阅读说明：本技术 一种基于飞秒光纤光栅的加速度传感器 (Acceleration sensor based on femtosecond fiber bragg grating ) 是由 赵德春 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于飞秒光纤光栅的加速度传感器,其包括：悬浮系统、质量块、传输支撑臂、柔性铰链、杠杆支撑臂、光纤光栅和框架。本发明实现了光纤光栅加速度传感器的工业化生产,将工作频率提高到2000Hz以上,灵敏度提高到80pm/g。本发明采用一种U型结构的悬浮系统,让质量块悬浮在中央。U型结构的悬浮系统可确保其运动方向与测试方向相同,杜绝其他方向的振动对测试方向的影响。本发明采用杠杆原理,将质量块的移动通过杠杆来放大,提高了加速度传感器的灵敏度。本发明采用可调整质量的杠杆支撑臂来提高加速度传感器的本征频率,提高了传感器的工作频率。(The invention provides an acceleration sensor based on a femtosecond fiber grating, which comprises: the device comprises a suspension system, a mass block, a transmission supporting arm, a flexible hinge, a lever supporting arm, a fiber grating and a frame. The invention realizes the industrial production of the fiber grating acceleration sensor, improves the working frequency to more than 2000Hz and improves the sensitivity to 80 pm/g. The invention adopts a suspension system with a U-shaped structure, so that the mass block is suspended in the center. The suspension system with the U-shaped structure can ensure that the motion direction of the suspension system is the same as the test direction, and the influence of vibration in other directions on the test direction is avoided. The invention adopts the lever principle, amplifies the movement of the mass block through the lever, and improves the sensitivity of the acceleration sensor. The invention adopts the lever supporting arm with adjustable mass to improve the eigenfrequency of the acceleration sensor and improve the working frequency of the sensor.)

一种基于飞秒光纤光栅的加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其涉及加速度传感器。

背景技术

传统的电子加速度计容易受到电磁干扰，产生噪音，本质上会导致测量的不准确。基于飞秒激光刻写的光纤光栅加速度传感器，本质上防爆防电磁干扰，非常适合应用于振动监测。

加速度传感器可应用于各种场合，如：测振动、振幅、运输监控、称重传感器的振动补偿、风力涡轮机上的预防维护及最大振动监控。

目前所有的基于光纤光栅的加速度传感器，使用的都是I型光栅。

目前基于光纤光栅的加速度传感器的机构分为两大类：

2.1第一类由悬臂梁和质量块组成。光纤光栅贴在悬臂梁的表面。当传感器发生振动，质量块在惯性力的作用下会导致悬臂梁发生变形，从而引起光纤光栅中心波长发生变化。

2.2第二类基于柔性铰链技术。质量块固定在柔性铰链上，质量块随着柔性铰链产生微幅振动，从而引起光纤光栅中心波长的变化。

已有技术存在以下问题：

可靠性差。由于I型光纤光栅需要首先剥离光纤的涂覆层，再通过紫外光刻写光栅，造成光纤抗拉力的损伤。此I型光栅本质上来说无法适用于高强度、高频率的振动。

基于悬臂梁和质量块结构的加速度传感器，响应频率低，灵敏度低且不平坦。

基于柔性铰链技术的加速度传感器，由于质量块都直接作用于铰链结构，无法获得千赫兹级别的频率响应和大的灵敏度。

以上两种结构的加速度传感器由于结构的缺陷，都会产生反向串扰。当测量某个方向的振动时，其他方向的振动会导致测量的不准确。

发明内容

为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种基于飞秒光纤光栅的加速度传感器，其包括：悬浮系统、质量块、传输支撑臂、柔性铰链、杠杆支撑臂、光纤光栅和框架；

所述悬浮系统包括两对U型的片弹簧和一个水平片弹簧，两对U型的片弹簧分别为第一对U型的片弹簧和第二对U型的片弹簧，所述质量块连接在中心的U型片弹簧的两个脚上，中心的U型片弹簧即为第一对U型的片弹簧；中心的U型片弹簧通过水平的片弹簧与外部的U型片弹簧连接，外部的U型片弹簧即为第二对U型的片弹簧；外部的U型片弹簧的两个脚连接在所述框架上；所有片弹簧设计为相同的弹力系数；

所述质量块位于所述悬浮系统的中央，所述悬浮系统中两对U型片弹簧和一对水平片弹簧确保所述质量块只沿着测量方向运动；

所述传输支撑臂将所述悬浮系统与所述杠杆支撑臂连接，光纤光栅的一端固定在框架上，光纤光栅的另外一端固定在杠杆支撑臂上，并施与光纤光栅不少于2nm的预张力；当质量块在惯性力的作用下发生测量方向上的移动时，会通过柔性铰链作为杠杆支撑点，将质量块的移动传递到杠杆支撑臂上。

作为本发明的进一步改进，所述光纤光栅为飞秒激光刻写的II型光纤光栅。

作为本发明的进一步改进，还包括第一光纤连接点和第二光纤连接点；光纤光栅的一端通过第二光纤连接点固定在框架上，光纤光栅的另外一端通过第一光纤连接点固定在杠杆支撑臂上。

作为本发明的进一步改进，所述杠杆支撑臂内设置多个内孔，调节杠杆支撑臂的质量，自由控制加速度传感器的本征频率。

作为本发明的进一步改进，所述杠杆支撑臂内设置三个内孔。

本发明的有益效果是：

本发明实现了光纤光栅加速度传感器的工业化生产，将工作频率提高到2000Hz以上，灵敏度提高到80pm/g。

1，本发明采用一种U型结构的悬浮系统，让质量块悬浮在中央。U型结构的悬浮系统可确保其运动方向与测试方向相同，杜绝其他方向的振动对测试方向的影响。

2，本发明采用杠杆原理，将质量块的移动通过杠杆来放大，提高了加速度传感器的灵敏度。

3，本发明采用可调整质量的杠杆支撑臂来提高加速度传感器的本征频率，提高了传感器的工作频率。

4，本发明采用飞秒激光刻写的光纤光栅作为传感元件，具有极高的强度和极高的抗疲劳性，非常适合工业化使用。

附图说明

图1至图6是本发明一种基于飞秒光纤光栅的加速度传感器不同角度的立体结构示意图；

图7是本发明一种基于飞秒光纤光栅的加速度传感器主视图；

图8是本发明一种基于飞秒光纤光栅的加速度传感器侧视图；

图9是图8的B-B界面视图。

图中各部件名称如下：

悬浮系统1、质量块2、传输支撑臂3、柔性铰链4、杠杆支撑臂5、第一光纤连接点6、第二光纤连接点7、光纤光栅8、框架9；

水平片弹簧101、第一对U型的片弹簧102、第二对U型的片弹簧103。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

一种基于飞秒光纤光栅的加速度传感器，其包括：悬浮系统1、质量块2、传输支撑臂3、柔性铰链4、杠杆支撑臂5、第一光纤连接点6、第二光纤连接点7、光纤光栅8、框架9；光纤光栅8为飞秒激光刻写的II型光纤光栅。

悬浮系统1由两对U型的片弹簧和一个水平片弹簧101组成，两对U型的片弹簧分别为第一对U型的片弹簧102和第二对U型的片弹簧103。质量块2连接在中心的U型片弹簧(第一对U型的片弹簧102)的两个脚上。中心的U型片弹簧通过水平的片弹簧与外部的U型片弹簧连接(第二对U型的片弹簧103)。外部的U型片弹簧的两个脚连接在外框上。所有片弹簧被设计为相同的弹力系数。

质量块2位于悬浮系统1的中央。悬浮系统1中两对U型片弹簧和一对水平片弹簧确保质量块2只沿着测量方向运动，从根本上杜绝了串扰的发生。

传输支撑臂3将悬浮系统1与杠杆支撑臂5连接。带有II型飞秒光栅的光纤光栅8的一端通过第二光纤连接点7固定在框架9上，光纤光栅8的另外一端通过第一光纤连接点6固定在杠杆支撑臂5上，并施与光纤光栅8不少于2nm的预张力。当质量块2在惯性力的作用下发生测量方向上的移动时，会通过柔性铰链4作为杠杆支撑点，将质量块2的移动传递到杠杆支撑臂5上。质量块2轻微的移动，通过杠杆的放大作用，会在杠杆支撑臂上产生很大的移动，导致与杠杆支撑臂5连接的光纤8端发生较大的移动，进而导致光纤光栅8的中心波长发生较大的变化，从而提高了加速度传感器的灵敏度。

杠杆支撑臂5内设置三个或者多个内孔，可以调节杠杆支撑臂5的质量，自由控制加速度传感器的本征频率，无限大的提高加速度传感器的工作频率和共振频率。

本发明采用一种U型结构的悬浮系统，让质量块悬浮在中央。U型结构的悬浮系统可确保其运动方向与测试方向相同，杜绝其他方向的振动对测试方向的影响。

本发明采用杠杆原理，将质量块的移动通过杠杆来放大，提高了加速度传感器的灵敏度。

本发明采用可调整质量的杠杆支撑臂来提高加速度传感器的本征频率，提高了传感器的工作频率。

本发明采用飞秒激光刻写的光纤光栅作为传感元件，具有极高的强度和极高的抗疲劳性，非常适合工业化使用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。