双等强度悬臂梁光纤光栅振动传感器

摘要

一种双等强度悬臂梁光纤光栅振动传感器，在壳体的内左侧设置悬臂梁底座，相互平行片状的上悬臂梁和下悬臂梁的固定端与悬臂梁底座连为一体、自由端设置在质量块的上下两侧面，在质量块与上悬臂梁和下悬臂梁平面相平行的表面上各设置有一垂直于该表面的悬臂梁限位柱，壳体的开口端设置有外侧装有传感器接头的密封盖，密封盖上设置有穿过其中心和传感器接头中心的光纤保护套管，上悬臂梁和下悬臂梁固定端的宽度与自由端的宽度比至少为5，在上悬臂梁上表面设置有上传感光纤光栅、下悬臂梁下表面设置有下传感光纤光栅，上传感光纤光栅和下传感光纤光栅串接的输出端从光纤保护套管穿出。本发明具有良好的灵敏度、可靠性及稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，具体涉及一种用于测定物体振动幅度和频率的光纤光栅振动传感器。

背景技术

光纤光栅传感器是利用如应力、应变、温度等外界物理量的变化引起光纤有效折射率或光栅周期等参数的变化，从而导致光栅反射中心波长的变化，通过检测光栅反射中心波长的变化来获得外界物理量的变化。与传统的电类振动传感器相比，电类振动传感器输出的是弱电信号，容易受电磁干扰，不适宜在大型机电设备等强电磁场环境中工作，而且不能进行远距离传输，一般需要就近将弱模拟信号转换为数字信号，增加了传感器使用的成本，使用也不方便。光纤光栅振动传感器是波长调制型传感器，不但具有灵敏度高、动态范围宽、不受电磁干扰、抗腐蚀、传输损耗小、可靠性高、体积小、重量轻等特点，而且具有传感信号不受光源起伏、光路损耗等因素的影响，抗干扰能力强、传感探头结构简单、易于使用波分复用技术而形成分布式测量等特点。因此，光纤光栅在振动传感领域的应用引起了人们的广泛关注和极大兴趣，具有重要的学术研究价值和市场应用前景。

专利号为200510019733.0、发明名称为《可调谐匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器》的中国发明，公开了串接在一起的两个光纤光栅，刚性地粘贴于主梁和辅梁上，主梁上粘贴的光纤光栅为解调光栅，辅梁上粘贴的光纤光栅为传感光栅，两个梁采用相同的材料制成，具有相同的热膨胀系数，解调光栅和传感光栅中心波长随温度同步漂移，因而具有自动温度补偿功能，通过匹配滤波解调的方式，检测光通过两个光纤光栅后反射光的光强变化，从而监测被测物体的振动频率、振动幅度等参数。这种光纤光栅传感器由于振动只引起一个光栅的中心波长发生漂移，灵敏度较低；而且其结构为圆柱形，一旦封装好后，不易从外观上确定主梁的方向，容易造成主梁的振动与实际物体的振动方向不一致；此外，该专利未对梁的结构及光纤光栅粘贴的位置进行说明，这些因素容易引起光栅啁啾而导致传感器无法正常使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述振动传感器的缺点，提供一种稳定性和灵敏度高的光纤光栅振动传感器。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在壳体的内左侧设置有悬臂梁底座，片状的上悬臂梁和下悬臂梁相互平行，上悬臂梁固定端与悬臂梁底座的上表面连为一体、自由端设置在质量块的上表面，下悬臂梁的固定端与悬臂梁底座下表面连为一体、自由端设置在质量块的下表面上，在质量块上与上悬臂梁和下悬臂梁平面相平行的表面上各设置有一垂直于该表面的悬臂梁限位柱，壳体的开口端设置有外侧装有传感器接头的密封盖，密封盖上设置有穿过其中心和传感器接头中心的光纤保护套管。本发明的上悬臂梁和下悬臂梁的自由端宽度至少为2mm，固定端宽度与自由端的宽度比至少为5，在上悬臂梁上表面设置有上传感光纤光栅、下悬臂梁下表面设置有下传感光纤光栅，上传感光纤光栅和下传感光纤光栅串接后的输出端从光纤保护套管穿出。

本发明的上传感光纤光栅和下传感光纤光栅为掺锗光纤光栅，上传感光纤光栅和下传感光纤光栅的波长为1525～1620nm。

本发明的上传感光纤光栅与下传感光纤光栅的波长相同。

本发明的壳体为长方体结构，上悬臂梁和下悬臂梁与壳体的上下表面相平行。

本发明的上悬臂梁和下悬臂梁的厚度为0.5～1mm。

本发明应用光纤光栅的应变传感原理及光纤光栅的增敏技术，将两个裸光栅串接后封装在两片等强度的悬臂梁外表面上，当被测物体发生振动时，引起传感器内质量块的振动，在质量块的惯性力作用下，与质量块联接的两个悬臂梁的表面产生拉伸和压缩，使得粘贴于其上的两个传感光栅产生应变，与普通振动传感器相比，传感器的灵敏度有了很大提高；而且将双光栅封装在同一传感器内，两个光栅将处于同一温度环境下，解决了光纤光栅振动传感器的温度漂移问题，同时，在质量块的与振动方向相垂直的两表面上安装了位移限位装置，可以有效保护光栅，避免由于使用不当或偶然操作失误而造成的光纤光栅传感器的断裂损坏，大大提高了光纤光栅传感器的可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例1中悬臂梁与质量块的联接结构示意图。

图3是图2的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和各实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实施例的双等强度悬臂梁光纤光栅振动传感器由壳体1、上悬臂梁2、上传感光纤光栅3、悬臂梁限位柱4、密封盖5、光纤保护套管6、质量块7、下悬臂梁8、下传感光纤光栅9、悬臂梁底座10和传感器接头11联接构成。

如图1所示，在长方体结构的壳体1的左侧壁上用螺纹紧固联接件固定联接安装有悬臂梁底座10，上悬臂梁2固定端与悬臂梁底座10的上表面连为一体、自由端与质量块7的上表面连为一体，下悬臂梁8的固定端与悬臂梁底座10下表面连为一体、自由端与质量块7的下表面连为一体，上悬臂梁2和下悬臂梁8均为片状对称结构，并由相同的弹性材料制成，上悬臂梁2和下悬臂梁8的平面与壳体1任意一对相对的侧面相平行，联接在上悬臂梁2和下悬臂梁8自由端的质量块7受到振动时会上下运动，质量块7的运动方向垂直于上悬臂梁2和下悬臂梁8的上下平面。在上悬臂梁2外表面的对称中心线上用502胶或353ND胶或383胶粘贴有上传感光纤光栅3，在下悬臂梁9外表面的对称中心线上用502胶或353ND胶或383胶粘贴有下传感光纤光栅9，在质量块7上表面的中心位置和下表面的中心位置各安装有一个垂直于质量块7上、下表面的悬臂梁限位柱4，当质量块7上下振动时悬臂梁限位柱4可以对传感光纤光栅进行保护，避免由于使用不当或偶然操作失误造成的传感器悬臂梁断裂而破坏传感光纤光栅。本实施例的上传感光纤光栅3和下传感光纤光栅9为掺锗光纤光栅，上传感光纤光栅3和下传感光纤光栅9的波长为1525nm。在壳体1的开口端用螺钉固定安装有密封盖5，密封盖5与壳体1之间安装有密封圈。密封盖5外侧的中心位置用胶粘接有传感器接头11，密封盖5上粘贴有穿过其中心和传感器接头11中心的光纤保护套管6。上传感光纤光栅3和下传感光纤光栅9串接后输出端从光纤保护套管6穿出密封盖5。

如图2所示，上悬臂梁2和下悬臂梁8的联接在悬臂梁底座10上的固定端的宽度大于其自由端的宽度，即上悬臂梁2和下悬臂梁8的宽度沿自身对称中心线从固定端到自由端渐缩，本实施例中上悬臂梁2和下悬臂梁8均为铍青铜材料制成，具有很好的对称性，上悬臂梁2和下悬臂梁8的厚度为0.6mm、长度为60mm，上悬臂梁2和下悬臂梁9的自由端的宽度为2mm、固定端的宽度为10mm；悬臂梁限位柱4的长度可以根据悬臂梁的尺寸、材料而有所改变，以实现不同测量范围下对传感光纤光栅的保护。

实施例2

本实施例中，上悬臂梁2和下悬臂梁8采用不锈钢材料制成，上传感光纤光栅3和下传感光纤光栅9为掺锗光纤光栅，上传感光纤光栅3和下传感光纤光栅9的波长为1620nm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

本实施例中，上悬臂梁2和下悬臂梁8采用不锈钢材料制成，上传感光纤光栅3和下传感光纤光栅9为掺锗光纤光栅，上传感光纤光栅3和下传感光纤光栅9的波长为1550nm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例4

在以上的实施例1～3中，上悬臂梁2和下悬臂梁8的厚度为0.5mm，上悬臂梁2和下悬臂梁9的自由端的宽度为2mm、固定端的宽度为15mm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例5

在以上的实施例1～3中，上悬臂梁2和下悬臂梁8的厚度为1.0mm，上悬臂梁2和下悬臂梁9的自由端的宽度为2mm、固定端的宽度为20mm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

使用时，将本发明安装在被测物体上，当被测物体发生振动时，引起壳体1内质量块7的振动，在质量块7的惯性力作用下，上悬臂梁2和下悬臂梁8的表面产生拉伸和压缩，使得粘贴在上悬臂梁2外表面的上传感光纤光栅3和下悬臂梁8外表面的下传感光纤光栅9产生应变，最终引起两个光纤光栅布拉格中心波长的漂移，导致两个光纤光栅反射波长发生周期性的重叠，引起反射光强也发生周期性的变化；通过对反射光强的变化幅度和频率进行检测，从而检测出被测物体的振动幅度和频率。

本发明的工作原理如下：

将两个裸光纤光栅串接后封装在上悬臂梁2和下悬臂梁8外表面的对称中心线上，当被测物体发生振动时，质量块7也振动，在质量块7的惯性力作用下，上悬臂梁2和下悬臂梁8的表面产生拉伸和压缩，使得粘贴于上悬臂梁2上表面的上传感光纤光栅3和下悬臂梁8下表面上的下传感光纤光栅9产生应变。对于光纤布拉格光栅(FBG)，当上传感光纤光栅3和下传感光纤光栅9光纤光栅区受到轴向应变时，由于光纤材料的弹光效应和轴向伸缩，导致折射率和光纤光栅栅距的变化，中心反射波长变化量为：

Δλ_B＝(1-P_e)λ_B×ε                            (1)

式中P_e为光纤材料的有效弹光系数，ε为光纤光栅受到的轴向应变，λ_B为光纤光栅在自由状态下的布拉格反射波长。

对于粘贴于上悬臂梁2外表面的上传感光纤光栅3和下悬臂梁8外表面的下传感光纤光栅9，它们受到的应力相同但方向相反，则有：

Δλ_上＝(1-P_e)λ_上×ε                          (2)

Δλ_下＝-(1-P_e)λ_下×ε                         (3)

(3)式中的负号表示下传感光纤光栅9的应力方向与上传感光纤光栅3的应力方向相反。两光纤光栅的中心波长差为：

Δλ＝(λ_上+Δλ_上)-(λ_下+Δλ_下)＝2Δλ_上＝2Δλ_下

从上式可以看出，采用相同材料制作的上悬臂梁2和下悬臂梁8如果受到一定应力的作用，在上悬臂梁2外表面的上传感光纤光栅3和下悬臂梁8上的下传感光纤光栅9的波长差比单一光纤光栅的波长变化量相比大二倍，灵敏度得到提高。通过合理设置上传感光纤光栅3和下传感光纤光栅9静止时中心波长的大小，当上悬臂梁2和下悬臂梁8受到应力作用时，上传感光纤光栅3和下传感光纤光栅9中心波长在其光谱的线性区发生周期性的重叠，引起反射光强发生周期性的变化，这时，只要通过检测光强的变化幅度和频率就可以检测出被测物体的振动幅度和频率。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、采用等强度悬臂梁作为振动信号的传递元件，可以避免粘贴传感光纤光栅时对具体位置的苛刻要求，减少传感光纤光栅啁啾的可能性，降低封装的难度。

2、采用双悬臂梁结构，传感器受到振动时上悬臂梁2表面与下悬臂梁8表面的应变相反，分别粘贴在上悬臂梁2外表面的上传感光纤光栅3和下悬臂梁8外表面上的下传感光纤光栅9一个受拉、一个受压，因此，两个传感光纤光栅的中心波长差Δλ的变化率是一个传感光纤光栅的二倍，灵敏度更高。

3、采用将双传感光纤光栅封装在同一传感器壳体内，使上传感光纤光栅3和下传感光纤光栅9处于同一温度环境下，当上传感光纤光栅3和下传感光纤光栅9的中心波长受外界温度的影响而向同一方向发生漂移时，漂移值相同，即

Δλ_t上＝Δλ_t下，

式中Δλ_t上、Δλ_t下分别为上传感光纤光栅3和下传感光纤光栅9受温度影响而引起的中心波长的漂移，这样上传感光纤光栅3和下传感光纤光栅9的中心波长差

Δλ＝(λ_上+Δλ_t上)-(λ_下+Δλ_t下)＝λ_上-λ_下

与未受温度影响前相同，可有效地避免外界环境温度对振动信号的影响，实现了自动温度补偿。

4、在质量块7上的悬臂梁限位柱4来限制质量块7的振动范围，并根据不同的测量范围改变悬臂梁限位柱4的长度，既保证传感器工作于较大的测量范围，又能对传感光纤光栅进行有效保护，避免了由于使用不当或偶然操作失误造成的传感器悬臂梁断裂从而破坏传感光纤光栅，提高了传感器工作的可靠性和稳定性。