[发明专利]一种基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器

说明书

技术领域

本发明属于加速度传感器技术领域，具体涉及一种基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器，尤其适用于各类机械设备的中高频振动测试与结构健康监测。

背景技术

加速度传感器是一种基于惯性效应而感应加速度信号的传感器，在结构振动参量的远程监测中光纤加速度传感器得到广泛关注。光纤加速度传感器在诸多方面具有优越性能，如电绝缘、抗电磁干扰能力，良好的分布式测量能力。这些性能使得光纤加速度传感器在很多环境恶劣，需要远程操作的特殊领域得到应用，如石油、天然气采掘，石化机电设备，航空航天等领域独具优势。

专利号为ZL200510019733.0的中国专利“可谐调匹配滤波解调的光纤光栅振动加速度”，采用的是悬臂梁结构，在其直接粘贴光纤光栅，只能测量低频范围内的振动，不能满足高频测试的要求。专利号为US7137299B2的美国专利“FIBER OPTIC ACCELEROMETER”采用四根弹簧作为弹性元件，从而拓展其频率测量范围，但该结构中四弹簧不易调整均衡，容易造成光纤光栅的折断。专利号为US6891621B2的美国专利“HIGHLY SENSITIVE CROSS AXIS ACCELEROMETER”公布了一种适用于恶劣环境的高灵敏度的加速度传感器，该加速度传感器利用一个铰链将一个振动质量体与底座相连接，当给该传感器施加水平方向驱动时，传感器震动质量体会绕铰链摆动，光纤在底座和加速度传感器的外壳之间以交替地拉紧和压缩的方式连接，该结构虽然可以获得较高的灵敏度，但其谐振频率较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对上述现有光纤光栅加速度传感器在工程应用中存在的不足，提供一种基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器，将柔性铰链结构创新性地应用于传感器中，所制备的光纤光栅加速度传感器具有较高的频率响应范围和较高的灵敏度，适用于大型机电设备、航天航空安全监测等领域。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器，由复合基体、光纤和传感器外壳构成，所述复合基体固定安装在传感器外壳的内部，复合基体由一个共同的底座、两个柔性铰链和两个惯性质量块组成，两个惯性质量块分别通过对应的柔性铰链与底座连接、且该连接处的两侧分别开设有水平切口，两个惯性质量块之间的垂向开设有一竖直切口；所述两个惯性质量块的上方设置有对称的光纤沟槽，所述光纤穿过传感器外壳的两侧(两侧设有穿孔)并置于惯性质量块的光纤沟槽内，两个光纤沟槽之间的光纤处设置有布拉格光栅，布拉格光栅设于两惯性质量块之间居中位置的凹槽处，位于光纤沟槽内的光纤通过胶黏剂粘连固定于惯性质量块上。

按上述方案，所述底座、柔性铰链、惯性质量块由同一块弹簧钢块体加工而成。

按上述方案，所述复合基体中的两个柔性铰链、两个惯性质量块均对称设置，两个惯性质量块在振源激励作用下围绕各自的柔性铰链微幅振动，拉动布拉格光栅两端反向运动。

按上述方案，所述竖直切口与水平切口垂直、用于预拉光纤两端，光纤两端部的尾纤部分采用光纤保护套管紧固。

按上述方案，所述传感器外壳的底部设有沉头孔，相应复合基体的底座的底部加工有螺纹孔，复合基体与传感器外壳之间通过穿设于沉头孔、螺纹孔的沉头螺钉固接，同时沉头螺钉上还涂设有硅胶。

按上述方案，所述两个惯性质量块各开设有一开通孔，所述开通孔用于调节各自惯性质量块的质心位置。

本发明基于柔性铰链的光纤光栅加速度传感器的工作原理是：把传感器固定在待测物体上，在外界激振源的作用下，传感器随物体一起振动，从而导致左右两个惯性质量块围绕柔性铰链产生微幅振动，惯性质量块将产生惯性力，从而使得受到预拉伸应力的布拉格光栅发生轴向的微小伸长或收缩的形变即轴向应变，这种轴向应变将导致布拉格光栅的反射波长产生相应的漂移。建立布拉格光栅的实际应变量与柔性铰链结构应变的线性几何关系，将外界信号的加速度量最终转化为光纤光栅中心波长的漂移量(布拉格光栅作为敏感元件将机械振动信号转变为光波长信号)，通过对光纤两端部的尾纤(出线端)的反射波长漂移量的测量便可获得外界机械振动加速度的大小。利用动态波长解调仪及其处理器，在计算机上显示光纤光栅加速度传感器的输出波形，由相应的正弦输出波形，计算出待测物体的振动频率以及光纤光栅的峰峰值波长漂移量，最终通过波长漂移量与加速度的线性关系来确定待测物体的振动加速度大小，同时可分析其振动频谱特性。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：