本發(fā)明屬于機(jī)械振動(dòng)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種靈敏度可調(diào)的光纖光柵加速度傳感器,特別適用于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中由于人行荷載作用下導(dǎo)致的樓板豎向振動(dòng)的監(jiān)測(cè)。

背景技術(shù)：

隨著光纖光柵傳感技術(shù)的發(fā)展，光纖光柵加速度傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用到土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中。傳統(tǒng)的電類傳感器，主要包括磁電式和電感式兩種傳感器。其中，磁電式傳感器最大的缺點(diǎn)是可探測(cè)的振動(dòng)頻率下限大于13Hz，因此需要專門(mén)設(shè)計(jì)的校正電路來(lái)降低它的可探測(cè)下限頻率。校正后，可測(cè)量的最低頻率為0.6Hz。人正常步行的頻率在1.6Hz和2.4Hz之間，當(dāng)人在樓面上正常行走時(shí)，同一房間內(nèi)的人感受到的樓板振動(dòng)頻率在3Hz到10Hz之間。光纖光柵可以測(cè)量的頻率范圍為0Hz到500Hz，靈敏度更高，性能優(yōu)勢(shì)明顯。除此之外，與傳統(tǒng)的電類傳感器相比，光纖光柵傳感器還具有以下：抗電磁干擾、靈敏度高、耐腐蝕、防水、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

目前研究的光纖光柵加速度傳感器大多都是將光柵粘貼到懸臂梁表面，當(dāng)質(zhì)量塊由于振動(dòng)從而帶動(dòng)懸臂梁發(fā)生應(yīng)變，粘貼在懸臂梁表面的光纖光柵的折射率和周期發(fā)生變化，進(jìn)而使光纖光柵的布拉格反射波長(zhǎng)漂移。通過(guò)解調(diào)儀解調(diào)后，讀出波長(zhǎng)漂移量便可以計(jì)算出振動(dòng)激勵(lì)的加速度值。傳感器的靈敏度系數(shù)和量程存在著如下關(guān)系：

Δλ_Bmax＝K_max×Y_max

光柵的最大波長(zhǎng)變化量為定值，大約為±2.4nm。目前大部分加速度傳感器的量程為±1.0g，當(dāng)傳感器的靈敏度提高時(shí)，也伴隨著傳感器的量程的縮小，此消彼長(zhǎng)。本傳感器通過(guò)質(zhì)量塊的滑動(dòng)可以調(diào)節(jié)靈敏度和量程，以滿足不同的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種靈敏度可調(diào)的光纖光柵加速度傳感器。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明一種靈敏度可調(diào)的光纖光柵加速度傳感器，包括殼體及設(shè)置于殼體內(nèi)的光纖光柵、L型轉(zhuǎn)軸、支撐架、質(zhì)量塊、等強(qiáng)度梁、連動(dòng)鋼軸和鋼片；

所述轉(zhuǎn)軸通過(guò)支撐架支撐在殼體底板上，其上貫穿一鋼片，一端連接在殼體端板上，另一端連接有質(zhì)量塊，所述質(zhì)量塊沿轉(zhuǎn)軸自由滑動(dòng)；

粘貼有光纖光柵的等強(qiáng)度梁固定在外殼的端板上，并與轉(zhuǎn)軸中心同一高度，等強(qiáng)度梁端部連接有運(yùn)動(dòng)鋼軸，所述運(yùn)動(dòng)鋼軸與轉(zhuǎn)軸上的鋼片邊緣連接。

進(jìn)一步地，所述轉(zhuǎn)軸為L(zhǎng)型轉(zhuǎn)軸。

進(jìn)一步地，所述加速度傳感器的

靈敏度公式為：

其中：α_g為外殼隨支座運(yùn)動(dòng)在x坐標(biāo)系中的加速度，λ_B為光纖光柵中心波長(zhǎng)，P_e為光纖的有效彈光系數(shù)，m為質(zhì)量塊的質(zhì)量，L為等強(qiáng)度梁的長(zhǎng)度，R為質(zhì)量塊到與光纖光柵平行的轉(zhuǎn)軸水平中心線的距離，E為彈性模量，B為等強(qiáng)度梁的寬度，h為等強(qiáng)度梁的厚度，r為鋼片的半徑。

進(jìn)一步地，所述支撐架由支桿和套置在轉(zhuǎn)軸上的圓環(huán)構(gòu)成。

進(jìn)一步地，所述質(zhì)量塊上還設(shè)置有固定質(zhì)量塊的調(diào)節(jié)螺栓，調(diào)節(jié)質(zhì)量塊在轉(zhuǎn)軸上的位置。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明通過(guò)質(zhì)量塊在L型轉(zhuǎn)軸上的滑動(dòng)來(lái)調(diào)整靈敏度和量程，以滿足實(shí)際使用中對(duì)靈敏度和量程的需求。靈敏度可調(diào)：當(dāng)監(jiān)測(cè)小幅振動(dòng)時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)整靈敏度，從而減小量程，提高測(cè)量精度?？垢蓴_性強(qiáng)：當(dāng)傳感器測(cè)量的樓板同時(shí)有橫向振動(dòng)和豎向振動(dòng)時(shí)，L型轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)可以有效降低橫向振動(dòng)的干擾，提高了樓板豎向振動(dòng)的測(cè)量精度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是等強(qiáng)度梁的平面圖。

圖4是本發(fā)明的工作原理示意圖。

圖5是本發(fā)明質(zhì)量塊滑動(dòng)示意圖。

圖中：1.光纖光柵，2.轉(zhuǎn)軸，3.支撐架，4.質(zhì)量塊，5.等強(qiáng)度梁，6.運(yùn)動(dòng)鋼軸，7.鋼片，8.底板，9.端板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

實(shí)施例：如圖1、圖2所示，本發(fā)明一種靈敏度可調(diào)的光纖光柵加速度傳感器，包括殼體及設(shè)置于殼體內(nèi)的光纖光柵1、L型轉(zhuǎn)軸2、支撐架3、質(zhì)量塊4、等強(qiáng)度梁5、連動(dòng)鋼軸6和鋼片7；

所述轉(zhuǎn)軸2通過(guò)支撐架3支撐在殼體底板8上，其上貫穿一鋼片7，一端連接在殼體端板9上，另一端連接有質(zhì)量塊4，所述質(zhì)量塊4沿轉(zhuǎn)軸2自由滑動(dòng)；

粘貼有光纖光柵1的等強(qiáng)度梁5固定在外殼的端板9上，并與轉(zhuǎn)軸2中心同一高度，等強(qiáng)度梁5端部連接有運(yùn)動(dòng)鋼軸6，所述運(yùn)動(dòng)鋼軸6與轉(zhuǎn)軸2上的鋼片7邊緣的小孔連接。所述轉(zhuǎn)軸2為L(zhǎng)型轉(zhuǎn)軸。

為提高該加速度傳感器對(duì)靈敏度及量程的個(gè)性化要求，所述加速度傳感器的靈敏度公式為：

其中：α_g為外殼隨支座運(yùn)動(dòng)在x坐標(biāo)系中的加速度，λ_B為光纖光柵中心波長(zhǎng)，P_e為光纖的有效彈光系數(shù)為0.22，m為質(zhì)量塊4的質(zhì)量為56.3g，L為等強(qiáng)度梁的長(zhǎng)度為60mm，R為質(zhì)量塊到與光纖光柵1平行的轉(zhuǎn)軸水平中心線的距離，E為彈性模量為2×10¹¹Pa，B為等強(qiáng)度梁的寬度為16mm，h為等強(qiáng)度梁的厚度為1mm，r為鋼片7的半徑為15mm，R為質(zhì)量塊4到與光纖光柵1平行的轉(zhuǎn)軸水平中心線的距離，本例R為45mm，當(dāng)質(zhì)量塊在最高檔位時(shí)，加速度傳感器量程為20Hz，靈敏度S＝229.73pm/g；當(dāng)傳感器在最低擋位時(shí)，加速度傳感器的量程位60Hz，靈敏度為76.58pm/g。

由上可見(jiàn)，通過(guò)設(shè)定R/r值，可根據(jù)被測(cè)物的具體情況選擇合適的靈敏度及相應(yīng)量程，從而達(dá)到優(yōu)化測(cè)量精度的目的，如圖3所示。

該公式的理論推導(dǎo)過(guò)程如下：

當(dāng)質(zhì)量塊受到來(lái)自地面a_g的振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力為ma_g，根據(jù)力矩平衡原理，經(jīng)過(guò)L型轉(zhuǎn)軸和鋼片傳遞后，作用到等強(qiáng)度梁懸臂端的力為由于R＞r，放大了慣性力，提高了傳感器的響應(yīng)強(qiáng)度。如4圖所示，光纖光柵加速度傳感器可以簡(jiǎn)化為由振動(dòng)質(zhì)量塊m、等強(qiáng)度懸臂梁的等效彈簧剛度k和阻尼C組成的二階單自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng)。x為空間固定坐標(biāo)，y為外殼的隨體坐標(biāo)，當(dāng)結(jié)構(gòu)隨支座處于振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，質(zhì)量塊與外殼產(chǎn)生y的相對(duì)位移。在y坐標(biāo)系中，質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)方程為

式中：m是質(zhì)量塊的質(zhì)量；a_g為外殼隨支座運(yùn)動(dòng)在x坐標(biāo)系中的加速度。所以，-m^a_g表示y坐標(biāo)系的慣性力。

上式兩邊同時(shí)除以m可以得到：

式中：阻尼比ζ,c_c為臨界阻尼；ω₀為懸臂梁－質(zhì)量塊系統(tǒng)的固有頻率。當(dāng)梁的三角形頂部受到F力作用時(shí)，梁的上下兩個(gè)表面處的軸向應(yīng)變?chǔ)啪鶆蚍植迹浯笮棣牛?Fl/Ebh²，且等強(qiáng)度梁的等效彈簧剛度為K＝Bh³E/6L³。由Δλ_B/λ_B＝(1-P_e)ε得

靈敏度為：

加速度與波長(zhǎng)的關(guān)系為

說(shuō)明加速度與波長(zhǎng)變化量成線性關(guān)系。

式中：P_e為光纖的有效彈光系數(shù)；λ_B為光纖光柵中心波長(zhǎng)。

所述支撐架3由支桿和套置在轉(zhuǎn)軸2上的圓環(huán)構(gòu)成。所述質(zhì)量塊4上還設(shè)置有固定質(zhì)量塊的調(diào)節(jié)螺栓。

本實(shí)用新型的工作原理：如圖4、圖5所示，把傳感器水平放置在樓板上，當(dāng)該光纖光柵加速度計(jì)受到來(lái)自地面的豎向振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，如圖4所示的等強(qiáng)度梁5、連動(dòng)鋼軸6、鋼片7、轉(zhuǎn)軸2和質(zhì)量塊4構(gòu)成了一個(gè)彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，質(zhì)量塊4以轉(zhuǎn)軸2為中心做輕微震動(dòng)，鋼片7帶動(dòng)鋼軸6使等強(qiáng)度梁5產(chǎn)生彎曲，光纖光柵粘貼在等強(qiáng)度梁5的受拉側(cè)，這樣光纖光柵1和等強(qiáng)度梁5協(xié)同變形，使得光纖光柵的中心波長(zhǎng)由于應(yīng)變而產(chǎn)生偏移，再通過(guò)解調(diào)讀出與加速度相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值。由于等強(qiáng)度梁5是線性彈性元件，所以理論上加速度與波長(zhǎng)增量是呈線性關(guān)系的。