器的输入端连接，解调器的输出端连接控制器的输入端，控制器的输出端连接扫描F-P滤波器的控制输入端；
所述的光纤光栅装有漫反射吸收器的一端设置在弹性臂上端面，另一端依次绕过质量块、弹性臂的下端面、立柱的竖直表面和基座的上端面与光纤接口连接；所述的光纤光栅上设置有不同节距的第一光栅、第二光栅和第三光栅，所述的包含第一光栅的光纤光栅前段部分设置在弹性臂上端面的部分上，且第一光栅段长的光纤黏贴固定设置在弹性臂上端面部分；包含第二光栅的光纤光栅中段部分设置在弹性臂下端面的部分上，且第二光栅段长的光纤黏贴固定设置在弹性臂下端面部分，保证第一光栅和第二光栅沿弹性臂梁长度方向位置一致；包含第三光栅的光纤光栅后段部分设置在立柱侧端面的部分上；
所述的光纤光栅上第二光栅与第三光栅之间的部分设置有缓冲环结构，即此部分的光纤光栅自行绕设成环状结构，用于防止在弹性臂发生形变时，光纤光栅在上下摆动时对光纤光栅造成损坏。
所述的第一光栅与第二光栅对应弹性臂相对设置、上下对齐，且沿弹性臂水平方向保持位置一致。
所述的弹性臂为一个板状的等腰梯形结构，等腰梯形结构的长边为底，底部与立柱固定连接。
所述的弹性臂为乙缩醛共聚物。
所述的质量块为塑料质量块。
还包括有塑料固定卡扣，用于固定光纤光栅到立柱和基座的底部。
所述的基座、立柱和外壳也均由不含金属和导磁成分材料制成。
还包括有用于固定光纤光栅左右晃动的固定部。
所述的固定部为质量块上开设的沿圆周方向的限位槽，限位槽的宽度与光栅的直径相同。
所述塑料机座底部开设有螺纹孔，用于方便与被测体的连接固定。
本发明通过以工程塑料作为基座和机壳的制造材料，将长方形乙缩醛共聚物薄板作为弹性梁，一端固定于基座的垂直立柱、另一端固定圆柱形惯性质量块，构成弹性梁结构；弹性梁结构一定位置上设置包括三个不同光栅节距的光纤光栅；使测量时，由于惯性质量块的作用，乙缩醛共聚物薄板弹性梁随振动加速度产生相应的上翘和下弯变形，光栅1受拉伸的同时光栅2受压缩，或光栅1受压缩的同时光栅2受拉伸，从而改变光栅节距，进而改变反射光峰值波长产生对应的偏移量Δλ1和Δλ2，光栅3不受力，即Δλ3＝0；光栅1和光栅2组成差动式加速度测量光路，并具有温度自补偿功能，光栅3的反射光强度用于修正测量***光源不稳定对测量的影响，从而可以对待测量部件进行加速度加速度的测量，且测量具有温度误差自补偿、灵敏度高、动态响应好、抗电磁干扰且对局部电磁环境非侵入的特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为发明本所述弹性臂的结构示意图；
图3为发明所述光纤光栅的结构示意图；
图4为发明所本述光源、反射、透射光谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2和3所示，本发明包括基座7和外壳1，二者构成密封的腔体，还包括有宽带光源10、扫描F-P滤波器11、光电接收器12、解调器13和控制器14；
所述的基座7上设置有立柱，立柱的顶端水平固定设置有弹性臂2，弹性臂2的自由端固定设置有质量块4，还设置有光纤光栅3、漫反射吸收器301和光纤接口6，所述漫反射吸收器301固定设置在光纤光栅3的一端，光纤光栅3另一端与光纤接口6固定连接；
所述的光纤接口6通过传导光纤9与耦合器8的左端口连接，耦合器8的右端口通过传导光栅9与宽带光源10连接，耦合器8的下行端口通过传导光栅9与扫描F-P滤波器11的输入端口连接，扫描F-P滤波器11的输出光束照射于光电接收器12，光电接收器12的输出与解调器13的输入端连接，解调器13的输出端连接控制器14的输入端，控制器14的输出端连接扫描F-P滤波器11的控制输入端；
所述的光纤光栅3装有漫反射吸收器301的一端设置在弹性臂2上端面，另一端依次绕过质量块4、弹性臂2的下端面、立柱的竖直表面和基座7的上端面与光纤接口6连接；所述的光纤光栅3上设置有不同节距的第一光栅302、第二光栅303和第三光栅305，所述的包含第一光栅302的光纤光栅3前段部分设置在弹性臂2上端面的部分上，且第一光栅302段长的光纤黏贴固定设置在弹性臂2上端面部分；包含第二光栅303的光纤光栅3中段部分设置在弹性臂2下端面的部分上，且第二光栅303段长的光纤黏贴固定设置在弹性臂2下端面部分，保证第一光栅和第二光栅沿弹性臂梁2长度方向位置一致；包含第三光栅305的光纤光栅3后段部分设置在立柱侧端面的部分上；
如图2所示，漫反射吸收器将透射第一光栅302后的光完全吸收以避免再次反射对测量产生影响。实际工作时，宽谱光源发出的光束，分别经第三光栅305、第二光栅303、第一光栅302依次反射不同峰值谱线的光束，最后透射第一光栅302进入漫反射吸收器301，光源光谱、反射光谱和透射光谱参见图4所示。
所述的光纤光栅上第二光栅303与第三光栅305之间的部分设置有缓冲环304结构，即此部分的光纤光栅自行绕设成环状结构，用于防止在弹性臂2发生形变时，光纤光栅3在上下摆动时对光纤光栅造成损坏；所述的第一光栅302与第二光栅303对应弹性臂2相对设置、上下对齐，且沿弹性臂2水平方向保持位置一致；
所述的弹性臂2为一个板状的等腰梯形结构，等腰梯形结构的长边为底，底部与立柱水平固定连接。所述的弹性臂2为乙缩醛共聚物弹性，所述的乙缩醛共聚物Celcon M90为可用于制造特殊塑料弹簧的高分子材料，不仅可以满足作为弹性梁的要求，而且还可以很好的避免金属物质带来的导电和导磁性。
如图3所示，所述乙缩醛共聚物弹性也可以是特殊弹性梁，当满足沿梁长度方向上的截面抗弯模量W的变化与弯矩M的变化成正比,即满足(1)式条件时，只要保证第一光栅与第二光栅在梁长方向的位置一致即可实现温度自补偿，而具体处于弹性梁的梁长方向的何位置不会对测量结构产生影响。特殊弹性梁结构如图3所示，这种弹性梁沿弹性梁轴线方向各点的轴向应变相同，所以作用力F可由(2)式计算。
式中σ为应力，F为作用于自由端的集中力，L为梁长，b0为梁的固定端宽度，h为梁厚。
其中ε为梁的轴向应变，E为梁材料的弹性应变，当结构确定后k为已知常数。
所述的基座、立柱和外壳也均为不含金属和导磁成分材料制成。所述的质量块为塑料质量块。还包括有塑料固定卡扣，用于固定光纤光栅到立柱和基座的底部。
还包括有用于固定光纤光栅左右晃动的固定部。所述的固定部为质量块上开设的沿圆周方向的限位槽，限位槽的宽度与光栅光纤的直径相同。设定固定部是防止左右晃动带来的测量精度的下降，也即所述弹性梁满足沿梁长度方向上的截面抗弯模量的变化与弯矩的变化成正比，只要保证第一光栅与第二光栅在梁长方向的位置一致，而具体处于梁长方向的何位置不会对测量结构产生影响。
本发明中所述的传感装置所有材料、器件和连接固定工艺均不含金属和导磁成分材料，所述乙缩醛共聚物弹性一端水平粘接于塑料机座立柱的上部侧面、另一端粘接有塑料质量块，所述的光纤光栅前段包含第一光栅部分平行粘接于乙缩醛共聚物弹性的上表面、后续光纤光栅沿乙缩醛共聚物弹性上表面经过塑料质量块导向槽后折返设置于乙缩醛共聚物弹性下表面、中段包含第二光栅部分平行粘接于乙缩醛共聚物弹性的下表面、然后光纤在乙缩醛共聚物弹性与塑料机座立柱的直角处绕成圆形缓冲环后沿立柱和机座表面经由塑料固定卡扣固定且导入光纤接口，所述塑料机座底部开设有螺纹孔方便与被测体的连接固定，塑料外壳用于装置的保护和封装。
本发明以工程塑料作为基座和机壳的制造材料，特别选用乙缩醛共聚物薄板作为弹性梁，一端固定于基座的垂直立柱、另一端固定圆柱形惯性质量块，构成弹性梁结构；光纤光栅包含有三个不同光栅节距的光栅，每个光栅的节距经过特殊计算、设计；光纤光栅的前段部分包含第一光栅且粘贴固化于乙缩醛共聚物薄板弹性梁的上表面，然后绕过圆柱形惯性质量块，经由圆柱形惯性质量块上的光纤光栅导引槽，将光纤光栅引向乙缩醛共聚物薄板弹性梁的下表面，将包含有第二光栅的光纤光栅中段粘贴固化于乙缩醛共聚物薄板弹性梁的下表面，然后光纤光栅绕圈形成一个圆形缓冲环，沿基座立柱表面经由固定卡扣将包含第三光栅的光纤光栅后段固定于沿基座立柱表面，最后将光纤光栅的输出端与光纤接口相连接。
本发明传感装置的各个部件完全采用非金属材料制造，采用光学光栅为敏感元件与传输介质，以乙缩醛共聚物弹性梁结构构建的差动式加速度传感装置，装置具有温度误差自补偿、灵敏度高、动态响应好、抗电磁干扰且对局部电磁环境非侵入的特性，应用于对力、速度、加速度、振动等的监测，特别适合于复杂和强电磁环境的应用。
所述第一光栅、第二光栅和第三光栅的反射峰值波长各不相同，漫反射吸收器将透射第一光栅后的光完全吸收以避免再次反射对测量产生影响。
本发明通过第一光栅和第二光栅构成差动式加速度测量敏感环节，实现对加速度参数的差动式测量，且具有温度自补偿功能；通过设置第三光栅作为光源强度实时监测、修正元件，消除光源发光强度不稳定的影响并提高测量装置的动态响应特性和测量精度。根据惯性质量块的相对加速度am与被测振动体加速度a的对应关系计算或查表可得到被测振动体加速度。
针对本发明的工作原理具体介绍如下：
如图1所示，宽带光源发出包含一定光谱成分的光束经传导光纤、耦合器、传导光纤导入本发明装置的光纤接口，该入射光束在光纤光栅传输过程中，经过第三光栅时会产生一对应第三光栅周期T3的峰值波长为λ3的反射光谱，经由光纤接口、传导光纤、耦合器、扫描F-P滤波器，被光电接收器所接收并经解调器解调出峰值波长λ3和峰值光强I3；经过第三光栅的透射光束继续沿光纤光栅传输，经过第二光栅时会产生一对应第二光栅周期T2的峰值波长为λ2的反射光谱，经由第三光栅、光纤接口、传导光纤、耦合器、扫描F-P滤波器，被光电接收器所接收并经解调器解调出峰值波长λ2和峰值光强I2；经过第二光栅的透射光束继续沿光纤光栅传输，经过第一光栅时会产生一对应第一光栅周期T1的峰值波长为λ1的反射光谱，经由第二光栅、第三光栅、光纤接口、传导光纤、耦合器、扫描F-P滤波器，被光电接收器所接收并经解调器解调出峰值波长λ1和峰值光强I1，经过第一光栅后的透射光谱已不包含峰值波长为λ1、峰值波长为λ2、峰值波长为λ3的成分，最后被漫反射吸收器完全吸收而无反射。宽带光源光谱如图4中(a)所示，各光栅的反射光谱如图4中(b)所示，经过第一光栅后的透射光谱如图4中(c)所示。
测量之前首先要利用标准光源对***进行标定，设标准光源强度为I标准，照射时第三光栅的反射峰值光强为IB,实际测量对应于实时光源所得的第三光栅的反射峰值光强为I3，则修正后的光源光强为I光源＝I3·I标准/IB，以此消除光源发光强度不稳定的影响，修正值作为控制器控制扫描F-P滤波器的重要参数，以改善测量***动态响应特性，提高测量精度。
所述第一光栅和第二光栅构成差动式加速度测量敏感环节，实现对加速度的差动式测量，第三光栅作为光源强度实时监测、修正元件，消除光源发光强度不稳定的影响并提高测量装置的动态响应特性和测量精度。
根据光纤光栅波长与应变变化关系式和弹性***中加速度与应变的关系：具体表达式如下：
其中λ为光栅反射峰值波长，Δλ为峰值波长偏移量，Pe为光纤的弹光系数，ε为光栅的应变。
测量时，由于惯性质量块加速度的作用，第一光栅和第二光栅受力而第三光栅不受力，第一光栅和第二光栅受到拉伸或压缩力作用、温度变化的作用造成光栅节距发生变化，使得对应反射峰值波长发生Δλ1和Δλ2偏移，根据(1)～(3)式有
由于是差动结构，可设ε1＝ε，则ε2＝-ε1＝-ε；温度影响产生的应变由于处于同一温度场，且第一光栅和第二光栅分别与乙缩醛共聚物弹性梁上下表面粘接固定，所以两个光栅的温度应变相同，即有ε1t＝ε2t，则有下式
整理后可得
(7)式表明差动测量消除了温度影响因素。根据力学定理可得到惯性质量块m的相对加速度
最后，根据惯性质量块的相对加速度am与被测振动体绝对加速度a的对应关系计算或查表的得到被测振动体加速度a。
以下将对本发明的优先实施例进行详细的描述；应当理解，优先实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
本发明在制作时，如下所述进行结构设计：
①确定制作材料。弹性梁采用乙缩醛共聚物材料Celcon M90，惯性质量块采用工程塑料。
②确定梁尺寸。采用满足等强度要求的结构尺寸，具体参数如表1所示。
③粘接工艺。采用环氧树脂粘接固化，具体型号为LEAFTOP/蓝田-9005。
表1梁结构尺寸参数
E/GPa L/mm b0/m h/m m/g
230 50 15 1 40
光纤光栅设计
①确定制作材料。纯石英光纤，光纤涂覆层为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)
②确定光栅参数。光纤光栅参数如表2所示。
③制作工艺。直接透过光纤涂覆层(丙烯酸酯，聚酰亚胺，硅胶，碳，有机改性陶瓷)刻栅。
表2光纤光栅参数
Pe λ<sub>1</sub>/nm λ<sub>2</sub>/nm λ<sub>3/</sub>nm FWHM/nm
0.22 1500 1550 1600 6
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种差动式光纤光栅加速度传感装置，包括基座和外壳，二者构成密封的腔体，其特征在于：还包括有宽带光源、扫描F-P滤波器、光电接收器、解调器和控制器；
所述的基座上设置有立柱，立柱的顶端水平固定设置有弹性臂，弹性臂的自由端固定设置有质量块，还设置有光纤光栅、漫反射吸收器和光纤接口，所述漫反射吸收器固定设置在光纤光栅的一端，光纤光栅另一端与光纤接口固定连接；
所述的光纤接口通过传导光纤与耦合器的左端口连接，耦合器的右端口通过传导光栅与宽带光源连接，耦合器的下行端口通过传导光栅与扫描F-P滤波器的输入端口连接，扫描F-P滤波器的输出光束照射于光电接收器，光电接收器的输出与解调器的输入端连接，解调器的输出端连接控制器的输入端，控制器的输出端连接扫描F-P滤波器的控制输入端；
所述的光纤光栅装有漫反射吸收器的一端设置在弹性臂上端面，另一端依次绕过质量块、弹性臂的下端面、立柱的竖直表面和基座的上端面与光纤接口连接；所述的光纤光栅上设置有不同节距的第一光栅、第二光栅和第三光栅，所述的包含第一光栅的光纤光栅前段部分设置在弹性臂上端面的部分上，且第一光栅段长的光纤黏贴固定设置在弹性臂上端面部分；包含第二光栅的光纤光栅中段部分设置在弹性臂下端面的部分上，且第二光栅段长的光纤黏贴固定设置在弹性臂下端面部分，保证第一光栅和第二光栅沿弹性臂梁长度方向位置一致；包含第三光栅的光纤光栅后段部分设置在立柱侧端面的部分上；
所述的光纤光栅上第二光栅与第三光栅之间的部分设置有缓冲环结构，即此部分的光纤光栅自行绕设成环状结构，用于防止在弹性臂发生形变时，光纤光栅在上下摆动时对光纤光栅造成损坏。
2.根据权利要求1所述的差动式光纤光栅加速度传感装置，其特征在于：所述的第一光栅与第二光栅对应弹性臂相对设置、上下对齐，且沿弹性臂水平方向保持位置一致。
3.根据权利要求1所述的差动式光纤光栅加速度传感装置，其特征在于：所述的弹性臂为一个板状的等腰梯形结构，等腰梯形结构的长边为底，底部与立柱固定连接。
4.根据权利要求1所述的差动式光纤光栅加速度传感装置，其特征在于：所述的弹性臂为乙缩醛共聚物。
5.根据权利要求1所述的差动式光纤光栅加速度传感装置，其特征在于：所述的质量块为塑料质量块。
6.根据权利要求1所述的差动式光纤光栅加速度传感装置，其特征在于：还包括有塑料固定卡扣，用于固定光纤光栅到立柱和基座的底部。
7.根据权利要求1所述的差动式光纤光栅加速度传感装置，其特征在于：所述的基座、立柱和外壳也均由不含金属和导磁成分材料制成。
8.根据权利要求1所述的差动式光纤光栅加速度传感装置，其特征在于：还包括有用于固定光纤光栅左右晃动的固定部。
9.根据权利要求8所述的差动式光纤光栅加速度传感装置，其特征在于：所述的固定部为质量块上开设的沿圆周方向的限位槽，限位槽的宽度与光栅的直径相同。
10.根据权利要求1所述的差动式光纤光栅加速度传感装置，其特征在于：所述塑料机座底部开设有螺纹孔，用于方便与被测体的连接固定。
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