CN202814540U - 光纤光栅震动传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及传感领域，尤其是涉及一种基于碳纤维悬臂梁的光纤光栅震动传感器，特别适用于高灵敏度地感应震动信号。包括外壳；外壳连接的底座，与底座连接的支架，与支架连接的碳纤维材料的悬臂梁，粘接在悬臂梁表面的光纤光栅，与粘接在悬臂梁表面的光纤光栅连接的光纤，与悬臂梁连接的质量块，两端分别与质量块和底座连接的阻尼块。本实用新型结构合理，使用方便，其通过使用弹性模量较小的碳纤维悬臂梁，不仅极大地提高了灵敏度，可靠性也得到了很大地提高。

Description

光纤光栅震动传感器

技术领域

本实用新型涉及传感领域，尤其是涉及一种基于碳纤维悬臂梁的光纤光栅震动传感器，特别适用于高灵敏度地感应震动信号。 

背景技术

震动传感器是一种感应环境震动信号的器件，震动传感器的一个主要应用是制作振动入侵探测器，振动入侵探测器是一种在一定范围内能探测到入侵者的走动或进行各种破坏活动时所产生的震动信号，以此来作为报警依据并产生报警的装置。一般的说，震动传感器的灵敏度越高，振动入侵探测器探测范围越大，探测距离越远，就越容易探测到入侵者。然而，目前的机械式和电子类的震动传感器灵敏度有限，在一定程度上制约了振动入侵探测器的探测范围。 

光纤光栅是一种新型的光纤无源器件，它具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、与光纤兼容、灵敏度高、容易组成传感网络等优点。光纤光栅作为传感器的敏感元件已被应用于制作高精度、高可靠性的温度、应变、压力、位移、震动、声音和磁场等传感器，在航空、船舶、电力、石油化工和医学等多中领域发挥着重要的作用，光纤光栅传感技术已经得到了业界的一致认可。 

用光纤光栅结合悬臂梁结构可以制作高灵敏度的震动传感器。然而，目前悬臂梁的材料一般选用金属薄片，金属材料的弹性模量较大，这在很大程度上限制了光纤光栅震动传感器的灵敏度。 

发明内容

为了克服上述困难，达到提高悬臂梁结构光纤光栅震动传感器的灵敏度，达到用光纤光栅制作更高灵敏度震动传感器的目的，本实用新型采用弹性模量较小的碳纤维复合材料来制作悬臂梁结构的光纤光栅震动传感器。 

本实用新型为了达到上述的目的，提供一种光纤光栅震动传感器，其特征在于：包括外壳；外壳连接的底座，与底座连接的支架，与支架连接的碳 纤维材料的悬臂梁，粘接在悬臂梁表面的光纤光栅，与粘接在悬臂梁表面的光纤光栅连接的光纤，与悬臂梁连接的质量块，两端分别与质量块和底座连接的阻尼块。 

期间，悬臂梁采用碳纤维材料，悬臂梁一端固定在支架上，支架固定在底座上，底座固定在外壳上，质量块固定在悬臂梁的另一端，阻尼块安装在质量块和底座之间； 

所述光纤光栅是粘接在悬臂梁上表面的，或者光纤光栅是粘接在悬臂梁下表面的，或者是悬臂梁上下表面都粘贴有光纤光栅。在测量震动信号时，把传感器的外壳固定在震动源上，传感器与震动源同时振动，从而引起质量块的振动，在惯性力的作用下悬臂梁产生形变，带动光纤光栅伸长和收缩，从而引起其工作波长的变化，通过探测光纤光栅波长的变化量即可实现对震动信号的测量。 

为了降低悬臂梁的弹性模量，所述悬臂梁中碳纤维的轴向与悬臂梁长度方向垂直。如果粘贴在悬臂梁上表面的光纤光栅伸长，则粘贴在悬臂梁上表面的光纤光栅就收缩；伸长的光纤光栅工作波长变大，而收缩的光纤光栅波长变小，若用两支光纤光栅的波长差来表征震动量，则传感器的灵敏度又提高了1倍。 

进一步来说，光纤光栅的轴向与悬臂梁长度方向一致。 

本实用新型与现有的震动传感器相比有显著的效益。 

1.灵敏度高。 

碳纤维材料复合材料的由材料中碳纤维的弹性模量，环氧树脂的弹性模量，碳纤维的含量，环氧树脂的含量，以及碳纤维的分布方向有关。碳纤维复合材料是各向异性材料，即材料不同方向的弹性模量不同。一般的，即使在弹性模量最大的方向，碳纤维的弹性模量也比金属材料弹性模量要小。本实用新型以碳纤维复合材料弹性模量最小的方向即与碳纤维轴向垂直的方向作为悬臂梁的长度方向，所以在同样的震动下，悬臂梁的形变最大，光纤光栅的波长变化也最大，震动传感器的灵敏度也就达到最敏感的程度。 

悬臂梁上表面和下表面都粘贴有光纤光栅，如果粘贴在悬臂梁上表面的光纤光栅伸长，则粘贴在悬臂梁上表面的光纤光栅就收缩；伸长的光纤光栅工作波长变大，而收缩的光纤光栅波长变小，若用两支光纤光栅的波长差来表征震动量，则传感器的灵敏度又提高了1倍。 

2.可靠性好 

因为碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变等诸多优异性能，现已广泛应用于航天航空、石油化工、机械制造、建筑行业、电信、传感器等高新技术领域。所以采用碳纤维悬臂梁结构的光纤光栅震动传感器的可靠性也比较高。 

另外，传感器上有两支光纤光栅，它们的温度系数一样，用两支光纤光栅的波长差来表征震动量，可以消除温度对传感器的影响，从而提高器件可靠性。 

附图说明

图1是本实用新型的碳纤维悬臂梁结构的光纤光栅震动传感器一实施例结构示意图； 

其中，1为外壳，2为底座，3为支架，4为悬臂梁，5为光纤，6为光纤光栅，9为质量块，10为阻尼块。 

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型碳纤维悬臂梁结构光纤光栅震动传感器的特征。 

如图1所示，本实用新型的碳纤维悬臂梁结构光纤光栅震动传感器，它包括外壳1，与外壳机械连接的底座2，与底座机械连接的支架3，与支架机械连接的悬臂梁4，粘接在悬臂梁下表面的光纤光栅6，与粘接在悬臂梁下表面的光纤光栅6连接的光纤5，粘接在悬臂梁上表面的光纤光栅6，与粘接在悬臂梁上表面的光纤光栅6连接的光纤5，与悬臂梁4机械连接的质量块9，与质量块9和底座2连接的阻尼块10。 

在测量震动信号时，把传感器的外壳1固定在震动源上，传感器与震动源同时振动，从而引起质量块9的振动，在惯性力的作用下悬臂梁4产生形变，引起粘接在悬臂梁下表面的光纤光栅6伸长或收缩，从而引起其工作波长的变大或变小，粘接在悬臂梁下表面的光纤光栅6的波长变化信号通过光纤5传送出；悬臂梁4产生的形变，同时也引起粘接在悬臂梁上表面的光纤光栅6收缩或伸长，从而引起其工作波长的变小或变大，粘接在悬臂梁上表面的光纤光栅6的波长变化信号通过光纤5传送出；通过检测粘接在悬臂梁 下表面的光纤光栅6波长的变化量即可实现对震动信号的测量，通过检测粘接在悬臂梁上表面的光纤光栅6波长的变化量也可实现对震动信号的测量；通过检测粘接在悬臂梁下表面的光纤光栅6和粘接在悬臂梁上表面的光纤光栅6的波长差值的变化量同样可实现对震动信号的测量，两支光纤光栅波长差值变化量是一支光纤光栅波长变化量的2倍，所以检测波长差得到的灵敏度是检测单一光纤光波长栅的2倍。阻尼块的作用是减少质量块振动的时间，从而使传感器更真实的感应震动信号。 

这里，我们把悬臂梁与质量块连接的一端到悬臂梁与支架连接的另一端称为悬臂梁的长度方向。与为了降低悬臂梁的弹性模量，其中，悬臂梁4包括碳纤维和环氧树脂。碳纤维的轴向与悬臂梁4长度方向垂直，因为在震动信号作用下，悬臂梁4的长度方向形变最大，粘接在悬臂梁4上的光纤光栅轴向与悬臂梁4长度方向一致，所以光纤光栅的波长变化量也最大，这就可以得到灵敏度很高的震动传感器。 

从理论上分析，由碳纤维和环氧树脂两种材料组成的碳纤维复合材料悬臂梁在长度方向的弹性模量可以表示为等式 

$\frac{1}{E_c}=\frac{V_f}{E_f}+\frac{V_m}{E_m}---\left(1\right)$

等式(1)中，E_c为碳纤维悬臂梁在长度方向上的弹性模量，E_f为悬臂梁中碳纤维的弹性模量，E_m为悬臂梁中环氧树脂的弹性模量，V_f为悬臂梁中碳纤维所占的体积比，V_m悬臂梁中环氧树脂所占的体积比。 

假设悬臂梁中碳纤维弹性模量为240Gpa，所占体积比为50％，环氧树脂弹性模量为3.5GPa，所占体积比为50％，那么，根据等式(1)，悬臂梁在长度方向上的弹性模量为6.9GPa。一般钢材料的弹性模为200GPa，而金属是各向同性材料，在各个方向的弹性模量是相同的，碳纤维复合材料悬臂梁在长度方向上的弹性模量可以远远小于钢材料的弹性模量，也就是说在相同的作用力下，碳纤维悬臂梁在长度方向上的形变远大于钢材料悬臂梁的形变。材料的形变越大，粘接在其上的光纤光栅波长变化也越大。 

另外，仅将一支光纤光栅6粘贴于如图1所示结构的悬臂梁上表面或者是下表面的震动传感器也属于本实用新型保护范围。 

Claims (4)

1.一种光纤光栅震动传感器，其特征在于：包括外壳；外壳连接的底座，与底座连接的支架，与支架连接的碳纤维材料的悬臂梁，粘接在悬臂梁表面的光纤光栅，与粘接在悬臂梁表面的光纤光栅连接的光纤，与悬臂梁连接的质量块，两端分别与质量块和底座连接的阻尼块。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅震动传感器，其特征在于：所述光纤光栅是粘接在悬臂梁上表面的，或者光纤光栅是粘接在悬臂梁下表面的，或者是悬臂梁上下表面都粘贴有光纤光栅。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅震动传感器，其特征在于：所述悬臂梁中碳纤维的轴向与悬臂梁长度方向垂直。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅震动传感器，其特征在于光纤光栅的轴向与悬臂梁长度方向一致。