專利名稱：光纖光柵加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種光纖光柵傳感器，特別是用于測量物體加速度和振動信號的由光纖布喇格光柵為傳感基質(zhì)的傳感器，屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖光柵是一種新型的光子器件，它是在光纖中建立起的一種空間周期性的折射率分布，可以改變和控制光在光纖中的傳播行為。光纖光柵傳感器是借助某種裝置將被測參量的變化轉(zhuǎn)化為作用于光纖光柵上的應(yīng)變或溫度的變化，從而引起光纖光柵布喇格波長的變化。通過標(biāo)定并建立光纖光柵的應(yīng)變或溫度響應(yīng)與被測參量變化關(guān)系，即可由光纖光柵中心波長的變化，測量出被測量的變化。將光纖光柵陣列與波分復(fù)用和時分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，將其埋入材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)部或貼裝在其表面，從而對材料的特性(如溫度、應(yīng)變、壓力、加速度等)實現(xiàn)多點監(jiān)測。這種傳感器陣列已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、建筑業(yè)和科學(xué)研究等多個領(lǐng)域。
但是，現(xiàn)有技術(shù)中，對物體的加速度及振動進行即時測量的傳感器還沒有得到滿意的解決。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的旨在利用光纖光柵作為傳感器件，對物體的加速度及振動信號進行傳感測量，可應(yīng)用于各種接觸式加速度或振動信號測量。
本實用新型是一種新型的光纖光柵加速度傳感器，利用光纖光柵作為基本傳感器件，采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，對物體的加速度及振動進行傳感測量。檢索結(jié)果表明，目前尚沒有與之一致的光纖光柵加速度傳感器的專利報導(dǎo)。
本實用新型公開了一種光纖光柵加速度傳感器，其技術(shù)方案如下這種光纖光柵加速度傳感器，包括單模光纖、光纖布喇格光柵、等強度懸臂梁、質(zhì)量塊、滑桿，其特點是將光纖光柵粘貼于等強度懸臂梁靠近固定端的表面上，等強度懸臂梁自由端與質(zhì)量塊柔性連接，質(zhì)量塊被穿在滑桿上，可沿與梁垂直方向(y方向)運動。
光纖光柵加速度傳感器是由一個梁長為L的懸臂梁、一個質(zhì)量為m的質(zhì)量塊以及相關(guān)的構(gòu)件組成。將光纖光柵粘貼于懸臂梁靠近固定端的表面上，梁自由端與質(zhì)量塊m柔性連接，質(zhì)量塊m被限制在只能沿與梁垂直方向(y方向)運動。根據(jù)彈性力學(xué)原理，當(dāng)懸臂梁自由端受垂直作用力時，梁將發(fā)生彎曲，這時懸臂梁將產(chǎn)生一個與施力方向相反的彈性回復(fù)力。整個加速度傳感器與被測物體緊密相連，當(dāng)被測物體的加速度沿y方向的分量為a時，質(zhì)量塊m上所受慣性力的大小為F＝ma。慣性力的作用使懸臂梁發(fā)生彎曲，因此帶動傳感光纖光柵伸長或壓縮，傳感光纖光柵中心波長亦隨之產(chǎn)生漂移。通過檢測光纖光柵中心波長漂移量的大小，即可推知加速度a的大小。
為了保證在測量范圍內(nèi)傳感光纖光柵波長漂移的線性度，本光纖光柵加速度傳感器采用等強度懸臂梁結(jié)構(gòu)，并將傳感光纖光柵粘貼于接近梁固定端位置。懸臂梁與質(zhì)量塊m之間通過滾珠柔性連接，以保證懸臂梁僅沿y方向受慣性力作用，從而使傳感光纖光柵的形變不受剪切、扭轉(zhuǎn)等力之影響。
測試原理是對于等強度懸臂梁，受荷載P作用而彎曲，當(dāng)撓度Y不大時，等強度梁的曲率半徑ρ可近似為常量。根據(jù)材料力學(xué)知識，由荷載P、梁的性質(zhì)(楊氏模量E)及幾何尺寸，可求得等強度懸臂梁上各點的應(yīng)變?yōu)?amp;epsiv;=6LEbh2|P|---(1)]]>其中，L、b、h分別為梁長、梁固定端寬度和厚度。
則對于粘貼在梁上的光纖光柵，其波長漂移為ΔλλB=η(1-pe)ϵ---(2)]]>其中，pe為光纖光柵的彈光系數(shù)，一般為0.22。η為粘貼系數(shù)，與選取的粘接劑及粘貼效果有關(guān)。
于是有ΔλλB=η(1-pe)6LEbh2|P|---(3)]]>進行加速度測量時，將該傳感器以某種連接方式剛性連接到被測物體的測試點上。設(shè)被測物體沿傳感器y方向的加速度分量為a，則施加在質(zhì)量塊m的慣性力大小為F＝ma (4)且力F的方向與加速度方向一致。此時，相當(dāng)于在等強度懸臂梁自由端施加了大小為F的荷載而引起梁彎曲。由于各矢量均沿y方向，因此，我們只取其模進行計算，而用正負(fù)號表示其方向。計算可得ΔλλB=η(1-pe)6LEbh2ma---(5)]]>此式即為該光纖光柵加速度傳感器的基本公式。在梁參數(shù)及粘接系數(shù)一定的情況下，傳感光纖光柵的波長漂移Δλ與被測物體的加速度a成正比。
本實用新型的有益效果是利用光纖光柵作為傳感基質(zhì)，采用懸臂梁設(shè)計結(jié)構(gòu)，對加速度及振動信號進行接觸式測量?；诠饫w光柵本身的優(yōu)點，這種傳感器具有測量精度高、抗干擾、耐腐蝕、適合在惡劣環(huán)境下工作等特點。


圖1是本實用新型的傳感器結(jié)構(gòu)圖1。
圖2是本實用新型的傳感器中懸臂梁結(jié)構(gòu)圖。
圖中1.單模光纖，2.光纖布喇格光柵，3.等強度懸臂梁，4.質(zhì)量塊，5.滑桿，6.外殼。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
這種光纖光柵加速度傳感器，包括單模光纖1、光纖布喇格光柵2、等強度懸臂梁3、質(zhì)量塊4、滑桿5，其特點是將光纖光柵1、2粘貼于等強度懸臂梁3靠近固定端的表面上，等強度懸臂梁自由端與質(zhì)量塊柔性連接，質(zhì)量塊被穿在滑桿5上，可沿與梁垂直方向(y方向)運動。
光纖光柵為光纖布喇格光柵。
等強度懸臂梁可以是矩形彈性梁。
滑桿可以是限制質(zhì)量塊運動方向的彈簧、導(dǎo)軌機構(gòu)。
實施例光纖光柵2的自由態(tài)中心波長為1536.000nm，峰值反射率為90％，帶寬為0.26nm。等強度懸臂梁3材料為錳鋼，長度38mm，寬度8mm，厚度0.2mm。質(zhì)量塊4材料為銅，質(zhì)量為40克。光纖光柵2粘貼于等強度懸臂梁3的中軸線靠近固定端位置處。等強度懸臂梁3與質(zhì)量塊4通過滾珠柔性連接。質(zhì)量塊4被滑桿5限制于只能沿與等強度懸臂梁3垂直的位置運動。等強度懸臂梁3和滑桿5被固定于外殼6。
在實際應(yīng)用時，將本光纖光柵加速度傳感器外殼與被測物體剛性連接，并使滑桿的方向與待測加速度方向一致。本光纖光柵加速度傳感器的光纖1接到光波長檢測設(shè)備上，即可由波長檢測設(shè)備，根據(jù)光纖光柵波長漂移，計算得出被測物體加速度的值。
權(quán)利要求1.一種光纖光柵加速度傳感器，包括單模光纖(1)、光纖布喇格光柵(2)、等強度懸臂梁(3)、質(zhì)量塊(4)、滑桿(5)，其特征在于將光纖光柵(1、2)粘貼于等強度懸臂梁(3)靠近固定端的表面上，等強度懸臂梁自由端與質(zhì)量塊柔性連接，質(zhì)量塊被穿在滑桿(5)上，可沿與梁垂直方向，即y方向運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵加速度傳感器，其特征在于光纖光柵為光纖布喇格光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵加速度傳感器，其特征在于等強度懸臂梁可以是矩形彈性梁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵加速度傳感器，其特征在于滑桿結(jié)構(gòu)是可以限制質(zhì)量塊運動方向的彈簧、導(dǎo)軌機構(gòu)。
專利摘要本實用新型涉及一種光纖光柵傳感器，特別是用于測量物體加速度和振動信號的由光纖布喇格光柵為傳感基質(zhì)的傳感器，屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域。在現(xiàn)有技術(shù)中，對物體的加速度及振動進行即時測量的傳感器還沒有得到滿意的解決。本實用新型公開了一種光纖光柵加速度傳感器，其技術(shù)方案如下這種光纖光柵加速度傳感器，包括單模光纖、光纖布喇格光柵、等強度懸臂梁、質(zhì)量塊、滑桿等，其特點是將光纖光柵粘貼于等強度懸臂梁靠近固定端的表面上，等強度懸臂梁自由端與質(zhì)量塊柔性連接，質(zhì)量塊被穿在滑桿上，可沿與梁垂直方向(y方向)運動。本實用新型的有益效果是這種傳感器具有測量精度高、抗干擾、耐腐蝕、適合在惡劣環(huán)境下工作等特點。
文檔編號G01P15/00GK2784933SQ20042002886
公開日2006年5月31日 申請日期2004年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月28日
發(fā)明者董孝義, 劉波, 開桂云, 張偉剛, 袁樹忠, 曹曄, 曾劍, 羅建花 申請人:南開大學(xué)