專利名稱：雙等強度懸臂梁光纖光柵振動傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光纖光柵傳感器技術領域，具體涉及一種用于測定物體振動幅度和頻 率的光纖光柵振動傳感器。
背景技術：
光纖光柵傳感器是利用如應力、應變、溫度等外界物理量的變化引起光纖有效折 射率或光柵周期等參數(shù)的變化，從而導致光柵反射中心波長的變化，通過檢測光柵反射中 心波長的變化來獲得外界物理量的變化。與傳統(tǒng)的電類振動傳感器相比，電類振動傳感器 輸出的是弱電信號，容易受電磁干擾，不適宜在大型機電設備等強電磁場環(huán)境中工作，而且 不能進行遠距離傳輸，一般需要就近將弱模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，增加了傳感器使用的 成本，使用也不方便。光纖光柵振動傳感器是波長調(diào)制型傳感器，不但具有靈敏度高、動態(tài) 范圍寬、不受電磁干擾、抗腐蝕、傳輸損耗小、可靠性高、體積小、重量輕等特點，而且具有傳 感信號不受光源起伏、光路損耗等因素的影響，抗干擾能力強、傳感探頭結構簡單、易于使 用波分復用技術而形成分布式測量等特點。因此，光纖光柵在振動傳感領域的應用引起了 人們的廣泛關注和極大興趣，具有重要的學術研究價值和市場應用前景。專利號為200510019733. 0、發(fā)明名稱為《可調(diào)諧匹配濾波解調(diào)的光纖光柵振動傳 感器》的中國發(fā)明，公開了串接在一起的兩個光纖光柵，剛性地粘貼于主梁和輔梁上，主梁 上粘貼的光纖光柵為解調(diào)光柵，輔梁上粘貼的光纖光柵為傳感光柵，兩個梁采用相同的材 料制成，具有相同的熱膨脹系數(shù)，解調(diào)光柵和傳感光柵中心波長隨溫度同步漂移，因而具有 自動溫度補償功能，通過匹配濾波解調(diào)的方式，檢測光通過兩個光纖光柵后反射光的光強 變化，從而監(jiān)測被測物體的振動頻率、振動幅度等參數(shù)。這種光纖光柵傳感器由于振動只引 起一個光柵的中心波長發(fā)生漂移，靈敏度較低；而且其結構為圓柱形，一旦封裝好后，不易 從外觀上確定主梁的方向，容易造成主梁的振動與實際物體的振動方向不一致；此外，該專 利未對梁的結構及光纖光柵粘貼的位置進行說明，這些因素容易引起光柵啁啾而導致傳感 器無法正常使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服上述振動傳感器的缺點，提供一種穩(wěn)定性和 靈敏度高的光纖光柵振動傳感器。解決上述技術問題所采用的技術方案是在殼體的內(nèi)左側(cè)設置有懸臂梁底座，片 狀的上懸臂梁和下懸臂梁相互平行，上懸臂梁固定端與懸臂梁底座的上表面連為一體、自 由端設置在質(zhì)量塊的上表面，下懸臂梁的固定端與懸臂梁底座下表面連為一體、自由端設 置在質(zhì)量塊的下表面上，在質(zhì)量塊上與上懸臂梁和下懸臂梁平面相平行的表面上各設置有 一垂直于該表面的懸臂梁限位柱，殼體的開口端設置有外側(cè)裝有傳感器接頭的密封蓋，密 封蓋上設置有穿過其中心和傳感器接頭中心的光纖保護套管。本發(fā)明的上懸臂梁和下懸臂 梁的自由端寬度至少為2mm，固定端寬度與自由端的寬度比至少為5，在上懸臂梁上表面設置有上傳感光纖光柵、下懸臂梁下表面設置有下傳感光纖光柵，上傳感光纖光柵和下傳感 光纖光柵串接后的輸出端從光纖保護套管穿出。本發(fā)明的上傳感光纖光柵和下傳感光纖光柵為摻鍺光纖光柵，上傳感光纖光柵和 下傳感光纖光柵的波長為1525 1620nm。本發(fā)明的上傳感光纖光柵與下傳感光纖光柵的波長相同。本發(fā)明的殼體為長方體結構，上懸臂梁和下懸臂梁與殼體的上下表面相平行。本發(fā)明的上懸臂梁和下懸臂梁的厚度為0. 5 1mm。本發(fā)明應用光纖光柵的應變傳感原理及光纖光柵的增敏技術，將兩個裸光柵串接 后封裝在兩片等強度的懸臂梁外表面上，當被測物體發(fā)生振動時，引起傳感器內(nèi)質(zhì)量塊的 振動，在質(zhì)量塊的慣性力作用下，與質(zhì)量塊聯(lián)接的兩個懸臂梁的表面產(chǎn)生拉伸和壓縮，使得 粘貼于其上的兩個傳感光柵產(chǎn)生應變，與普通振動傳感器相比，傳感器的靈敏度有了很大 提高；而且將雙光柵封裝在同一傳感器內(nèi)，兩個光柵將處于同一溫度環(huán)境下，解決了光纖光 柵振動傳感器的溫度漂移問題，同時，在質(zhì)量塊的與振動方向相垂直的兩表面上安裝了位 移限位裝置，可以有效保護光柵，避免由于使用不當或偶然操作失誤而造成的光纖光柵傳 感器的斷裂損壞，大大提高了光纖光柵傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明實施例1的結構示意圖。圖2為本發(fā)明實施例1中懸臂梁與質(zhì)量塊的聯(lián)接結構示意圖。圖3是圖2的俯視圖。
具體實施例方式下面結合附圖和各實施例對本發(fā)明進一步詳細說明，但本發(fā)明不限于這些實施 例。實施例1在圖1中，本實施例的雙等強度懸臂梁光纖光柵振動傳感器由殼體1、上懸臂梁2、 上傳感光纖光柵3、懸臂梁限位柱4、密封蓋5、光纖保護套管6、質(zhì)量塊7、下懸臂梁8、下傳 感光纖光柵9、懸臂梁底座10和傳感器接頭11聯(lián)接構成。如圖1所示，在長方體結構的殼體1的左側(cè)壁上用螺紋緊固聯(lián)接件固定聯(lián)接安裝 有懸臂梁底座10，上懸臂梁2固定端與懸臂梁底座10的上表面連為一體、自由端與質(zhì)量塊 7的上表面連為一體，下懸臂梁8的固定端與懸臂梁底座10下表面連為一體、自由端與質(zhì) 量塊7的下表面連為一體，上懸臂梁2和下懸臂梁8均為片狀對稱結構，并由相同的彈性材 料制成，上懸臂梁2和下懸臂梁8的平面與殼體1任意一對相對的側(cè)面相平行，聯(lián)接在上懸 臂梁2和下懸臂梁8自由端的質(zhì)量塊7受到振動時會上下運動，質(zhì)量塊7的運動方向垂直 于上懸臂梁2和下懸臂梁8的上下平面。在上懸臂梁2外表面的對稱中心線上用502膠或 353ND膠或383膠粘貼有上傳感光纖光柵3，在下懸臂梁9外表面的對稱中心線上用502膠 或353ND膠或383膠粘貼有下傳感光纖光柵9，在質(zhì)量塊7上表面的中心位置和下表面的中 心位置各安裝有一個垂直于質(zhì)量塊7上、下表面的懸臂梁限位柱4，當質(zhì)量塊7上下振動時 懸臂梁限位柱4可以對傳感光纖光柵進行保護，避免由于使用不當或偶然操作失誤造成的傳感器懸臂梁斷裂而破壞傳感光纖光柵。本實施例的上傳感光纖光柵3和下傳感光纖光柵 9為摻鍺光纖光柵，上傳感光纖光柵3和下傳感光纖光柵9的波長為1525nm。在殼體1的 開口端用螺釘固定安裝有密封蓋5，密封蓋5與殼體1之間安裝有密封圈。密封蓋5外側(cè)的 中心位置用膠粘接有傳感器接頭11，密封蓋5上粘貼有穿過其中心和傳感器接頭11中心的 光纖保護套管6。上傳感光纖光柵3和下傳感光纖光柵9串接后輸出端從光纖保護套管6 穿出密封蓋5。如圖2所示，上懸臂梁2和下懸臂梁8的聯(lián)接在懸臂梁底座10上的固定端的寬度 大于其自由端的寬度，即上懸臂梁2和下懸臂梁8的寬度沿自身對稱中心線從固定端到自 由端漸縮，本實施例中上懸臂梁2和下懸臂梁8均為鈹青銅材料制成，具有很好的對稱性， 上懸臂梁2和下懸臂梁8的厚度為0. 6mm、長度為60mm，上懸臂梁2和下懸臂梁9的自由端 的寬度為2mm、固定端的寬度為IOmm;懸臂梁限位柱4的長度可以根據(jù)懸臂梁的尺寸、材料 而有所改變，以實現(xiàn)不同測量范圍下對傳感光纖光柵的保護。實施例2本實施例中，上懸臂梁2和下懸臂梁8采用不銹鋼材料制成，上傳感光纖光柵3 和下傳感光纖光柵9為摻鍺光纖光柵，上傳感光纖光柵3和下傳感光纖光柵9的波長為 1620nm。其它零部件以及零部件的聯(lián)接關系與實施例1相同。實施例3本實施例中，上懸臂梁2和下懸臂梁8采用不銹鋼材料制成，上傳感光纖光柵3 和下傳感光纖光柵9為摻鍺光纖光柵，上傳感光纖光柵3和下傳感光纖光柵9的波長為 1550nm。其它零部件以及零部件的聯(lián)接關系與實施例1相同。實施例4在以上的實施例1 3中，上懸臂梁2和下懸臂梁8的厚度為0. 5mm，上懸臂梁2 和下懸臂梁9的自由端的寬度為2mm、固定端的寬度為15mm。其它零部件以及零部件的聯(lián) 接關系與實施例1相同。實施例5在以上的實施例1 3中，上懸臂梁2和下懸臂梁8的厚度為1. 0mm，上懸臂梁2 和下懸臂梁9的自由端的寬度為2mm、固定端的寬度為20mm。其它零部件以及零部件的聯(lián) 接關系與實施例1相同。使用時，將本發(fā)明安裝在被測物體上，當被測物體發(fā)生振動時，引起殼體1內(nèi)質(zhì)量 塊7的振動，在質(zhì)量塊7的慣性力作用下，上懸臂梁2和下懸臂梁8的表面產(chǎn)生拉伸和壓縮， 使得粘貼在上懸臂梁2外表面的上傳感光纖光柵3和下懸臂梁8外表面的下傳感光纖光柵 9產(chǎn)生應變，最終引起兩個光纖光柵布拉格中心波長的漂移，導致兩個光纖光柵反射波長發(fā) 生周期性的重疊，引起反射光強也發(fā)生周期性的變化；通過對反射光強的變化幅度和頻率 進行檢測，從而檢測出被測物體的振動幅度和頻率。本發(fā)明的工作原理如下將兩個裸光纖光柵串接后封裝在上懸臂梁2和下懸臂梁8外表面的對稱中心線 上，當被測物體發(fā)生振動時，質(zhì)量塊7也振動，在質(zhì)量塊7的慣性力作用下，上懸臂梁2和下 懸臂梁8的表面產(chǎn)生拉伸和壓縮，使得粘貼于上懸臂梁2上表面的上傳感光纖光柵3和下 懸臂梁8下表面上的下傳感光纖光柵9產(chǎn)生應變。對于光纖布拉格光柵(FBG)，當上傳感光纖光柵3和下傳感光纖光柵9光纖光柵區(qū)受到軸向應變時，由于光纖材料的彈光效應和軸 向伸縮，導致折射率和光纖光柵柵距的變化，中心反射波長變化量為Δ λΒ = (I-Pe) λΒΧ ε(1)式中Pe為光纖材料的有效彈光系數(shù)，ε為光纖光柵受到的軸向應變，λΒ為光纖 光柵在自由狀態(tài)下的布拉格反射波長。對于粘貼于上懸臂梁2外表面的上傳感光纖光柵3和下懸臂梁8外表面的下傳感 光纖光柵9，它們受到的應力相同但方向相反，則有Δ λ 上=(I-Pe) λ 上 X ε(2)Δ λ 下=-(I-Pe) λ 下 X ε(3)(3)式中的負號表示下傳感光纖光柵9的應力方向與上傳感光纖光柵3的應力方 向相反。兩光纖光柵的中心波長差為Δ λ = (λ 上+ Δλ 上)-(λ 下+ Δλ 下)= 2Δλ 上=2Δλ 下從上式可以看出，采用相同材料制作的上懸臂梁2和下懸臂梁8如果受到一定應 力的作用，在上懸臂梁2外表面的上傳感光纖光柵3和下懸臂梁8上的下傳感光纖光柵9 的波長差比單一光纖光柵的波長變化量相比大二倍，靈敏度得到提高。通過合理設置上傳 感光纖光柵3和下傳感光纖光柵9靜止時中心波長的大小，當上懸臂梁2和下懸臂梁8受 到應力作用時，上傳感光纖光柵3和下傳感光纖光柵9中心波長在其光譜的線性區(qū)發(fā)生周 期性的重疊，引起反射光強發(fā)生周期性的變化，這時，只要通過檢測光強的變化幅度和頻率 就可以檢測出被測物體的振動幅度和頻率。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有如下優(yōu)點1、采用等強度懸臂梁作為振動信號的傳遞元件，可以避免粘貼傳感光纖光柵時對 具體位置的苛刻要求，減少傳感光纖光柵啁啾的可能性，降低封裝的難度。2、采用雙懸臂梁結構，傳感器受到振動時上懸臂梁2表面與下懸臂梁8表面的應 變相反，分別粘貼在上懸臂梁2外表面的上傳感光纖光柵3和下懸臂梁8外表面上的下傳 感光纖光柵9 一個受拉、一個受壓，因此，兩個傳感光纖光柵的中心波長差△ λ的變化率是 一個傳感光纖光柵的二倍，靈敏度更高。3、采用將雙傳感光纖光柵封裝在同一傳感器殼體內(nèi)，使上傳感光纖光柵3和下傳 感光纖光柵9處于同一溫度環(huán)境下，當上傳感光纖光柵3和下傳感光纖光柵9的中心波長 受外界溫度的影響而向同一方向發(fā)生漂移時，漂移值相同，即Δ Xt!= Δ λ tT，式中Δ λ t±、Δ λ。分別為上傳感光纖光柵3和下傳感光纖光柵9受溫度影響而 引起的中心波長的漂移，這樣上傳感光纖光柵3和下傳感光纖光柵9的中心波長差Δ λ = (λ 上+ Δλ ±)_(λ 下+ Δλ Τ) = λ 上 _λ 下與未受溫度影響前相同，可有效地避免外界環(huán)境溫度對振動信號的影響，實現(xiàn)了 自動溫度補償。4、在質(zhì)量塊7上的懸臂梁限位柱4來限制質(zhì)量塊7的振動范圍，并根據(jù)不同的測 量范圍改變懸臂梁限位柱4的長度，既保證傳感器工作于較大的測量范圍，又能對傳感光 纖光柵進行有效保護，避免了由于使用不當或偶然操作失誤造成的傳感器懸臂梁斷裂從而 破壞傳感光纖光柵，提高了傳感器工作的可靠性和穩(wěn)定性。
權利要求
一種雙等強度懸臂梁光纖光柵振動傳感器，在殼體(1)的內(nèi)左側(cè)設置有懸臂梁底座(10)，片狀的上懸臂梁(2)和下懸臂梁(8)相互平行，上懸臂梁(2)固定端與懸臂梁底座(10)的上表面連為一體、自由端設置在質(zhì)量塊(7)的上表面，下懸臂梁(8)的固定端與懸臂梁底座(10)下表面連為一體、自由端設置在質(zhì)量塊(7)的下表面上，在質(zhì)量塊(7)上與上懸臂梁(2)和下懸臂梁(8)平面相平行的表面上各設置有一垂直于該表面的懸臂梁限位柱(4)，殼體(1)的開口端設置有外側(cè)裝有傳感器接頭(11)的密封蓋(5)，密封蓋(5)上設置有穿過其中心和傳感器接頭(11)中心的光纖保護套管(6)，其特征在于所說的上懸臂梁(2)和下懸臂梁(9)的自由端寬度至少為2mm，固定端寬度與自由端的寬度比至少為5，在上懸臂梁(2)上表面設置有上傳感光纖光柵(3)、下懸臂梁(9)下表面設置有下傳感光纖光柵(9)，上傳感光纖光柵(3)和下傳感光纖光柵(9)串接后的輸出端從光纖保護套管(6)穿出。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙等強度懸臂梁光纖光柵振動傳感器，其特征在于所說的 上傳感光纖光柵(3)和下傳感光纖光柵(9)為摻鍺光纖光柵，上傳感光纖光柵(3)和下傳 感光纖光柵(9)的波長為1525 1620nm。
3.根據(jù)權利要求2所述的雙等強度懸臂梁光纖光柵振動傳感器，其特征在于所說的 上傳感光纖光柵(3)與下傳感光纖光柵(9)的波長相同。
4.根據(jù)權利要求1所述的雙等強度懸臂梁光纖光柵振動傳感器，其特征在于所說的 殼體(1)為長方體結構，上懸臂梁(2)和下懸臂梁(8)與殼體(1)的上下表面相平行。
5.根據(jù)權利要求1或4所述的雙等強度懸臂梁光纖光柵振動傳感器，其特征在于所 說的上懸臂梁(2)和下懸臂梁(8)的厚度為0. 5 1mm。
全文摘要
一種雙等強度懸臂梁光纖光柵振動傳感器，在殼體的內(nèi)左側(cè)設置懸臂梁底座，相互平行片狀的上懸臂梁和下懸臂梁的固定端與懸臂梁底座連為一體、自由端設置在質(zhì)量塊的上下兩側(cè)面，在質(zhì)量塊與上懸臂梁和下懸臂梁平面相平行的表面上各設置有一垂直于該表面的懸臂梁限位柱，殼體的開口端設置有外側(cè)裝有傳感器接頭的密封蓋，密封蓋上設置有穿過其中心和傳感器接頭中心的光纖保護套管，上懸臂梁和下懸臂梁固定端的寬度與自由端的寬度比至少為5，在上懸臂梁上表面設置有上傳感光纖光柵、下懸臂梁下表面設置有下傳感光纖光柵，上傳感光纖光柵和下傳感光纖光柵串接的輸出端從光纖保護套管穿出。本發(fā)明具有良好的靈敏度、可靠性及穩(wěn)定性。
文檔編號G01H9/00GK101982740SQ20101028579
公開日2011年3月2日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權日2010年9月17日
發(fā)明者喬學光, 傅海威, 劉欽朋, 賈振安, 高宏 申請人:西北大學