光纖光柵振動(dòng)傳感器及其振動(dòng)測量元件的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及光纖光柵振動(dòng)傳感器及其振動(dòng)測量元件，提供了一種光纖光柵振動(dòng)傳感器(100),包括：基座（120）；和振動(dòng)測量元件（141、142、143）；以及光纖光柵(171、172、173);其中，振動(dòng)測量元件在軸向上安裝在基座的安裝面（131、132、133）上；振動(dòng)測量元件包括第一凸臺和第二凸臺（211、212）；振動(dòng)測量元件的第一凸臺側(cè)的一端固定安裝在安裝面上，振動(dòng)測量元件的第二凸臺側(cè)的一端懸空；并且光纖光柵在軸向上封裝在振動(dòng)測量元件上，用于感測在該軸向上的振動(dòng)。本實(shí)用新型的技術(shù)效果至少在于：能夠分別調(diào)解軸向的振動(dòng)靈敏度，以適應(yīng)不同場合的測量需要。
【專利說明】光纖光柵振動(dòng)傳感器及其振動(dòng)測量元件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種振動(dòng)傳感器，特別地涉及一種光纖光柵振動(dòng)傳感器及其振動(dòng) 測量元件。

【背景技術(shù)】
[0002] 振動(dòng)測量是指測定能表征物體振動(dòng)特性的有關(guān)參數(shù)的過程。振動(dòng)測量在故障監(jiān) 測、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面有著重要的意義。振動(dòng)測量需要選擇靈敏度和頻率響應(yīng)能滿足測量 要求的振動(dòng)傳感器。目前振動(dòng)傳感器的種類很多，包括壓電式，磁電式以及光纖振動(dòng)傳感器 等。
[0003] 光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)發(fā)展而另辟新徑的一種嶄新的 傳感技術(shù)。自從1978年發(fā)明在光纖中形成光致布喇格光柵以來，光纖光柵（FBG: Fiber Bragg Grating)在光纖通信和傳感中已得到廣泛應(yīng)用。光纖光柵首次被用于應(yīng)變和溫度 傳感實(shí)驗(yàn)以來，光纖光柵傳感器技術(shù)得到了持續(xù)的和快速的發(fā)展，成為光纖傳感領(lǐng)域中發(fā) 展最快、被關(guān)注度最高的技術(shù)。這是因?yàn)楣饫w光柵構(gòu)成的傳感器與其他光纖傳感器相比具 有很多突出的優(yōu)點(diǎn)。其主要的優(yōu)點(diǎn)包括：傳感元件體積小、輕巧隱蔽，可以把它置于很小的 空間，甚至嵌入到復(fù)合材料中；結(jié)合波分復(fù)用（WDM: Wavelength Division Multiplexing) 和時(shí)分復(fù)用（TDM: Time Division Multiplexing)以及空分復(fù)用（SDM，Space Division Multiplexing)技術(shù)，每個(gè)光纖通道中可以設(shè)置多個(gè)光纖光柵構(gòu)成準(zhǔn)分布式的傳感點(diǎn)，便于 空間組網(wǎng)，分辨精度高；光纖光柵作為傳感元件，輸出的是絕對波長量（它具有內(nèi)在的波長 度量刻度），可以作為絕對量的測量；利用復(fù)合子結(jié)構(gòu)光纖光柵的特殊光譜特性，可以制備 多參數(shù)智能傳感元件等。因此，光纖光柵傳感器特別適合于對大型市政工程、管道設(shè)施、航 天器、飛機(jī)、輪船、工業(yè)和生產(chǎn)設(shè)備等進(jìn)行健康安全監(jiān)測和自動(dòng)控制。
[0004] 光纖光柵傳感具有抗電磁干擾、靈敏度高、安全可靠、耐腐蝕、可進(jìn)行分布式測量、 便于組網(wǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用在一些特殊的場合，光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)發(fā) 展到了電力、石油、石化、交通和建筑等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。在公共安全、國防、工農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)、 環(huán)保等重大安全監(jiān)測領(lǐng)域也有著重要應(yīng)用。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0005] 本實(shí)用新型的目的是：提供一種靈敏度高，頻率范圍寬的，能選擇性地同時(shí)測量三 軸方向或其任一軸方向的振動(dòng)的光纖光柵振動(dòng)傳感器。
[0006] 在本實(shí)用新型的第一個(gè)方面，提供了一種光纖光柵振動(dòng)傳感器，包括：基座；和振 動(dòng)測量元件；以及光纖光柵；其中，振動(dòng)測量元件在軸向上安裝在基座的安裝面上；振動(dòng) 測量元件包括第一凸臺和第二凸臺；振動(dòng)測量元件的第一凸臺側(cè)的一端固定安裝在安裝面 上，振動(dòng)測量元件的第二凸臺側(cè)的一端懸空；并且光纖光柵在軸向上封裝在振動(dòng)測量元件 上，用于感測在該軸向上的振動(dòng)。
[0007] 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述基座被加工有三個(gè)相互垂直的安裝面，每個(gè)安裝面在 軸向上均安裝有一個(gè)振動(dòng)測量元件；三個(gè)安裝面上的三個(gè)振動(dòng)測量元件被安裝成在空間上 相互垂直；并且三個(gè)振動(dòng)測量元件所封裝的三個(gè)光纖光柵串接在一起。
[0008] 在上述優(yōu)選實(shí)施例中，三個(gè)振動(dòng)測量元件其中至少之一的凸臺的高度被不同地設(shè) 置，以便為光纖光柵振動(dòng)傳感器在相應(yīng)的軸向上提供相對應(yīng)的靈敏度。
[0009] 在上述優(yōu)選實(shí)施例中，所述光纖光柵通過引出光纖連接到光纖光柵解調(diào)儀，用于 傳遞所述光纖光柵感測到的振動(dòng)，以便光纖光柵解調(diào)儀計(jì)算各軸向的振動(dòng)量。
[0010] 在所述光纖光柵振動(dòng)傳感器的應(yīng)用中，所述光纖光柵振動(dòng)傳感器被安裝在鐵軌 下，用于測量鐵軌在三個(gè)軸向的振動(dòng)。
[0011] 在本實(shí)用新型的第二個(gè)方面，還提供了一種用于光纖光柵振動(dòng)傳感器的振動(dòng)測量 元件，其中所述振動(dòng)測量元件在軸向上安裝在光纖光柵振動(dòng)傳感器的基座的安裝面上；所 述振動(dòng)測量元件包括：懸臂梁彎曲中心層；第一凸臺和第二凸臺，位于懸臂梁彎曲中心層 上；和光纖光柵；其中所述光纖光柵在軸向上封裝在第一凸臺和第二凸臺上，用于感測在 該軸向上的振動(dòng)；振動(dòng)測量元件的第一凸臺側(cè)的一端用于固定安裝在安裝面上，振動(dòng)測量 元件的第二凸臺側(cè)的一端懸空。
[0012] 在本實(shí)用新型的第一個(gè)方面和第二個(gè)方面的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，其中第一凸臺和 第二凸臺高度相同，且根據(jù)不同的靈敏度需求選取不同的高度值，其中所述高度確定光纖 光柵振動(dòng)傳感器在軸向上的靈敏度的放大系數(shù)。
[0013] 在本實(shí)用新型的第一個(gè)方面和第二個(gè)方面的又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中， 第一凸臺和第二凸臺的高度S是振動(dòng)測量元件的懸臂梁的厚度h的N倍： <5 = Xh，其中N為大于零的數(shù)值。
[0014] 在本實(shí)用新型的第一個(gè)方面和第二個(gè)方面的再又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述N的取 值范圍在1 _3之間。
[0015] 在本實(shí)用新型的第一個(gè)方面和第二個(gè)方面的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述振動(dòng)測量 元件的懸臂梁的彎曲所引起的光纖光柵上的應(yīng)變表示為：
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 一種光纖光柵振動(dòng)傳感器（100)，包括： 基座（120);和 振動(dòng)測量元件（141、142、143);以及 光纖光柵（171、172、173); 其中， 振動(dòng)測量元件在軸向上安裝在基座的安裝面（131、132、133)上； 振動(dòng)測量元件包括第一凸臺和第二凸臺（211、212); 振動(dòng)測量元件的第一凸臺側(cè)的一端固定安裝在安裝面上，振動(dòng)測量元件的第二凸臺側(cè) 的一端懸空；并且 光纖光柵在軸向上封裝在振動(dòng)測量元件上，用于感測在該軸向上的振動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵振動(dòng)傳感器（100)，其中第一凸臺和第二凸臺高度 相同，且根據(jù)不同的靈敏度需求選取不同的高度值，其中所述高度確定光纖光柵振動(dòng)傳感 器在軸向上的靈敏度的放大系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖光柵振動(dòng)傳感器（100)，其中第一 凸臺和第二凸臺的高度S是振動(dòng)測量元件的懸臂梁的厚度h的N倍： 5 = ，其中N為大于零的數(shù)值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖光柵振動(dòng)傳感器（100)，其中所述N的取值范圍在1-3 之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖光柵振動(dòng)傳感器（100)，其中振動(dòng)測量元件的懸臂梁 (200)的彎曲所引起的光纖光柵（171、172、173、206)上的應(yīng)變表示為：
其中： h為懸臂梁的厚度； S為凸臺的高度； P為懸臂梁的曲率半徑； M為慣性力的力矩； E為懸臂梁材料的楊氏模量； J為懸臂梁的慣性矩； L為懸臂梁長度； F為懸臂梁受到的慣性力； b為懸臂梁的寬度； m為懸臂梁的末端等效質(zhì)量； a為外界振動(dòng)的加速度； N為凸臺的高度S除以懸臂梁的厚度h的比值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的光纖光柵振動(dòng)傳感器（100)，其中 所述基座被加工有三個(gè)相互垂直的安裝面，每個(gè)安裝面在軸向上均安裝有一個(gè)振動(dòng)測 量元件； 三個(gè)安裝面上的三個(gè)振動(dòng)測量元件被安裝成在空間上相互垂直；并且 三個(gè)振動(dòng)測量元件所封裝的三個(gè)光纖光柵串接在一起。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6中所述的光纖光柵振動(dòng)傳感器（100)，其中 三個(gè)振動(dòng)測量元件其中至少之一的凸臺的高度被不同地設(shè)置，以便為光纖光柵振動(dòng)傳 感器在相應(yīng)的軸向上提供相對應(yīng)的靈敏度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖光柵振動(dòng)傳感器（100)，其中 所述光纖光柵通過引出光纖（190)連接到光纖光柵解調(diào)儀，用于傳遞所述光纖光柵感 測到的振動(dòng)，以便光纖光柵解調(diào)儀計(jì)算各軸向的振動(dòng)量。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖光柵振動(dòng)傳感器（100)，其中 所述光纖光柵振動(dòng)傳感器被安裝在鐵軌下，用于測量鐵軌在三個(gè)軸向的振動(dòng)。
10. -種用于光纖光柵振動(dòng)傳感器（100)的振動(dòng)測量兀件（141、142、143)，其中所述 振動(dòng)測量元件在軸向上安裝在光纖光柵振動(dòng)傳感器的基座的安裝面（131、132、133)上； 所述振動(dòng)測量元件包括： 懸臂梁彎曲中心層（242); 第一凸臺和第二凸臺（211、212)，位于懸臂梁彎曲中心層上；和 光纖光柵； 其中所述光纖光柵在軸向上封裝在第一凸臺和第二凸臺上，用于感測在該軸向上的振 動(dòng)； 振動(dòng)測量元件的第一凸臺側(cè)的一端用于固定安裝在安裝面上，振動(dòng)測量元件的第二凸 臺側(cè)的一端懸空。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的振動(dòng)測量元件，其中第一凸臺和第二凸臺高度相同，且根 據(jù)不同的靈敏度需求選取不同的高度值，其中所述高度確定光纖光柵振動(dòng)傳感器在軸向上 的靈敏度的放大系數(shù)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的振動(dòng)測量元件，其中第一凸臺和第二凸臺的高度S是振 動(dòng)測量元件的懸臂梁的厚度h的N倍：5 = Nh ,其中N為大于零的數(shù)值。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的振動(dòng)測量元件，其中所述N的取值范圍在1-3之間。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的振動(dòng)測量元件，其中振動(dòng)測量元件的懸臂梁（200)的彎曲 所引起的光纖光柵（171、172、173、206)上的應(yīng)變表示為：
其中： h為懸臂梁的厚度； S為凸臺的高度； P為懸臂梁的曲率半徑； M為慣性力的力矩； E為懸臂梁材料的楊氏模量； J為懸臂梁的慣性矩； L為懸臂梁長度； F為懸臂梁受到的慣性力； b為懸臂梁的寬度； m為懸臂梁的末端等效質(zhì)量； a為外界振動(dòng)的加速度； N為凸臺的高度S除以懸臂梁的厚度h的比值。
【文檔編號】G01H9/00GK204165644SQ201420479869
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月25日
【發(fā)明者】毛獻(xiàn)輝, 姜婷, 翟江蘭, 叢宇殊 申請人:同方威視技術(shù)股份有限公司