[发明专利]一种基于U型槽结构的FBG二维加速度传感器及其测量方法

说明书

本发明提供一种基于U型槽结构的FBG二维加速度传感器及其测量方法，包括上壳体和下壳体、位于上下壳体中部的芯体和若干光纤、光栅，所述芯体包括上下依次连接的上部惯性体，中部主体和下部底座，芯体的中部主体上下分别开设有两对背向设置的U型槽结构，上下两对U型槽的开口方向垂直，底座和上下两对U型槽的轴线位置开有竖直设置的方形通孔，惯性体和底座周向外表面都均匀地开设有四个光纤槽，四根光纤通过施加一定的预应力安装到光纤槽内，四根光纤内均刻有光栅，四根光栅处于相邻两两垂直的方向，方便用于检测两个垂直方向上的振动。该传感器具有温度补偿的效果、精确测量合加速度、抗电磁干扰、结构简单、体积小、分布式测量等优点。

技术领域

本发明属于机械振动测量技术领域，具体涉及一种基于U型槽结构的FBG(光纤光栅)二维加速度传感器及其测量方法。

背景技术

光纤光栅传感器因其显著的优点而得到广泛的关注，例如轻便安全，抗电磁干扰，耐腐蚀、远距离测量。现有的光纤光栅二维振动加速度传感器主要有以下两类，一是弹性梁等结构的加速度传感器，该类型的传感器灵敏度小、结构尺寸偏大，难以保证各个方向灵敏度相同，使得合成的总加速度测量不够精确；二是直接采用光纤光栅作为弹性元件制作成的加速度传感器，此类加速度传感器虽然结构简单，体积小，但两个测量方向的工作频率范围、灵敏度相差较大，且光纤自身比较脆弱，易损坏，导致此类传感器的重复性较差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种基于U型槽结构的FBG二维加速度传感器，包括上壳体和下壳体、位于上下壳体中部的芯体和若干光纤、光栅，其特征在于：所述芯体包括上下依次连接的上部惯性体，中部主体和下部底座，芯体的中部主体上下分别开设有两对背向设置的U型槽结构，上下两对U型槽的开口方向垂直，底座和上下两对U型槽的轴线位置开有竖直设置的方形通孔，下壳体通过其内部轴线上的长方柱与底座内的方形孔配合固定，上壳体与下壳体通过螺纹固定，上壳体的表面设置有四个小孔，惯性体和底座周向外表面都均匀地开设有四个光纤槽，四根光纤通过施加一定的预应力安装到光纤槽内，光纤通过上壳体表面的小孔穿出，四根光纤内均刻有光栅，光栅处在惯性体和底座的之间空隙处，四根光栅处于相邻两两两垂直的方向，方便用于检测两个垂直方向上的振动。

为了进一步使得芯体与下壳体固定，所述下壳体底部和底座上分别设有四个相配合的螺纹孔，借助螺钉将两者连接固定。

所述芯体采用304不锈钢材料制得。

所述芯体为一体成型结构，其中惯性体包括上方圆柱体和下方向下收缩的锥型圆台，芯体中部主体上端与锥型圆台底部衔接，下端与底座衔接。

所述光纤嵌设在光纤槽内后通过胶体4进一步固定。

所述四根光栅包括位于X轴连线方向的两根光栅：1号光栅-#1FBG、3号光栅#3FBG，用于检测X轴方向的振动，位于Y轴连线方向的两根光栅：2号光栅-#2FBG、4号光栅#4FBG，用于检测Y轴方向的振动。

一种基于U型槽结构的FBG二维加速度传感器的测量方法，其特征在于，包括如下过程：测量时，将传感器固定在待测物体的表面，并且保持传感器的底面处于水平位置，当传感器受到外界的振动激励时，在惯性作用之下，传感器的惯性体绕着U型槽微小转动，惯性体产生的竖直位移量使得与惯性体的光纤槽固定的光纤发生拉伸或者压缩，引起光栅中心波长漂移，通过解调仪测出光栅中心波长的漂移量，从而建立外界激励加速度和光栅中心波长漂移量的对应关系，由此得到振动加速度的振动信息。

本发明具有如下优点：

本发明不同于以往的弹性梁式、光纤光栅式等振动传感器，本发明采用了U型槽结构作为弹性元件，在具有高的固有频率的同时提高灵敏度，在所选择的频率范围内，各向灵敏度相同，能够精确测量两相加速度；本发明结构简单，采用光纤光栅作为传感元件，易于实现遥测，具有抗电磁干扰、体积小、分布式测量，还具有温度补偿的效果等优点。