专利名称：三维加速度测量的光纤光栅传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤光栅加速度传感器，尤其涉及一种三维加速度测量的光纤光栅传感器。属于传感技术领域。
背景技术：
光纤光栅传感具有尺寸小，重量轻，抗电磁干扰，复用性好等其它类型传感器不具备的优点，近年来发展迅速，各种光纤光栅传感产品得到开发并广泛应用。光纤光栅振动/ 加速度传感器在航空航天、大型机电设备，桥梁建筑等各个工程领域广泛应用并发挥重要作用。如孙汝娇等人提出的一种应用于桥梁健康监测的“L”型的振动传感器，利用“L”型杠杆结构将质量块振动转换为对光栅的拉伸，传感器具有很高的灵敏度，但对光栅的直接拉伸会导致光栅易被拉断，传感器寿命得不到保障。专利号为200720300082的中国专利“一种新型的光纤光栅高频加速度传感器”，以钢丝或钢管和质量块组成弹性系统，沿钢丝轴向振动，克服了悬臂梁型振动传感器频率响应速度低的缺点，且实现了温度自补偿。专利号 200710177787. 9的中国专利“一种光纤振动传感器”，采用传统的悬臂梁结构，外加阻尼系统，在高速动态信号下，传感器能真实反映待测信号，但阻尼系统易受温度影响，使传感器参数不稳定。专利号201010M4589. 3的中国专利“一种基于金属波纹管结构的光纤光栅加速度传感器”，将金属波纹管和一质量块封装在金属圆筒中，获得了很强的抗横向干扰能力及灵敏度，但传感器同样是对光栅直接拉伸，光栅寿命得不到保证。上述各种结构传感器均只能实现在单个方向上的测量，而很多实际工程中需测量三维方向上的振动及加速度量。 目前市场上的多维振动传感器主要以压电、电容式为主，不具备光纤传感无源无电、抗电磁干扰、分布式测量等优点，且大都采用组合式结构，这样势必造成传感器体积过大、精度低， 加工复杂。如 S. R. K. Morikawa等人在其发表的“Triaxial Bragg Grating Accelerometer" 一文中提出，在圆柱质量块三个方向上打孔，将三对光纤光栅穿过圆孔并用胶黏剂固定，可在实现三维振动测量，这种结构传感器工作时同样直接对光纤光栅进行拉压，灵敏度高但光栅易断。专利号200710151178. 6的中国专利“光纤光栅三维加速度/振动传感器”采用三个悬臂梁组合实现三维测量，这种简单的拼装结构稳定性差、适用范围小、装配较为麻烦。专利号ZL200720021749. X的实用新型“三分量光纤光栅振动传感器”，将三个光纤光栅分别粘贴于三个橡胶块上，通过质量块对橡胶的作用力来改变光栅波长，该结构橡胶材料受温度影响较大，不具备温度自补偿功能，且被测物体的各个方向上的振动不能很好的传递给传感器，传感器输出信号容易失真。

发明内容
本发明提出了一种利用简单的“钢管-质量块”组成的“弹性结构体”和5个粘贴在钢管表面上的光纤光栅来实现三维加速度测量的光纤光栅加速度传感器。本发明的技术方案如下一种三维加速度测量的光纤光栅传感器，主要由钢管、质量块、五个光纤光栅、外壳基座及光缆输出保护接头组成；其钢管两端张拉固定在所述的外壳基座上，所述的质量块固定于所述的钢管中间位置，其中四个光纤光栅粘贴在所述的质量块一侧的钢管表面应变的最大处，分布在沿所述的钢管圆周呈90度方位角的位置上，粘贴方向沿钢管的轴向；另一个光纤光栅粘贴在所述的质量块另一侧钢管表面上，与前四个光栅中的某一个光栅相对称，五个光纤光栅串接在一起后两端光纤从光缆输出保护接头引
出ο本发明的技术方案中，所述的五个光栅到质量块的距离相等。本发明的技术方案中，所述的钢管两端张拉固定，质量块固定在钢管中间部组成的弹性结构体。弹性结构体在受迫振动作用下，钢管表面的应变随之变化，钢管表面圆周方位上不同位置的应变与弹性结构体的振动方向和大小有关，通过两两组合的光纤光栅对的波长差可以感测不同方向的振动加速度。为便于详细说明传感器三维加速度检测的工作原理，首先建立三维直角坐标系以钢管轴线确定为Z轴，X轴、Y轴与Z轴垂直，Z轴方向与光纤光栅所在方向一致。当弹性结构体沿X轴或Y轴方向振动时，在钢管的圆周表面处在 X轴或Y轴上相应的两个光纤光栅分别同时受到正负应变作用，二者的波长差值用来衡量这一方向的振动加速度，而处在Y轴或X轴上的两个光纤光栅的波长差没有变化；当弹性结构体沿Z轴方向振动时，在钢管上与Z轴方向一致的两个对称的光纤光栅受到正负应变作用，二者的波长差值用来衡量这一方向的振动加速度，X轴和Y轴方向没有应变变化。如果弹性结构体沿任意方向振动，可以将这种振动分解为X-Y-Z三个方向振动的矢量和，并分别加以检测。温度变化，引起光栅波长的变化方向一致，因此，以两个光纤光栅的波长差作为检测信号，可以消除温度变化的影响。本发明具有以下技术优势1、以一钢管和质量块组成弹性结构体和光纤光栅组成的三维加速度传感器，结构
简单；2、以两个光纤光栅的波长差作为检测信号，具有温度补偿能力。传感器整体结构说明附

图1为三维加速度(振动)测量的光纤光栅传感器的整体结构附图2为质量块轴向视中1—外壳基座，2——钢管，3——质量块，4——一号光纤光栅，5——二号光纤光栅，6——三号光纤光栅，7——四号光纤光栅，8——五号光纤光栅，9——光缆输出保护接头。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的技术方案和实现原理作进一步描述。本发明的三维加速度传感器的结构如图1所示，传感器主要由钢管2、质量块3、五个光纤光栅4-8、外壳基座1以及光缆输出保护接头9组成。质量块3与钢管2过盈配合并用激光焊接固定于钢管中间位置。钢管2两端使用激光焊接张拉固定于外壳基座1的U型槽上。外壳基座1的一端留有螺孔，用来联接光缆输出保护接头9。五个光纤光栅串接在一起后两端光纤从光缆输出保护接头9出。五个光纤光栅分布位置(结合图1)，一号光纤光栅4和二号光纤光栅5分别粘贴于质量块左侧的钢管上下表面，四号光纤光栅7和三号光纤光栅6粘贴于质量块左侧的钢管前后两个侧面，五号光纤光栅8粘贴于质量块右侧的钢管表面，五号光纤光栅8与四号光纤光栅7对称粘贴。五个光纤光栅到质量块3的距离(约2mm)相等，以保证相应的两个光纤光栅的波长发生差值后被消除交叉干扰。 传感器三维测量实现原理进一步说明如下取λ ρ λ 2分别为一号光纤光栅4、二号光纤光栅5的波长，Δλ = X1-X2，弹性结构体沿任意方向振动时，一号光纤光栅4、二号光纤光栅5在侧向(χ方向)、轴向(ζ方向)两个方向上的波长漂移同向且大小相同， Δλ = X1-X2就消除了此两个方向干扰，Δ λ即为沿y方向上的振动响应输出信号。同样原理，取λ 3、λ 4、λ 5分别为三号光纤光栅6、四号光纤光栅7、五号光纤光栅8的波长，则 Δ λ，= λ3-λ4为侧向(χ方向)的测量输出信号，Δ λ”= λ4-λ5为轴向(ζ方向)测量输出信号。五个光栅在温度影响下的波长同向漂移经差值后被消除，实现温度自补偿的三维测量。
权利要求
1.一种三维加速度测量的光纤光栅传感器，其特征在于，传感器主要由钢管O)、质量块(3)、五个光纤光栅、外壳基座(1)、光缆输出保护接头(9)组成；钢管( 两端张拉固定在外壳基座⑴上，质量块⑶固定于钢管⑵中间位置，四个光纤光栅粘贴在质量块⑶ 一侧的钢管( 表面应变的最大处，分布在沿所述的钢管圆周呈90度方位角的位置上，粘贴方向沿钢管的轴向；另一个光纤光栅粘贴在质量块另一侧钢管( 表面上，与前四个光栅中的某一个光栅相对称，五个光纤光栅串接在一起后两端光纤从光缆输出保护接头(9) 引出。
2.根据权利要求1所述的一种三维加速度测量的光纤光栅传感器，其特征在于质量块(3)与钢管(2)过盈配合并用激光焊接固定于钢管中间位置。
3.根据权利要求1所述的一种三维加速度测量的光纤光栅传感器，其特征在于钢管 (2)两端使用激光焊接张拉固定于外壳基座(1)的U型槽上。
4.根据权利要求1所述的一种三维加速度测量的光纤光栅传感器，其特征在于外壳基座(1)的一端留有螺孔，联接光缆输出保护接头(9)。
5.据权利要求1所述的一种三维加速度测量的光纤光栅传感器，其特征在于五个光栅到质量块(3)的距离相等。
6.据权利要求1所述的一种三维加速度测量的光纤光栅传感器，其特征在于五个光栅到质量块(3)的距离为2mm。
7.据权利要求1所述的一种三维加速度测量的光纤光栅传感器，其特征在于五个光纤光栅分布位置为，一号光纤光栅(4)和二号光纤光栅( 分别粘贴于质量块C3)左侧的钢管( 上下表面，四号光纤光栅(7)和三号光纤光栅(6)粘贴于质量块C3)左侧的钢管 (2)前后两个侧面，五号光纤光栅(8)粘贴于质量块C3)右侧的钢管( 表面，五号光纤光栅⑶与四号光纤光栅⑵对称。
全文摘要
一种三维加速度测量的光纤光栅传感器，它主要由钢管、质量块、五个光纤光栅、外壳基座及光缆输出保护接头组成；其钢管两端张拉固定在外壳基座上，质量块固定于钢管中间位置，其中四个光纤光栅粘贴在质量块一侧的钢管表面应变的最大处，分布在沿钢管圆周呈90度方位角的位置上，粘贴方向沿钢管的轴向；另一个光纤光栅粘贴在质量块另一侧钢管表面上，与前四个光栅中的某一个光栅相对称，五个光纤光栅串接在一起后两端光纤从光缆输出保护接头引出。本发明以钢管-质量块组成弹性结构体，通过两两组合的光纤光栅对的波长差感测弹性结构体不同方向的振动加速度，实现三维测量及温度补偿，结构简单，使用方便。
文档编号G01P15/03GK102495235SQ20111035870
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者孟汇, 张东生, 郭永兴 申请人:武汉理工大学