一種光纖光柵加速度傳感器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光纖光柵加速度傳感器及其制作方法，尤其涉及一種光纖光柵加 速度傳感器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近幾年來，越來越多的工業(yè)應(yīng)用中要求對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行測量。加速度信號(hào) 的測量通常是利用慣性原理，通過感知慣性力所產(chǎn)生的位移或者應(yīng)變而測得相應(yīng)的加速 度。針對(duì)目前一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，例如航空航天的制導(dǎo)系統(tǒng)、石油勘探的地震檢波系統(tǒng)、橋 梁建筑的結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)、交通情況監(jiān)測系統(tǒng)等，急需具有抗電磁干擾、高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范 圍、易復(fù)用的高性能加速度傳感裝置。而基于光調(diào)制機(jī)理的光纖加速度傳感器在這些方面 展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景，因此相對(duì)基于機(jī)電、壓電方法的傳統(tǒng)加速度傳感器，正在受到越來 越多的重視。
[0003] 一般地，光纖加速度傳感器主要包括強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型和波長調(diào)制型等幾 種調(diào)制類型。常見地，基于光纖懸臂梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度調(diào)制型加速度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、解調(diào) 易于實(shí)現(xiàn)、制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是通過懸臂梁的微彎變化進(jìn)行光強(qiáng)度的調(diào)制，其檢測精度 和動(dòng)態(tài)范圍不高。而基于光纖順變柱體結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制型加速度傳感器，利用順變柱體作 為彈性媒介，將加速度應(yīng)變轉(zhuǎn)化為傳感光纖中光波的相位變化，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、大動(dòng) 態(tài)范圍的加速度信號(hào)檢測，但是由于順變柱體橡膠材料性能穩(wěn)定性比較差，容易老化變形 且不耐高溫，導(dǎo)致傳感器的靈敏度一致性不好，此外，順變柱體的體積質(zhì)量較大，不宜于傳 感器的小型化發(fā)展。光纖光柵波長調(diào)制型加速度傳感器是近幾年快速發(fā)展起來的一種加速 度傳感器，它具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、體積小、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，并且通過波長調(diào)制解調(diào) 方式，不僅可以避免光強(qiáng)起伏的影響，而且能夠在一根光纖上實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器的復(fù)用，形成 分布式傳感網(wǎng)絡(luò)。
[0004] 光纖光柵波長調(diào)制型加速度傳感器的傳感機(jī)理是利用光柵作為核心元器件，通 過適當(dāng)?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換裝置，將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w光柵的應(yīng)變信號(hào)，此應(yīng)變信號(hào)會(huì)改變光 纖光柵的折射率調(diào)制周期和纖芯有效折射率，從而引起光纖光柵的反射或透射中心波長變 化，因此通過對(duì)光柵中心波長的檢測就能得出外界加速度信號(hào)。
[0005] 目前，光纖光柵波長調(diào)制型加速度傳感器主要有基于順變體和彈性梁兩種結(jié)構(gòu)類 型，對(duì)于順變體結(jié)構(gòu)的光柵加速度傳感器，由于傳感光柵是完全地包裹在順變體內(nèi)，因此光 柵不僅對(duì)軸向應(yīng)變很敏感，而且對(duì)橫向應(yīng)變也很敏感，而橫向應(yīng)變將導(dǎo)致光纖中的雙折射 現(xiàn)象，并使得傳感光柵的反射峰發(fā)生分裂，從而影響測量精度。對(duì)于彈性梁結(jié)構(gòu)的光柵加速 度傳感器，為了避免彈性梁在受力振動(dòng)時(shí)其上各處應(yīng)變分布不均勻，所導(dǎo)致的埋在梁上的 光柵出現(xiàn)啁嗽現(xiàn)象，因此需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)加工以保證彈性梁為等強(qiáng)度梁，此外，順變體和彈 性梁結(jié)構(gòu)體積比較大，不易于小型化封裝。
[0006] 鑒于以上技術(shù)問題，有必要提供一種精度高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小的光纖光柵加速度 傳感器以克服以上技術(shù)缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種光纖光柵加速度傳感器及其制作方法，具 有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、靈敏度一致性好、測量精度高的特點(diǎn)。
[0008] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采用的技術(shù)方案是提供一種光纖光柵加速度傳感 器，包括質(zhì)量塊、彈簧、光纖光柵以及固定底板，所述質(zhì)量塊與固定底板上均開有安裝槽和 光纖通孔，所述安裝槽分別位于質(zhì)量塊下表面與固定底板上表面的邊沿位置，所述光纖通 孔位于質(zhì)量塊與固定底板的中心位置，且質(zhì)量塊上表面與固定底板下表面的光纖通孔處分 別開有填膠槽；所述彈簧兩端分別安裝固定在質(zhì)量塊與固定底板的安裝槽上；所述光纖光 柵位于彈簧的內(nèi)部且其尾纖部分從質(zhì)量塊和固定底板的光纖通孔中引出，所述填膠槽內(nèi)灌 設(shè)有密封膠將光纖光柵兩端與質(zhì)量塊和底板固定。
[0009] 上述的光纖光柵加速度傳感器，其中，所述質(zhì)量塊、彈簧、光纖光柵外設(shè)有套筒，使 得質(zhì)量塊與彈簧僅沿套筒軸線方向振動(dòng)，所述套筒上端與頂蓋固定相連，所述套筒下端與 固定底板相連；所述頂蓋中心開設(shè)有光纖通孔，所述光纖光柵的尾纖由頂蓋中心處的光纖 通孔引出，并與外部高速波長解調(diào)單元相連。
[0010] 上述的光纖光柵加速度傳感器，其中，所述彈簧由碳素彈簧鋼絲繞制而成，所述質(zhì) 量塊的形狀為圓柱體，材料為黃銅。
[0011] 上述的光纖光柵加速度傳感器，其中，所述圓柱體質(zhì)量塊的直徑為12mm、厚度為 6mm ;所述套筒內(nèi)徑為14mm、外徑為18mm、高度為30mm ;所述碳素彈簧鋼絲直徑為I. 6mm，彈 簧中徑為8mm，自由高度為18mm，有效圈數(shù)為5. 5圈，彈簧剛度為23N/mm〇
[0012] 上述的光纖光柵加速度傳感器，其中，所述光纖光柵包括普通單模光纖，所述普 通單模光纖上刻有切趾光柵，所述切趾光柵具有裸露包層，所述裸露包層的長度為20~ 30mm〇
[0013] 上述的光纖光柵加速度傳感器，其中，所述安裝槽的形狀為圓環(huán)形，其內(nèi)徑為6_、 外徑為10mm、深度為1mm0
[0014] 上述的光纖光柵加速度傳感器，其中，所述光纖通孔直徑為1_，所述填膠槽的直 徑為5_、深度為I. 5_。
[0015] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題還提供一種上述光纖光柵加速度傳感器的制造方法， 包括如下步驟：首先將彈簧的兩端分別安裝在質(zhì)量塊與固定底板的安裝槽上，并在安裝槽 處灌入密封膠進(jìn)行固化；然后將光纖光柵的尾纖，由下向上依次穿過固定底板、質(zhì)量塊的光 纖通孔，使得光纖光柵中心大致位于彈簧的中心位置，并在固定底板、質(zhì)量塊的填膠槽處灌 入密封膠進(jìn)行固化，使得光纖光柵的兩端與質(zhì)量塊和固定底板固定連接，從而整體形成一 個(gè)光纖光柵彈簧振子結(jié)構(gòu)；接著剪去固定底板下端多余的光纖部分，將頂蓋和套筒上端相 連，構(gòu)成光纖光柵加速度傳感器外殼；最后將光纖光柵的尾纖，從頂蓋的光纖通孔中引出， 并將上述光纖光柵彈簧振子裝入傳感器外殼內(nèi)，將套筒下端與固定底板相連，從而完成整 個(gè)光纖光柵加速度傳感器的制作。
[0016] 上述的光纖光柵加速度傳感器的制造方法，其中，所述密封膠為環(huán)氧密封膠，在固 化過程中，光纖光柵始終加載有預(yù)應(yīng)變，固化溫度為80°C，固化時(shí)間為30分鐘。
[0017] 上述的光纖光柵加速度傳感器的制造方法，其中，所述頂蓋通過螺紋方式擰入到 套筒內(nèi)，所述套筒下端也通過螺紋與固定底板連接，螺紋上均涂覆有螺紋緊固膠。
[0018] 本發(fā)明對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果：本發(fā)明提供的光纖光柵加速度傳感器及 其制作方法，由質(zhì)量塊、彈簧、光纖光柵以及固定底板四部分組成彈簧振子結(jié)構(gòu)，所述光纖 光柵位于彈簧的內(nèi)部且其尾纖部分從質(zhì)量塊和固定底板的光纖通孔中引出，從而整體形成 一個(gè)光纖光柵彈簧振子結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、靈敏度一致性好、測量精度高的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明光纖光柵加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明的光纖光柵加速度傳感器中質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖3為本發(fā)明的光纖光柵加速度傳感器中固定底板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖4為本發(fā)明的光纖光柵加速度傳感器波長變化曲線圖；
[0023] 圖5為本發(fā)明的光纖光柵加速度傳感器的加速度線性響應(yīng)特性圖。
[0024] 圖中：
[0025] 1質(zhì)量塊 2彈簧 3光纖光柵
[0026] 4固定底板 5套筒 6頂蓋
[0027] 7尾纖 8、9、10光纖通孔 11、12密封膠
[0028] 101、201 填膠槽 102、202 安裝槽
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0030] 圖1為本發(fā)明光纖光柵加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 請(qǐng)參見圖1，本發(fā)明提供的光纖光柵加速度傳感器，該彈簧振子結(jié)構(gòu)由質(zhì)量塊1、 彈簧2、光纖光柵3以及固定底板4四部分組成。所述質(zhì)量塊1與固定底板4上均開有彈簧 安裝槽和光纖通孔，彈簧安裝槽分別位于質(zhì)量塊1下表面與固定底板4上表面的邊沿位置。 如圖2所示，質(zhì)量塊1上表面的中心位置開有光纖通孔9,質(zhì)量塊上表面的光纖通孔9處開 有填膠槽101，質(zhì)量塊1下表面的邊沿處開有彈簧安裝槽102。如圖3所示，固定底板4下 表面的中心位置開有光纖通孔10,固定底板下表面的光纖通孔10處開有填膠槽201，固定 底板4上表面的邊沿處開有安裝槽202。所述彈簧2為碳素彈簧鋼絲繞制而成，也可是根據(jù) 設(shè)計(jì)需要通過機(jī)械加工而成，彈簧2兩端分別安裝固定在質(zhì)量塊1與固定底板4的安裝槽 上；所述光纖光柵3種類不限，包括均勻光纖光柵、相移光纖光柵、變跡光纖光柵、超結(jié)構(gòu)光 纖光柵，光纖光柵3的尾纖部分從質(zhì)量塊1和固定底板4的光纖通孔中引出，使得光纖光柵 3位于彈簧2的內(nèi)部，通過在填膠槽處灌封膠的方式將光纖光柵3兩端與質(zhì)量塊1和底板4 固定，從而整體形成一個(gè)光纖光柵彈簧振子結(jié)構(gòu)。
[0032] 本發(fā)明提供的光纖光柵加速度傳感器，所述光纖光柵加速度傳感器進(jìn)一步包括有 傳感器套筒5和頂蓋6,所述套筒5內(nèi)壁光滑，其內(nèi)徑比質(zhì)量塊1外徑稍大，保證彈