[发明专利]基于悬臂梁的双光栅光纤矢量加速度计

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种基于悬臂梁的双光栅光纤矢量加速度计。

背景技术

光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性等方面具有明显的优势，在国防、军事应用领域显得尤为突出，被许多国家列为重点发展的国防技术。

光纤矢量加速度计是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产生的种种调制效应，探测地面、空气或海底的矢量振动信号的仪器。它与传统的压电类矢量加速度计相比，有以下主要优势：频带宽、声压灵敏度高、不受电磁干扰、重量轻、可设计成任意形状，以及兼具信息传感及光信息传输于一身等优点。

鉴于光纤矢量加速度计的如上技术优势，可满足各发达国家在振动监测、石油勘探、军事装备等领域的要求，目前已经在此方面积极展开研究。

马睿等人报道的一种细长型矢量光纤激光水听器(Two-axis slim fiber laser vector hydrophone.Photonics Technology Letters.2011，23(6)：335-337)，是采用加速度计矢量叠加的方法。分别延X轴向和Y轴向安装两个加速度计，将探测到的两轴向加速度进行矢量合成，从而得到加速度矢量信息。该技术方案一方面结构复杂，体积较大，使用不便，另一方面两个加速度计拥有各自的振动机构，探测到的并非同点信息，且两轴向带宽不等。

刘波等人报道的一种光纤光栅三维加速度传感器(光纤光栅三维加速度/振动传感器，中国专利，CN101210937A，2008-7-2)，是采用在悬臂梁表面粘贴光纤光栅的方法。当悬臂梁发生振动时，其表面会有周期性的压拉应变，光纤通过检测悬臂梁表面的应变来实现振动的测量。该技术方案一方面由于光纤光栅的栅区直接被胶剂封装，容易使光纤光栅产生啁啾，另一方面为了是加速度和传感器的输出保持线性关系，悬臂梁的扰度不能过大，从而限制了传感器的灵敏度。

S.R.K.Morikawa等人报道的一种光纤光栅三分量加速度计(Triaxial Bragg Grating Accelerometer.15th Optical Fiber Sensors Conference Technical Digest，2002：95-98)，是采用质量块中心悬挂的方法。当质量块振动时，促使X、Y、Z三个轴向的光纤光栅发生轴向应变，进而解调出三个轴向的加速度信息，再经矢量合成即可得到矢量加速度信息。该技术方案由于直接采用光纤作为弹性变形元件，一方面其共振频率较低，频带较窄，另一方面为了避免光纤由于外力过大而导致断裂，其质量块位移不易过大，从而限制了传感器的灵敏度。

因此，如何简化光纤矢量加速度计的结构形式以缩小体积，和如何改进光纤矢量加速度计的封装形式以提高灵敏度，是光纤矢量加速度计大规模应用必须要解决的重大技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于悬臂梁的双光栅光纤矢量加速度计，以减小光纤矢量加速度计体积并改进光纤矢量加速度计封装工艺。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于悬臂梁的双光栅光纤矢量加速度计，该光纤矢量加速度计包括外壳1、第一小孔2、第一光纤光栅3、第二光纤光栅4、第二小孔5、质量块6、悬臂梁7和支座8，其中：外壳1用于作为该光纤矢量加速度计的支撑结构，在该外壳1相邻的两个侧壁上开有第一小孔2和第二小孔5，第一小孔2用于固定第一光纤光栅3并引出其尾纤，第二小孔5用于固定第二光纤光栅4并引出其尾纤；第一光纤光栅3的一端与质量块6固定连接，另一端与第一小孔2固定连接；第二光纤光栅4的一端与质量块6固定连接，另一端与第二小孔5固定连接；悬臂梁7的一端通过支座8固定于该外壳1的一个侧壁，另一端与质量块6固定连接。

上述方案中，所述外壳1具有沿顺时针方向排列的第一侧壁m、第二侧壁n、第三侧壁p和第四侧壁q，所述第一小孔2位于所述第一侧壁m，所述第二小孔5位于所述第二侧壁n。

上述方案中，所述第一光纤光栅3平行于所述第二侧壁n和所述第四侧壁q，用于测量X轴向加速度。

上述方案中，所述第二光纤光栅4平行于所述第一侧壁m和所述第三侧壁p，用于测量Y轴向加速度。

上述方案中，所述支座8安装于所述第四侧板q上，用于固定悬臂梁7。

上述方案中，所述悬臂梁7的一端通过支座8固定于所述第四侧板q上，用于将振动信号传递给所述第一光纤光栅3和所述第二光纤光栅4。