阅读说明：本技术 一种温度不敏感的椭圆铰链光纤光栅加速度传感器 (Temperature-insensitive elliptical hinge fiber grating acceleration sensor ) 是由 梁磊 李自闯 王慧 许儒泉 徐刚 罗裴 吴慧峰 王永皎 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种温度不敏感的椭圆铰链光纤光栅加速度传感器,包括传感器壳体、芯体与两根光纤光栅,芯体由惯性质量块、椭圆柔性铰链和基座构成,惯性质量块关于柔性铰链对称且高于柔性铰链连接的另一侧,惯性质量块和与之相对的基座上下顶部均设有光纤沟槽,光纤穿过光纤沟槽从两边壳体的孔中出来,光纤在惯性质量块和基座中间刻写有光栅,柔性铰链为椭圆形柔性铰链,惯性质量块绕着柔性铰链发生相对位移,从而使光纤光栅产生相对位移。本设计体积小易于封装,具有较高的频率测量范围,且对温度不敏感。(The invention discloses a temperature-insensitive elliptical hinge fiber grating acceleration sensor, which comprises a sensor shell, a core body and two fiber gratings, wherein the core body consists of an inertial mass block, an elliptical flexible hinge and a base, the inertial mass block is symmetrical relative to the flexible hinge and is higher than the other side connected with the flexible hinge, the inertial mass block and the upper top and the lower top of the base opposite to the inertial mass block are respectively provided with a fiber groove, an optical fiber passes through the fiber grooves and comes out from holes of the shells at two sides, the optical gratings are engraved between the inertial mass block and the base, the flexible hinge is an elliptical flexible hinge, and the inertial mass block generates relative displacement around the flexible hinge, so that the fiber gratings generate relative displacement. The design has small volume, easy encapsulation, higher frequency measurement range and insensitivity to temperature.)

一种温度不敏感的椭圆铰链光纤光栅加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种加速度传感器，属于光纤传感技术领域，具体涉及一种温度不敏感的椭圆铰链光纤光栅加速度传感器。

背景技术

光纤布拉格光栅作为一种无源器件，相比于传统各类传感器具有体积小、重量轻、精度高、抗电磁干扰、波分复用、耐腐蚀、传输距离远、本质防爆、适用于恶劣环境等一系列优点，在航空航天、国防建设和健康检测等领域具有巨大的应用前景。加速度传感器以光纤布拉格光栅为传感元件，继承了光纤光栅的一系列优点，通过将外界的加速度信号转换成光纤光栅波长的漂移量来实现加速度信号的分布式测量。

现有光纤光栅加速度传感器多为悬臂梁式、膜片式和铰链式，但由于前两者固有频率低，只适用于建筑领域用于低频信号的测量，铰链式虽能满足高频段测量，但灵敏度较低，而且封装后体积和重量往往过大，小型化和高灵敏度是其发展方向。此外光纤光栅对温度和应变同时敏感，对于单栅的传感器还需额外进行温度补偿以剔除温度影响，加大了信号的检测难度。

上述技术信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种温度不敏感的椭圆铰链光纤光栅加速度传感器，本发明结构简单易于封装，减少了传感器整体封装工序，外形尺寸小，具有较高的频率检测范围和较高的灵敏度，且对温度不敏感。

本发明为解决上述技术问题所采取的解决方案是：一种温度不敏感的椭圆铰链光纤光栅传感器，包括传感器壳体、芯体与两根光纤光栅，所述芯体包括惯性质量块和椭圆柔性铰链，所述惯性质量块相对于柔性铰链对称且高于柔性铰链连接的另一侧，所述惯性质量块的上下顶部设有光纤沟槽，所述传感器壳体的两侧设有出线孔，出线孔和所述光纤沟槽位于同一条直线，光纤从基座一侧出线孔穿入经过基座和惯性质量块上的光纤沟槽，从另一侧出线孔穿出，光纤在惯性质量块和基座中间刻写有光栅，光栅两侧的光纤与光纤沟槽连接固定；所述的柔性铰链为椭圆形柔性铰链，所述椭圆铰链对称于惯性质量块且绕着柔性铰链发生相对位移，从而使两根光纤光栅同时产生应变。

于本发明的一个或多个实施例中，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。

于本发明的一个或多个实施例中，所述光纤光栅的栅区长度为5mm，中心波长为1535-1565nm。

于本发明的一个或多个实施例中，上光纤布拉格光栅和下光纤布拉格光栅中心波长间隔大于5nm。

于本发明的一个或多个实施例中，所述光纤通过胶粘结剂固定在光纤沟槽内，光栅位于基座顶部和惯性质量块之间，基座顶部和惯性质量块间距为6mm。

于本发明的一个或多个实施例中，所述椭圆柔性铰链的薄壁厚度为0.5-3mm。

于本发明的一个或多个实施例中，所述柔性铰链一侧惯性质量块高度高于另一侧，以实现增敏。

于本发明的一个或多个实施例中，所述芯体和端盖通过螺纹连接。

于本发明的一个或多个实施例中，所述传感器芯体材料为不锈钢。

于本发明的一个或多个实施例中，所述光纤沟槽设置于惯性质量块的上下两端的顶部中心，基座顶部也相应设有光纤沟槽。

本发明具有以下有益效果：

本发明基于椭圆柔性铰链结构，结构简单，减少了传感器整体封装工序，外形尺寸小，节省了安装空间，具有较高的频率测量范围，通过增加椭圆型单轴柔性铰链一端高度时有杠杆的效果，具有增敏作用，有利于增大传感器的灵敏度，基座顶部和惯性质量块间距与光栅长度相当，只允许光栅应变，避免应变传递降低灵敏度，在外界激励源的作用下，上下对称的惯性质量块绕着椭圆型柔性铰链发生微幅振动，带动上下两根光纤光栅反向运动，使用对称式柔性铰链替代传统悬臂梁或其他弹性体结构，有利于增大传感器的谐振频率，通过测量两根光纤光栅中心波长的相对变化量可倍增传感器的灵敏度，还可避免温度对传感器的影响，使得传感器对温度不敏感，尤其适用于高频域范围的加速度测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中，1-椭圆柔性铰链，2-惯性质量块，3-光纤沟槽，4-光纤，5-传感器壳体，6-壳体端盖，7-出线孔。

图2是本发明芯体的结构示意图。

图3是本发明传感单元尺寸参数图。

图4是本发明力学模型图。

具体实施方式

下面结合说明书的附图，通过对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确；且旨在解释本发明而不能理解为对本发明的限制。

参照图1-4所示出的，其本发明的实施例较佳地提供一种温度不敏感的椭圆铰链光纤光栅加速度传感器，包括传感器壳体5、芯体与两根光纤4，芯体包括惯性质量块2、椭圆柔性铰链1，惯性质量块2相对于柔性铰链对称且高于柔性铰链连接的另一侧，以实现增敏。惯性质量块2和与之相对的基座上下顶部均设有光纤沟槽3，传感器壳体6两侧设有出线孔7，出线孔7和光纤沟槽3位于同一条直线，光纤4从基座一侧出线孔穿7入经过基座和惯性质量块上的光纤沟槽3，从另一侧出线孔穿出，光纤在惯性质量块2和基座中间刻写有光栅，光栅两侧的光纤4与光纤沟槽3连接固定。

椭圆柔性铰链1对称分布的惯性质量块2且绕着柔性铰链发生相对位移，从而使两根光纤4光栅同时产生应变。本发明基于椭圆柔性铰链结构，结构简单，减少了传感器整体封装工序，外形尺寸小，节省了安装空间，具有较高的频率测量范围，通过增加椭圆型单轴柔性铰链一端高度时有杠杆的效果，具有增敏作用，有利于增大传感器的灵敏度，基座顶部和惯性质量块间距与光栅长度相当，只允许光栅应变，避免应变传递降低灵敏度，在外界激励源的作用下，上下对称的惯性质量块绕着椭圆型柔性铰链发生微幅振动，带动上下两根光纤光栅反向运动，使用对称式柔性铰链替代传统悬臂梁或其他弹性体结构，有利于增大传感器的谐振频率，通过测量两根光纤光栅中心波长的相对变化量可倍增传感器的灵敏度，还可避免温度对传感器的影响，使得传感器对温度不敏感，尤其适用于高频域范围的加速度测量，在此基础上，通过增加惯性质量块的重量或者改变柔性铰链的厚度可以增大传感器的灵敏度。

经以上实施例进行进一步的示例，可以单一或组合的方式组合于上述实施例的方案如下：

在一些示例中，光纤光栅为光纤布拉格光栅，光纤4布拉格光栅先在基座一侧固定，后经过适当预拉伸后，另一侧固定在惯性质量块端部，用胶粘结剂353ND固定在光纤沟槽内。

在一些示例中，光纤布拉格光栅的长度为5mm，中心波长为1535-1565nm。

在一些示例中，上光纤布拉格光栅和下光纤布拉格光栅中心波长间隔大于5nm。

在一些示例中，光纤通过胶粘结剂固定与光纤沟槽内。光栅位于基座顶部和惯性质量块之间，基座顶部和惯性质量块间距为6mm。

在一些示例中，椭圆型柔性铰链的薄壁厚度为0.5-3mm。

在一些示例中，惯性质量块关于椭圆柔性铰链对称。

在一些示例中，芯体和端盖通过螺纹连接。

在一些示例中，传感器传感单元材料为不锈钢。

在一些示例中，光纤沟槽设置于惯性质量块的上下两端的顶部中心，基座顶部也相应设有光纤沟槽，惯性质量块和基座上的光纤沟槽长度不小于6mm,深度为0.5mm，并将两端粘贴区域涂敷层用剥线钳剥除，长度在6mm左右但不得超过涂胶的长度，便于粘贴牢靠，长期可靠性高。惯性质量块最薄的地方应大于柔性铰链的薄壁厚度。惯性质量块和柔性铰链的厚度一致，厚度在8-13mm,小于端盖的宽度。

工作时，将光纤光栅加速度传感器固定在待测物体上，当有外界激励产生时，加速度传感器随着待测物体一起振动，从而导致惯性质量块相对柔性铰链发生微幅转动，转动时使得一根光纤光栅沿着轴向拉伸，另一根光纤光栅沿着轴向被压缩，轴向应变的变化使两根光纤光栅的中心波长发生变化，从而将外界的加速度信号转换成两根光纤光栅中心波长的相对漂移量，通过建立两根光纤光栅中心波长相对漂移量与加速度大小的线性关系，当解调到两根光纤光栅中心波长的相对漂移量时即可确定外界激励源的加速度值，同时还可以进行振动频谱分析。

本发明一种温度不敏感的椭圆铰链FBG加速度传感器的工作原理是：将光纤光栅加速度传感器固定在待测物体上，当有外界激励产生时，加速度传感器随着待测物体一起振动，从而导致惯性质量块相对柔性铰链发生微幅转动，转动时使得一根光纤光栅沿着轴向拉伸，另一根光纤光栅沿着轴向被压缩，轴向应变的变化使两根光纤光栅的中心波长发生变化，从而将外界的加速度信号转换成两根光纤光栅中心波长的相对漂移量，通过建立两根光纤光栅中心波长相对漂移量与加速度大小的线性关系，当解调到两根光纤光栅中心波长的相对漂移量时即可确定外界激励源的加速度值，同时还可以进行振动频谱分析。

建立被测物体加速度与两根光纤光栅相对波长漂移量之间的关系模型。

光纤光栅加速度传感器的灵敏度S为光纤光栅中心波长相对变化量Δλ和加速度a之间的比值：

对整个系统进行分析，由力矩平衡方程，可得：

惯性质量块的质心到椭圆铰链中心的距离为d，惯性质量块的高度为h，光纤的弹性系数为k，椭圆柔性铰链的刚度K，椭圆铰链的转动角度为θ，l为基座和惯性质量块上两光纤固定点间的距离。

光纤的弹性系数k为：

椭圆柔性铰链的刚度K为：

其中

E表示材料的弹性模量，w表示铰链的厚度，b表示椭圆铰链长半轴，s＝c/t，c表示椭圆铰链的短半轴，t表示铰链间最小厚度。

光纤光栅中心波长变化量与应变变化量的关系表达式为：

对于普通单模光纤，有效弹光系数为P_e＝0.22

由于惯性质量块关于柔性铰链对称，故Δε₁＝-Δε₂＝Δε

Δλ＝Δλ₁-Δλ₂＝(1-P_e)(λ₁+λ₂)Δε (9)

由于θ很小，θ≈sinθ，故

联立(1)(2)(9)得灵敏度S：

根据式(11)式即可由两个光纤光栅中心波长相对漂移量得到被测物体加速度的变化，从而得到振动信号。

尽管已经按上述的较佳实施例描述了本发明，但可能还存在落在本发明范围内的变更、置换和等同的方案；也可能存在多种替换方式来实现本发明；因此，旨在将所附权利要求书解释为包括落在本发明的真正精神和范围内的所有这样的变更、置换和等价方案；所属技术领域的技术人员应当理解，而本发明不局限于上述的具体实施方式。在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，应由各权利要求限定之。