[发明专利]光纤光栅振动位移传感器

说明书

一种光纤光栅振动位移传感器，其特征在于，该光纤光栅振动位移传感器包括：由前立面、后立面、左立面、右立面、顶面和底面围成的中空的外壳；安装于外壳的前立面和后立面上的转轴，转轴相对于外壳自由枢转；固定于底面并垂直向上延伸的膜片；卷簧的内端固定在转轴的前部，卷簧的外端与膜片的顶端连接，膜片的另一端固定在外壳的底面上；在转轴的后部固定设置有悬臂梁，悬臂梁左部与转轴固定连接，悬臂梁的右端固定连接质量块；水平布置的光纤光栅的一端与膜片上部固定连接，另一端穿过外壳左立面上的孔，并在孔中与外壳固定连接。

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种用于直接测量振动位移量的光纤光栅振动传感器。

背景技术

光纤光栅振动传感器是利用外界信号调制于光纤布拉格光栅，导致光纤布拉格光栅中应变发生变化，从而导致反射光的中心波长发生变化，通过探测中心波长的变化探测外界微弱振动信号的传感器。光纤光栅振动传感器相对于常规的电磁类传感器，在灵敏度、大动态范围、可靠性、复用能力等方面具有明显的优势，可应用于设备的振动监测、地震监测、振动安防等领域，成为高性能振动传感器发展的一个重要方向。

在常见的光纤光栅振动传感器中，主要测量振动的加速度量，但在某些应用场合，需要对振动的位移量进行测量。采用传统的光纤光栅振动传感器测量振动的位移量，一般通过对加速度量二次积分求得。但是通过加速度量二次积分求取位移量，一方面，积分运算本身会放大低频干扰，并导致较大的误差，特别是光纤光栅传感器本身对低频的环境、温度变化比较敏感，容易引入低频环境噪声，这些低频噪声经过积分放大，严重影响传感器的性能，另一方面，积分运算增加了系统的信号处理负担，对于实时信号监测，需要后端系统有较强的处理能力，实现实时积分运算。

因此，有必要设计一种对振动的位移量直接测量的光纤光栅位移振动传感器，以解决上述实际应用问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光纤光栅振动位移传感器，实现对振动信号位移量的直接测量。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种光纤光栅振动位移传感器，其特征在于，该光纤光栅振动位移传感器包括：由前立面、后立面、左立面、右立面、顶面和底面围成的中空的外壳；安装于外壳的前立面和后立面上的转轴，转轴相对于外壳自由枢转；固定于底面并垂直向上延伸的膜片；卷簧的内端固定在转轴的前部，卷簧的外端与膜片的顶端连接，膜片的另一端固定在外壳的底面上；在转轴的后部固定设置有悬臂梁，悬臂梁左部与转轴固定连接，悬臂梁的右端固定连接质量块；质量块用于拾取振动信号。水平布置的光纤光栅的一端与膜片上部固定连接，另一端穿过外壳左立面上的孔，并在孔中与外壳固定连接，用于测量振动信号。

本方案的具体特点还有，所述光纤光栅垂直于膜片，在光纤光栅上施加一定的初始预拉力。

所述卷簧中存在一定的预应力，以使质量块与卷簧构成的弹性系统，在传感器竖直放置时，处于平衡位置。

所述光纤光栅振动位移传感器通过调节质量块的质量来改变光纤光栅振动位移传感器的谐振频率，通过调节卷簧的弹性来改变光纤光栅振动位移传感器的灵敏度和谐振频率。

所述卷簧、悬臂梁和质量块组成弹性振动系统，当光纤光栅振动位移传感器随外界信号振动时，质量块由于惯性，短时间内仍保持原有静止状态，从而导致悬臂梁带动转轴旋转，带动卷簧拉伸，拉伸量与所测的振动位移成正比，卷簧拉伸产生的拉力同时传递给膜片和光纤光栅，导致光纤光栅波长发生变化，变化量与卷簧的拉伸量成正比，从而与光纤光栅振动位移传感器的振动位移成正比，通过检测光纤光栅波长变化量，可以还原振动位移量。