[发明专利]三维加速度测量的光纤光栅传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅加速度传感器，尤其涉及一种三维加速度测量的光纤光栅传感器。属于传感技术领域。

技术背景

光纤光栅传感具有尺寸小，重量轻，抗电磁干扰，复用性好等其它类型传感器不具备的优点，近年来发展迅速，各种光纤光栅传感产品得到开发并广泛应用。光纤光栅振动/加速度传感器在航空航天、大型机电设备，桥梁建筑等各个工程领域广泛应用并发挥重要作用。如孙汝娇等人提出的一种应用于桥梁健康监测的“L”型的振动传感器，利用“L”型杠杆结构将质量块振动转换为对光栅的拉伸，传感器具有很高的灵敏度，但对光栅的直接拉伸会导致光栅易被拉断，传感器寿命得不到保障。专利号为200720300082的中国专利“一种新型的光纤光栅高频加速度传感器”，以钢丝或钢管和质量块组成弹性系统，沿钢丝轴向振动，克服了悬臂梁型振动传感器频率响应速度低的缺点，且实现了温度自补偿。专利号200710177787.9的中国专利“一种光纤振动传感器”，采用传统的悬臂梁结构，外加阻尼系统，在高速动态信号下，传感器能真实反映待测信号，但阻尼系统易受温度影响，使传感器参数不稳定。专利号201010544589.3的中国专利“一种基于金属波纹管结构的光纤光栅加速度传感器”，将金属波纹管和一质量块封装在金属圆筒中，获得了很强的抗横向干扰能力及灵敏度，但传感器同样是对光栅直接拉伸，光栅寿命得不到保证。上述各种结构传感器均只能实现在单个方向上的测量，而很多实际工程中需测量三维方向上的振动及加速度量。目前市场上的多维振动传感器主要以压电、电容式为主，不具备光纤传感无源无电、抗电磁干扰、分布式测量等优点，且大都采用组合式结构，这样势必造成传感器体积过大、精度低，加工复杂。如S.R.K.Morikawa等人在其发表的“Triaxial Bragg Grating Accelerometer”一文中提出，在圆柱质量块三个方向上打孔，将三对光纤光栅穿过圆孔并用胶黏剂固定，可在实现三维振动测量，这种结构传感器工作时同样直接对光纤光栅进行拉压，灵敏度高但光栅易断。专利号200710151178.6的中国专利“光纤光栅三维加速度/振动传感器”采用三个悬臂梁组合实现三维测量，这种简单的拼装结构稳定性差、适用范围小、装配较为麻烦。专利号ZL200720021749.X的实用新型“三分量光纤光栅振动传感器”，将三个光纤光栅分别粘贴于三个橡胶块上，通过质量块对橡胶的作用力来改变光栅波长，该结构橡胶材料受温度影响较大，不具备温度自补偿功能，且被测物体的各个方向上的振动不能很好的传递给传感器，传感器输出信号容易失真。

发明内容

本发明提出了一种利用简单的“钢管-质量块”组成的“弹性结构体”和5个粘贴在钢管表面上的光纤光栅来实现三维加速度测量的光纤光栅加速度传感器。

本发明的技术方案如下：一种三维加速度测量的光纤光栅传感器，主要由钢管、质量块、五个光纤光栅、外壳基座及光缆输出保护接头组成；其钢管两端张拉固定在所述的外壳基座上，所述的质量块固定于所述的钢管中间位置，其中四个光纤光栅粘贴在所述的质量块一侧的钢管表面应变的最大处，分布在沿所述的钢管圆周呈90度方位角的位置上，粘贴方向沿钢管的轴向；另一个光纤光栅粘贴在所述的质量块另一侧钢管表面上，与前四个光栅中的某一个光栅相对称，五个光纤光栅串接在一起后两端光纤从光缆输出保护接头引出。

本发明的技术方案中，所述的五个光栅到质量块的距离相等。

本发明的技术方案中，所述的钢管两端张拉固定，质量块固定在钢管中间部组成的弹性结构体。弹性结构体在受迫振动作用下，钢管表面的应变随之变化，钢管表面圆周方位上不同位置的应变与弹性结构体的振动方向和大小有关，通过两两组合的光纤光栅对的波长差可以感测不同方向的振动加速度。为便于详细说明传感器三维加速度检测的工作原理，首先建立三维直角坐标系：以钢管轴线确定为Z轴，X轴、Y轴与Z轴垂直，Z轴方向与光纤光栅所在方向一致。当弹性结构体沿X轴或Y轴方向振动时，在钢管的圆周表面处在X轴或Y轴上相应的两个光纤光栅分别同时受到正负应变作用，二者的波长差值用来衡量这一方向的振动加速度，而处在Y轴或X轴上的两个光纤光栅的波长差没有变化；当弹性结构体沿Z轴方向振动时，在钢管上与Z轴方向一致的两个对称的光纤光栅受到正负应变作用，二者的波长差值用来衡量这一方向的振动加速度，X轴和Y轴方向没有应变变化。如果弹性结构体沿任意方向振动，可以将这种振动分解为X-Y-Z三个方向振动的矢量和，并分别加以检测。温度变化，引起光栅波长的变化方向一致，因此，以两个光纤光栅的波长差作为检测信号，可以消除温度变化的影响。