專利名稱：溫度補償型光纖光柵加速度計探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及光纖光柵傳感技術(shù)、工程力學(xué)和光電檢測等技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種不受電磁干擾、尺寸小、能自動消除溫度噪聲的溫度補償型光纖光柵加速度計探頭。
背景技術(shù)：
混凝土提壩、衛(wèi)星發(fā)射臺和海上開采平臺等大型工程結(jié)構(gòu)中由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生一種振幅微小(10_8-10_1(lm)應(yīng)力波。這種應(yīng)力波振動頻率一般在IOOHz以下，它廣泛存在于工程應(yīng)用領(lǐng)域中，它反映了處于微振物體的本質(zhì)狀態(tài)特征，而表征這種應(yīng)力波最直接的參數(shù)是其振動加速度。通過對加速度進行分布式精確測量可實現(xiàn)振動體的狀態(tài)分析和故障診斷。振動監(jiān)測系統(tǒng)中對振動信號進行拾取主要依靠電磁類加速度傳感器來實現(xiàn)，雖然電磁類加速度傳感器已在振動測量中得到了廣泛應(yīng)用，但是其自身存在的諸多缺陷使得電磁類加速度傳感器在振動測量領(lǐng)域的應(yīng)用受到很大的限制，如電磁干擾和溫度噪聲不能從根本上消除，信號之間的串音、測量探頭復(fù)雜，以及電線總體積大、布置空間容易受到等問題難以解決。近年來，許多光纖傳感器被應(yīng)用于振動監(jiān)測和信息采集中，并受到廣泛關(guān)注和大力推廣，其中光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)傳感器最具有發(fā)展前景。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種溫度補償型光纖光柵加速度計探頭，其基于光纖布拉格光柵設(shè)計，在能夠?qū)崿F(xiàn)低頻振動加速度測量的基礎(chǔ)上，具有尺寸小，質(zhì)量輕的特點，在應(yīng)用時不受電磁干擾以及光路中功率波動等的影響，且能自動消除溫度噪聲和相位噪聲的影響。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取的技術(shù)方案是一種溫度補償型光纖光柵加速度計探頭，包括殼體，殼體內(nèi)設(shè)有彈簧片、慣性質(zhì)量塊和彈性管件；彈簧片數(shù)量為2個，2個彈簧片位于同一水平面上，且對稱的安裝于慣性質(zhì)量塊的兩側(cè)；各彈簧片的一端固定在殼體上，另一端固定在慣性質(zhì)量塊上；彈性管件豎直放置，其上端固定于殼體上，下端位于慣性質(zhì)量塊的上方；彈性管件中設(shè)有第一光纖光柵和第二光纖光柵，第一光纖光柵剛性粘貼于彈性管件的內(nèi)壁上，第二光纖光柵通過光纖連接第一光纖光柵的下端；第一光纖光柵的上端通過光纖連接到殼體外部。作為一種改進，本實用新型還包括基座，基座連接殼體下端，基座上表面中心與殼體下端面中心重合；基座的底面積大于殼體下端面的面積?；c殼體可以為整體結(jié)構(gòu)，基座的設(shè)置可使本實用新型的探頭在應(yīng)用時便于安裝或放置，更好的避免其它振動造成的干擾，保證測量的靈敏度和精確度。進一步的，本實用新型所述彈簧片的截面為矩形，且兩個彈簧片的長度相等。矩形截面的彈簧片可使得在慣性質(zhì)量塊振動時，引起的鋼管以及光纖光柵的應(yīng)變?yōu)榫€性應(yīng)變， 便于分析。更進一步的，本實用新型中所述彈性管件為鋼管，彈性管件的作用為在有加速度時，慣性質(zhì)量塊的上下振動會引起鋼管的應(yīng)變，剛性粘貼于剛關(guān)上的光纖光柵也會有同樣的應(yīng)變，從而可實現(xiàn)本實用新型信號采集分析的目的。彈性管件選擇為鋼管既可滿足應(yīng)變要求的彈性系數(shù)，又不會因為彈性過大在應(yīng)變過程中對光纖光柵造成損壞。上述鋼管下端在慣性質(zhì)量塊上的投影位于慣性質(zhì)量塊上表面的中間部位。在有加速度時，鋼管與慣性質(zhì)量塊的位移幅度最大的部位相對應(yīng)，可提高本實用新型的靈敏度。優(yōu)選的，本實用新型所述慣性質(zhì)量塊為立方體。兩個彈簧片支撐慣性質(zhì)量塊并約束質(zhì)量塊的振動方向。形狀規(guī)則的慣性質(zhì)量塊更利于分析，能夠保證本實用新型的測量精確度。在應(yīng)用中，當有加速度時，慣性質(zhì)量塊上下振動力使鋼管產(chǎn)生應(yīng)變并帶動光纖光柵應(yīng)變，通過檢測光纖光柵的應(yīng)變可得到加速度大小。有益效果本實用新型采用光纖光柵作為敏感元件，可免受電磁干擾，適合于復(fù)雜電磁環(huán)境使用。應(yīng)用原理是將加速度引起的鋼管應(yīng)變量轉(zhuǎn)換為光纖光柵的中心波長漂移量，不受測量系統(tǒng)中光路功率波動影響。雙光纖光柵結(jié)構(gòu)中，其中一光纖光柵粘貼于鋼管內(nèi)壁，與鋼管有相同應(yīng)變，而另一光纖光柵懸空自由放置，溫度變化對兩光纖光柵中心波長的影響相同， 因此在測量中能夠進行溫度的自動補償，克服了一般光纖光柵傳感器溫度、應(yīng)變交叉敏感問題。同時本實用新型結(jié)構(gòu)較為簡單，體積較小，易于形成分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，進行多點加速度測量，同時成本較低，安裝簡單，易于推廣。

圖1所示為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖；圖2所示為圖1的局部剖視主視圖；圖3所示為光纖光柵傳感系統(tǒng)示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型的內(nèi)容更加明顯易懂，
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
做進一步描述。結(jié)合圖1和圖2，本實用新型包括殼體1，殼體1內(nèi)設(shè)有彈簧片3、慣性質(zhì)量塊2和彈性管件6 ；彈簧片3數(shù)量為2個，2個彈簧片3位于同一水平面上，且對稱的安裝于慣性質(zhì)量塊2的兩側(cè)；各彈簧片3的一端固定在殼體1上，另一端固定在慣性質(zhì)量塊2上；彈性管件6豎直放置，其上端固定于殼體1上，下端位于慣性質(zhì)量塊2的上方；彈性管件6為鋼管， 其內(nèi)部設(shè)有第一光纖光柵41和第二光纖光柵42，第一光纖光柵41剛性粘貼于彈性管件6 的內(nèi)壁上，第二光纖光柵42通過光纖連接第一光纖光柵41的下端；第一光纖光柵41的上端通過光纖連接到殼體1外部。殼體1的下端連接有基座11，基座11與殼體1的中心重合；基座11的底面積大于殼體1下端輪廓面積。基座11與殼體1為整體結(jié)構(gòu)，基座11的設(shè)置可使本實用新型在應(yīng)用時便于安裝或放置，更好的避免其它振動造成的干擾，保證測量的靈敏度和精確度。本實用新型中彈簧片3的截面為矩形，且兩個彈簧片3的長度相等，慣性質(zhì)量塊2 為立方體，兩個彈簧片支撐慣性質(zhì)量塊并約束質(zhì)量塊的振動方向；鋼管下端在慣性質(zhì)量塊2上的投影位于慣性質(zhì)量塊上表面的中間部位，即在有加速度時，鋼管與慣性質(zhì)量塊的位移幅度最大的部位相對應(yīng)，可提高本實用新型的靈敏度。矩形截面的彈簧片可使得在慣性質(zhì)量塊振動時，引起的鋼管以及光纖光柵的應(yīng)變?yōu)榫€性應(yīng)變，便于分析。本實用新型在應(yīng)用時基于光纖光柵傳感原理，具體為忽略溫度和應(yīng)變的交叉敏感，分別考察僅在單一溫度或應(yīng)變作用下FBG的傳感特性。溫度引起的光纖光柵Bragg波長變化公式為Δ λ Β/ λ Β = (α + ξ)ΔΤ = ΚτΔΤ其中式中丄.義為光纖的熱膨脹系數(shù)Z = 1·、為光纖的熱光系數(shù)，Kt為
Λ dT^ff dT
光纖光柵相對波長溫度靈敏度系數(shù)。由(1)式可知，ΔΤ與Δ λΒ存在著線性關(guān)系，通過檢測波長的移位，即可確定被測溫度變化量。光纖軸向應(yīng)變ε引起的光纖光柵Bragg波長變化公式為Δ λΒ/λΒ = (I-Pe) ε ζ = Κε ε式中，Pe為有效彈光系數(shù)，尺=<[^-《4+巧2)]/2，其中Ρη、Ρ12為彈光系數(shù)，υ
為光纖泊松比；ΚΕ為光纖光柵相對波長應(yīng)變靈敏度系數(shù)。與溫度類似，ΔλB與ε也成線性關(guān)系，由Δ λ B可方便地求出外界應(yīng)變ε。由上可知，光柵Bragg波長變化與應(yīng)變和溫度的變化關(guān)系為ΔλΒ/λΒ = (α + ξ) ΔΤ+(1-Ρε) ε = ΚτΔΤ+Κε ε (1)顯然，光柵中心反射波長對應(yīng)變和溫度都是敏感的，測量一個量的同時，勢必要受到另一個量的影響。由此可見，解決應(yīng)變和溫度交叉敏感的問題是FBG傳感檢測技術(shù)實用化的關(guān)鍵。如圖3所示為光纖光柵傳感系統(tǒng)示意圖。從寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器傳送到傳感光柵上，傳感光柵反射回一個中心波長為Bragg波長λΒ的窄帶光波，待測量(應(yīng)變、溫度等)加在傳感光柵上使λB產(chǎn)生漂移Δ λ Β，這個產(chǎn)生漂移的反射窄帶光波又經(jīng)耦合器導(dǎo)入波長檢測系統(tǒng)，從中檢測出△ λ Β，進而確定待測量。本實用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理溫度補償型光纖光柵加速度計探頭結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。探頭主要有慣性質(zhì)量塊、 兩個彈簧片、鋼管、殼體、基座和兩個個光纖光柵等組成。兩個彈簧片為矩形截面，水平、對稱安裝于慣性質(zhì)量塊兩側(cè)中間位置，一側(cè)固定在質(zhì)量塊上，另一側(cè)固定在殼體上。兩個彈簧片支撐慣性質(zhì)量塊并約束質(zhì)量塊的振動方向。慣性質(zhì)量塊采用立方體結(jié)構(gòu)。鋼管豎直固定在慣性質(zhì)量塊上方中間位置，另一端固定在殼體上。兩個光纖光柵串聯(lián)焊接于一根光纖上， 其中光纖光柵一(FBGl)剛性粘貼于鋼管內(nèi)壁，并確保粘貼的牢固性和準直性，光纖光柵二 (FBG2)懸空自由放置，傳感器信號通過尾纖輸出。當有加速度時，慣性質(zhì)量塊上下振動，設(shè)其振動加速度為a，則慣性質(zhì)量塊所受到的慣性力為F = ma。在質(zhì)量塊慣性力F作用下，鋼管產(chǎn)生徑向應(yīng)變變化，F(xiàn)BGl也產(chǎn)生同樣應(yīng)變變化，鋼管應(yīng)變不影響FBG2。設(shè)彈簧片厚度為h，長度為1，寬度為b，依據(jù)材料力學(xué)和彈性力學(xué)知識可得兩個彈簧片的彈性系數(shù)為Γ π。EJ) f h、3 EJj (h、3
到^ =2寸&計J式中E1為彈簧片彈性模量。設(shè)鋼管長度為L，內(nèi)徑和外徑分別為Cl1和d2，彈性模量為E2，鋼管的彈性系數(shù)為
權(quán)利要求1.一種溫度補償型光纖光柵加速度計探頭，其特征是，包括殼體，殼體內(nèi)設(shè)有彈簧片、慣性質(zhì)量塊和彈性管件；彈簧片數(shù)量為2個，2個彈簧片位于同一水平面上，且對稱的安裝于慣性質(zhì)量塊的兩側(cè)；各彈簧片的一端固定在殼體上，另一端固定在慣性質(zhì)量塊上；彈性管件豎直放置，其上端固定于殼體上，下端位于慣性質(zhì)量塊的上方；彈性管件中設(shè)有第一光纖光柵和第二光纖光柵，第一光纖光柵剛性粘貼于彈性管件的內(nèi)壁上，第二光纖光柵通過光纖連接第一光纖光柵的下端；第一光纖光柵的上端通過光纖連接到殼體外部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補償型光纖光柵加速度計探頭，其特征是，還包括基座，基座連接殼體下端，基座上表面中心與殼體下端面中心重合；基座的底面積大于殼體下端輪廓面積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的溫度補償型光纖光柵加速度計探頭，其特征是，所述彈簧片的截面為矩形，且兩個彈簧片的長度相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的溫度補償型光纖光柵加速度計探頭，其特征是，所述彈性管件為鋼管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的溫度補償型光纖光柵加速度計探頭，其特征是，所述鋼管下端在慣性質(zhì)量塊上的投影位于慣性質(zhì)量塊上表面的中間部位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的溫度補償型光纖光柵加速度計探頭，其特征是，所述慣性質(zhì)量塊為立方體。
專利摘要本實用新型公開一種溫度補償型光纖光柵加速度計探頭，其包括殼體，殼體內(nèi)設(shè)有2個彈簧片、慣性質(zhì)量塊和彈性管件；2個彈簧片位于同一水平面上，且對稱的安裝于慣性質(zhì)量塊的兩側(cè)；各彈簧片的一端固定在殼體上，另一端固定在慣性質(zhì)量塊上；彈性管件豎直放置，其上端固定于殼體上，下端位于慣性質(zhì)量塊的上方；彈性管件中設(shè)有第一光纖光柵和第二光纖光柵，第一光纖光柵剛性粘貼于彈性管件的內(nèi)壁上，第二光纖光柵通過光纖連接第一光纖光柵的下端；第一光纖光柵的上端通過光纖連接到殼體外部。當有加速度時，慣性質(zhì)量塊上下振動力使鋼管產(chǎn)生應(yīng)變，并帶動光纖光柵應(yīng)變，通過檢測光纖光柵的應(yīng)變可得到加速度的大小，且能夠消除溫度和相位噪聲的影響。
文檔編號G01P15/03GK202330457SQ201120442578
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者應(yīng)明峰, 李國利, 杭阿芳 申請人:金陵科技學(xué)院