阅读说明：本技术 一种小型化具有温度补偿的光纤光栅加速度传感器及其测量方法 (A kind of miniaturization has the optical fibre grating acceleration sensor and its measurement method of temperature-compensating ) 是由 魏莉 姜达洲 余玲玲 李恒春 于 2019-08-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种小型化具有温度补偿的光纤光栅加速度传感器及其测量方法,包括上壳、下壳,位于上下壳之间的质量块,质量块两侧对称设置有两块矩形弹性板,质量块中部开设有螺纹孔,用于与螺杆连接,螺杆底部连接弹性主体,所述弹性主体包括两侧柱状外壁,柱状外壁之间设有一对支柱和位于中部的连接块,外壁与支柱之间、支柱与连接块之间均通过铰链连接,螺杆底部穿过弹性主体中部的连接块,弹性主体的两个支柱下表面均开设有光纤槽,弹性主体两侧外壁底部开设有光纤槽,传感器内设置有两根光纤。本发明传感器结构简单,体积小,频率高；具有体积小、耐高温、可在小空间内工作、可实现分布式检测等优点。(The present invention provides a kind of optical fibre grating acceleration sensor and its measurement method of the miniaturization with temperature-compensating, including upper casing, lower casing, mass block between upper lower casing, mass block two sides are symmetrically arranged with two blocks of Rectangular Elastic plates, threaded hole is offered in the middle part of mass block, for being connect with screw rod, screw rod bottom connects elastic body, the elastic body includes two sides cylindrical outer wall, a pair of posts and the link block positioned at middle part are equipped between cylindrical outer wall, between outer wall and pillar, it is connected by a hinge between pillar and link block, screw rod bottom passes through the link block in the middle part of elastic body, two pillar lower surfaces of elastic body offer optical fiber duct, elastic body two sides outer wall bottom offers optical fiber duct, two optical fiber are provided in sensor.Inventive sensor structure is simple, small in size, and frequency is high；Have many advantages, such as small in size, high temperature resistant, can work in small space, Distributed Detection can be achieved.)

一种小型化具有温度补偿的光纤光栅加速度传感器及其测量 方法

技术领域

本发明属于机械振动测量技术领域，具体涉及一种小型化具有温度补偿的光纤光栅加速度传感器及其测量方法。

背景技术

近年来，光纤光栅传感器在国内外得到的广泛的发展及运用，其在国防、国民经济等领域的振动测量越来越广泛。振动传感器可用振动加速度或振幅、频率来表征振动信号。现有的检测振动的方法依据检测振动信号的物理方式可分为电检测法、光检测法。电检测法使用电测加速度传感器，其利用质量块、弹性元件及转换元件来感知振动加速度。该类型的加速度主要又电容式、压电式、电磁感应式三种。但电检测法容易受到电磁的干扰、不利于远距离检测。在光检测法中光纤光栅加速度因其具有轻巧安全，易于实现遥测，抗电磁干扰能力强，耐高温耐腐蚀等优势获得了迅速的发展。当前光纤光栅振动加速度传感器主要使用膜片、弹性片、弹性梁等结构来承受加速度带来的外力，导致光纤光栅中心波长的漂移，利用解调仪获取光纤光栅波长的漂移量来测量加速度。虽然以弹性梁、膜片弹等结构作为弹性元件的加速度传感器可满足低频振动需求；但这种结构的动态特性受到结构体的刚度影响，整体结构尺寸偏大，不利于在小型空间进行安装并实施振动检测；此外大多数光纤光栅加速度传感器仅仅用于检测振动而无法实现温度与振动的同时加测。本发明拟设计一种小型化具有温度补偿的光纤光栅加速度传感器及其测量方法用于测量加速度信息，且传感器尺寸小、测量范围宽，可实现振动与温度的多参量测量。

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：

一种小型化具有温度补偿的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：包括上壳、下壳，位于上下壳之间的质量块，质量块两侧对称设置有两块矩形弹性板，质量块中部开设有螺纹孔，用于与螺杆连接，螺杆底部连接弹性主体，所述弹性主体包括两侧柱状外壁，柱状外壁之间设有一对支柱和位于中部的连接块，外壁与支柱之间、支柱与连接块之间均通过铰链连接，螺杆底部穿过弹性主体中部的连接块，弹性主体的两个支柱下表面均开设有光纤槽，弹性主体两侧外壁底部开设有光纤槽，传感器内设置有两根光纤，两根光纤其中一根通过预应力固定在两支柱底部光纤槽内，该光纤上刻有1号光栅-#1FBG，另一根光纤一端固定在一侧立柱底部光纤槽中，另一端从外壁底部光线槽内引出，该光纤上刻有2号光栅-#2FBG，通过解调设备获取光纤光栅中心波长的漂移量来得到振动加速度信息和环境温度的变化。

所述上壳为开口朝下的U型框，U型框两端底部与弹性主体两侧外壁顶部配合连接，质量块两侧的矩形弹性板外边缘固定在上壳与外壁之间。

所述铰链为中部窄两端宽的块体，通过四个铰链将两个外壁、两个支柱和一个连接块依次连接在一起。

一种小型化具有温度补偿的光纤光栅加速度传感器的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、测量时，传感器的下壳固定在被测物体上，保持下盖的底面与待测物体的表面安装在一起，使传感器的底面保持水平，当被测物体产生振动时，质量块在惯性的作用下Z轴上下移动，使弹性板产生变形，通过螺杆将弹性板的变形量传递给弹性主体中的连接块，使得连接块也沿Z轴上下移动，在连接块上下移动时，两个支柱绕着铰链沿Y轴向相反方向产生微小的转动，使得固定在支柱上的#1FBG获得中心波长的漂移；环境温度变化引起#2FBG中心波长的漂移；

步骤S2、建立被测物体加速度与#1FBG波长漂移量之间的关系模型；建立环境温度变化与#2FBG波长漂移量的关系模型。

所述步骤S2的具体步骤为：

步骤S21：在惯性的作用下，质量块将产生竖直向下惯性力m₂a_Z,该惯性力使弹性板以及弹性主体中的连接块产生相同的位移量，解除质量块受到的约束，该传感系统在质量块惯性力、光纤作用力以及铰链回复力作用下，依据达朗贝尔定理，其力学平衡方程为：

F＝F₁+F₂＝m₂a_Z (2)

上式中，F₁、F₂分别为弹性板、连接块对质量块的作用力；m₁、m₂分别为单个支柱、质量块的质量；a_Z为Z方向振动加速度；δl₁、δl₂、Δl_f分别为支柱、质量块以及光纤固定点一端的位移量；k_f为光纤轴向刚度系数；k₁为铰链转动刚度；β为铰链的扭转角；

在一定振动激励范围内，铰链的扭转角β较小，则支柱、质量块以及光纤固定点一端的位移量表达式分别为：

l₁＝(R+c₁/2)β (3)

l₂＝(c₁+2R)β (4)

式中，R为铰链的切割半径；c₁为支柱的长度；h₁为铰链以下支柱的高度；l_f为光纤两固定端点的距离；α为光纤内侧固定点与铰链转动中心连接线在Z向的夹角，b₁为支柱的宽度；c₂、b₂、h₂分别为质量块的长度、宽度、高度；假定ρ₁、ρ₂分别为支柱和质量块的材料密度，其质量表达式分别为：

m₁＝ρ₁(2R+t+h₁)c₁b₁ (6)

m₂＝ρ₂(c₂b₂h₂) (7)

光纤两固定端点的距离为：l_f＝2R+c₄ (8)

式中，c₄为连接块的长度，光纤在此处可以看作为一根弹簧，结合光纤轴向刚度系数与光纤光栅两固定端点距离的关系，其刚度表达式为：

式中，E_f光纤拉伸弹性模量；A_f为光纤横截面面积；

R、b、t分别为铰链结构的切割半径、宽度、厚度；铰链作为弹性主体中的一个重要部件，当质量块借助螺杆将运动传递给连接块，连接块上下移动使得两个支柱绕着铰链产生微小转动，从而使得粘贴在支柱光纤槽中的光纤光栅产生轴向的变形量，所以铰链结构的转动刚度k₁是影响传感器性能的重要参数，根据铰链刚度的经验公式，求得铰链的转动刚度，即

式中，q_m为铰链的圆心角；E为柔性铰链材料的弹性模量；f₂为中间变量，其表达式为：

其中，i＝R/t；

采用矩形弹性板有利于减小横向的振动干扰，其刚度表达式为：

式中，E₁为矩形弹性板材料的弹性模量；l₅、b₅、h₅分别为矩形弹性板的长度、宽度、高度；质量块两侧的弹性板可视为并联连接，弹性板的总刚度为2k₂；

联立上式，铰链的微小扭转角β为：

支柱上光纤固定点一端的水平位移量Δl_f为：

设两支柱上光纤固定端点的间距为l_f，矩形柔性梁的宽度为b，一号光栅#1FBG的轴向应变Δε₁为：

步骤S22：根据光纤光栅的应变、温度传感机理，#1FBG的中心波长漂移量与应变和温度的关系为：

式中，λ₁为施加一定预应力后的1号光栅的中心波长；Δλ₁为光纤光栅的中心波长漂移量；Δε₁为光纤光栅的应变量；p_e为光纤的弹光系数；α_f为光纤的热膨胀系数；ξ_f为光纤的热光系数；Δt为传感器工作环境的温度变化量；

同理，#2FBG的中心波长漂移量与温度的关系为：

联立上式，可以得到#1FBG因振动而引起的中心波长漂移量Δλ‘₁与其应变Δε₁的关系式：

步骤S23：根据步骤S21和步骤S22的表达式得到传感器Z轴方向的灵敏度S_Z为:

步骤S24：根据步骤22和步骤23的表达式可得到被测物体沿Z轴方向的加速度为：

即由光纤光栅的波长漂移量得到被测物体的加速度振动信号。

本发明具有如下优点：

本发明传感器结构简单，体积小，频率高；建立起加速度与长周期光纤光栅波长量之间的关系，通过测量光纤光栅的波长变化即可获得振动信号的加速度信息；采用矩形弹性板使得传感器工作更加稳定；以弹性主体作为弹性元件，可实现振动与温度多参量同时检测；具有体积小、耐高温、可在小空间内工作、可实现分布式检测等优点。

附图说明

图1是本发明传感器结构立体图；

图2是本发明传感器的弹性板和质量块一体化结构图；

图3是本发明传感器的弹性主体的立体图；

图4是本发明传感器的矩形柔性梁-质量块-弹性主体的受力变形示意图；

图中：1.上壳；2.质量块；3.螺杆；4.弹性主体；5.光纤；6.下壳；7.一号光栅(#1FBG)；8.二号光栅(#2FBG)，9.胶体；3-1连接块；3-2.外壁；3-3.铰链；3-4.支柱。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1-4所示，一种小型化具有温度补偿的光纤光栅加速度传感器，其特征在于：包括上壳1、下壳6，位于上下壳之间的质量块2，质量块两侧对称设置有两块矩形弹性板，质量块2中部开设有螺纹孔，用于与螺杆3连接，螺杆底部连接弹性主体4，所述弹性主体4包括两侧柱状外壁3-2，柱状外壁之间设有一对支柱3-4和位于中部的连接块3-1，外壁与支柱之间、支柱与连接块之间均通过铰链3-3连接，螺杆3底部穿过弹性主体中部的连接块，弹性主体的两个支柱下表面均开设有光纤槽，弹性主体两侧外壁底部开设有光纤槽，传感器内设置有两根光纤，两根光纤其中一根通过预应力固定在两支柱底部光纤槽内，该光纤上刻有1号光栅(#1FBG)7，另一根光纤一端固定在一侧立柱底部光纤槽中，另一端从外壁底部光线槽内引出，该光纤上刻有2号光栅(#2FBG)8，

上壳1为开口朝下的U型框，U型框两端底部与弹性主体两侧外壁顶部配合连接，质量块两侧的矩形弹性板外边缘固定在上壳与外壁之间。

质量块2与矩形弹性板为一体化结构，质量块中间带有螺纹孔，用于与螺杆3连接，质量块2在惯性作用下沿着Z轴上下移动使得弹性板产生微小变形；

螺杆3通过螺纹结构将质量块2与弹性主体4中的连接体固定连接，同时可以将弹性板的变形量传递给弹性主体中支柱，使得支柱自由端产生沿Y轴的位移量；

铰链3-3为中部窄两端宽的块体，通过四个铰链将两个外壁、两个支柱和一个连接块依次连接在一起。

一种小型化具有温度补偿的光纤光栅加速度传感器的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、测量时，传感器的下壳固定在被测物体上，保持下盖的底面与待测物体的表面安装在一起，使传感器的底面保持水平，当被测物体产生振动时，质量块在惯性的作用下Z轴上下移动，使弹性板产生变形，通过螺杆将弹性板的变形量传递给弹性主体中的连接块，使得连接块也沿Z轴上下移动，在连接块上下移动时，两个支柱绕着铰链沿Y轴向相反方向产生微小的转动，使得固定在支柱上的#1FBG获得中心波长的漂移；环境温度变化引起#2FBG中心波长的漂移；

步骤S2、建立被测物体加速度与#1FBG波长漂移量之间的关系模型；建立环境温度变化与#2FBG波长漂移量的关系模型。

所述步骤S2的具体步骤为：

步骤S21：在惯性的作用下，质量块将产生竖直向下惯性力m₂a_Z,该惯性力使弹性板以及弹性主体中的连接块产生相同的位移量，解除质量块受到的约束，该传感系统在质量块惯性力、光纤作用力以及铰链回复力作用下，依据达朗贝尔定理，其力学平衡方程为：

F＝F₁+F₂＝m₂a_Z (2)

上式中，F₁、F₂分别为弹性板、连接块对质量块的作用力；m₁、m₂分别为单个支柱、质量块的质量；a_Z为Z方向振动加速度；δl₁、δl₂、Δl_f分别为支柱、质量块以及光纤固定点一端的位移量；k_f为光纤轴向刚度系数；k₁为铰链转动刚度；β为铰链的扭转角；

在一定振动激励范围内，铰链的扭转角β较小，则支柱、质量块以及光纤固定点一端的位移量表达式分别为：

l₁＝(R+c₁/2)β (3)

l₂＝(c₁+2R)β (4)

式中，R为铰链的切割半径；c₁为支柱的长度；h₁为铰链以下支柱的高度；l_f为光纤两固定端点的距离；α为光纤内侧固定点与铰链转动中心连接线在Z向的夹角，b₁为支柱的宽度；c₂、b₂、h₂分别为质量块的长度、宽度、高度；假定ρ₁、ρ₂分别为支柱和质量块的材料密度，其质量表达式分别为：

m₁＝ρ₁(2R+t+h₁)c₁b₁ (6)

m₂＝ρ₂(c₂b₂h₂) (7)

光纤两固定端点的距离为：l_f＝2R+c₄ (8)

式中，c₄为连接块的长度，光纤在此处可以看作为一根弹簧，结合光纤轴向刚度系数与光纤光栅两固定端点距离的关系，其刚度表达式为：

式中，E_f光纤拉伸弹性模量；A_f为光纤横截面面积；

R、b、t分别为铰链结构的切割半径、宽度、厚度；铰链作为弹性主体中的一个重要部件，当质量块借助螺杆将运动传递给连接块，连接块上下移动使得两个支柱绕着铰链产生微小转动，从而使得粘贴在支柱光纤槽中的光纤光栅产生轴向的变形量，所以铰链结构的转动刚度k₁是影响传感器性能的重要参数，根据铰链刚度的经验公式，求得铰链的转动刚度，即

式中，q_m为铰链的圆心角；E为柔性铰链材料的弹性模量；f₂为中间变量，其表达式为：

其中，i＝R/t；

采用矩形弹性板有利于减小横向的振动干扰，其刚度表达式为：

式中，E₁为矩形弹性板材料的弹性模量；l₅、b₅、h₅分别为矩形弹性板的长度、宽度、高度；质量块两侧的弹性板可视为并联连接，弹性板的总刚度为2k₂；

联立上式，铰链的微小扭转角β为：

支柱上光纤固定点一端的水平位移量Δl_f为：

设两支柱上光纤固定端点的间距为l_f，矩形柔性梁的宽度为b，一号光栅#1FBG的轴向应变Δε₁为：

步骤S22：根据光纤光栅的应变、温度传感机理，#1FBG的中心波长漂移量与应变和温度的关系为：

式中，λ₁为施加一定预应力后的1号光栅的中心波长；Δλ₁为光纤光栅的中心波长漂移量；Δε₁为光纤光栅的应变量；p_e为光纤的弹光系数；α_f为光纤的热膨胀系数；ξ_f为光纤的热光系数；Δt为传感器工作环境的温度变化量；

同理，#2FBG的中心波长漂移量与温度的关系为：

联立上式，可以得到#1FBG因振动而引起的中心波长漂移量Δλ‘₁与其应变Δε₁的关系式：

步骤S23：根据步骤S21和步骤S22的表达式得到传感器Z轴方向的灵敏度S_Z为:

步骤S24：根据步骤22和步骤23的表达式可得到被测物体沿Z轴方向的加速度为：

即由光纤光栅的波长漂移量得到被测物体的加速度振动信号。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。