[发明专利]一种光纤光栅温度自补偿型加速度传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤光栅温度自补偿型加速度传感器。

背景技术

加速度传感器是大型机械设备，运输工具，振动测量、地震监测、导航与制导等领域中常用的重要传感器。由于光纤光栅(Fiber BraggGrating-FBG)采用波长编码，并可以采用各种复用技术实现多点及网络化传感系统且具有抗电磁干扰、体积小、质量轻、动态范围大、能在恶劣环境下工作等优良特性，因而倍受发达国家军事与工程领域的青睐。近年来，利用光纤光栅实现对加速度测量的加速度传感器已经出现了多种结构形式。

Berkoff等人于1996年提出了一种光纤光栅振动加速度计的设计，此结构利用OFBG的压力效应，但由于被测物体在振动过程中容易导致光栅的双折射，致使反射谱的谱峰分裂，降低了此设计的光纤光栅加速度传感器的测量精度。

Todd等人于1998年开发出了基于双挠性梁的光纤光栅加速度传感器。由于选用双挠性梁作为传感器的弹性元件，此设计有利于降低传感器的横向串扰问题，但由于传感光纤光栅产生了非均匀应变，致使加速度传感器的测量精度降低。

Mita于2000年提出了一种由L型悬臂梁、质量块和弹簧片构成的新型光纤光栅加速度传感器。为了避免光纤光栅产生不均匀应变，该结构中采用了对光纤光栅预拉伸后直接固定在L型悬臂梁上的方式，选用弹簧片的目的是为了消除传感器的横向串扰问题。该结构传感器的谐振频率约为45Hz。

TengLi等人于2006年设计了主梁与微梁相结合的差动式光纤光栅加速度传感器。此结构的最大特点是传感器的灵敏度和谐振频率互补影响，即增加传感器的谐振频率的同时不会以牺牲其灵敏度为代价。

Chen Zhengbin等人于2008年提出了基于D型光纤光栅加速度传感器。然后将进过特殊处理的光纤光栅封装在等强度悬臂梁上，由于D型光纤光栅比普通光纤光栅的弯曲灵敏度要高很多，因此这种基于D型光纤光栅的加速度传感器要比刘波等人提出的基于等强度悬臂梁的光纤光栅加速度传感器的灵敏度高出许多。

张东生等人于2009年提出了基于毛细钢管结构的光纤光栅加速度传感器。他将两根光纤光栅串联熔接后封装在毛细钢管的内壁，质量块穿过钢管固定在两个光纤光栅中间，由于钢管的刚度系数非常大，因此此种封装方式的谐振频率非常高，

同年，Wang Yongjie等人提出了基于活塞结构的光纤光栅加速度传感器。在此结构中，他采用金属弹簧作为加速度传感器的弹性敏感元件，以光纤光栅作为传感元件。此种活塞式结构很好的避免了交叉串扰的问题。

但是，以等强度梁悬臂式结构为基础，通过光栅布置方法的改进而制成的温度自补偿型加速度传感器几乎为零。本发明中，通过在等强度梁上下表面分别粘贴光纤光栅并使之串联在一起，实现了测量加速度时的温度自补偿，即环境温度的变化不会对测量结果产生影响。这种光纤光栅温度自补偿加速度传感器具有很高的测量精度，并且与普通加速度传感器相比，稳定性更高，抗干扰能力更强，从而，可将其应用于温度变化大，环境条件恶劣的测量环境中。现有的光纤光栅加速度传感器因存在各种不足，限制了其使用，如采用复杂的结构形式，未考虑环境因素的影响，或者考虑了环境因素的影响，但补偿效果不理想等等。因此，研究和开发新型的光纤光栅加速度传感器有十分重要的社会经济意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在等强度梁悬臂式结构中通过在梁的上下表面轴心处粘贴光纤光栅，在测量过程中可直接消去环境温度变化对光纤光栅变形的影响，即温度自补偿型光纤光栅加速度传感器。

本发明的目的是这样实现的：

一种光纤光栅温度自补偿型加速度传感器，包括等强度梁、两根光纤光栅、金属支座、金属保护外壳和质量块，其特征在于：所述的等强度梁形状为三角形，其横截面为矩形；等强度梁的一端与支座固定连接，第一号光纤光栅和第二号光纤光栅分别粘贴在等强度梁上下表面的轴线上，并将第一号和第二号光纤光栅串联熔接，等强度梁的另外一端固定连接有质量块，金属保护外壳将等强度梁和质量块封装在内，在测量中，由于环境温度变化使光纤光栅产生的中心波长变化量通过下面的方法进行消除，进而求得实际应变导致的波长变化量，从而实现温度的自补偿功能；

方法如下：