[发明专利]一种高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器

说明书

本发明提供一种高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器，该传感器包括立方体型的外壳(1)、固定在外壳面板上的双拱形弹性结构梁(2)、固定在双拱形弹性梁上的双光纤光栅即1#光纤光栅(5)和2#光纤光栅(6)，在双拱形弹性结构梁(2)的中间设有竖梁(22)，在外壳(1)的一侧固定有刚性滑杆(8)和阻尼器(10)，质量块(9)位于该刚性滑杆(8)上，并与阻尼器(10)连接，预应力弹簧(7)的一端固定在竖梁(22)上，另一端固定在质量块(9)的一侧。本发明利用双拱形弹性梁结构，将双光纤光栅固定在拱形梁下面，大大提高了光纤光栅加速度传感器的灵敏度；传感器两端尾纤均为自由端，可以串联其他光纤光栅传感器，组成传感阵列或网络，实现分布式传感。

技术领域

本发明涉及一种高灵敏度温度自补偿型光纤光栅加速度传感器，属于光纤传感领域。

背景技术

在机械、航空、船舶等结构健康监测以及惯性导航与制导系统中，对加速度的测量都有很重要的作用。目前，加速度的测量方法多种多样，主要可分为电学式、机械式和光学式三种类。其中，电学式加速度传感器有灵敏度高，频率范围、动态范围和线性范围宽，便于分析和遥测等优点，但其易受电磁干扰，以及高温高压等恶劣环境的影响。机械式加速度传感器抗干扰能力强，但其频率范围、动态范围和线性范围窄，测量时会给被测对象产生一定的负载效应，从而影响测试结果，使其测量精度较差。光学式加速度传感器是一种新型的传感技术，一般利用光的干涉原理、多普勒效应以及光纤光栅等将加速度参量转换成光学信号，经光学系统放大后进行测量。其中，光纤光栅具有体积小、重量轻、动态范围宽、抗电磁干扰、寿命长等优点，特别地，光纤光栅具有独特的波分复用能力，可以通过各种复用技术构成传感阵列和网络，实现分布式测量。目前，光纤光栅加速度传感器大多采用等强度梁、悬臂梁、异型梁等结构，将光纤光栅固定在这些结构梁上，使被测对象的加速度量转换成结构梁和光纤光栅的应变量。这种方案一般直接将光纤光栅胶装在结构梁上，一方面容易使光纤光栅波长产生啁啾现象，另一方面结构梁挠性变化不大，导致传感器灵敏度较低。另外，光纤光栅本身不仅对应力敏感，而且对外界温度的变化非常敏感，仅仅将光纤光栅封装在结构梁上的方案，大多没有考虑光纤光栅的温度灵敏性，从而导致测量结果存在温度交叉敏感的问题。CN108982916A中李剑芝等人设计了一种高灵敏度光纤光栅加速度传感器，将光纤光栅连接在通过转轴和基板铰接的刚性梁上，虽然这种方案提高了灵敏度，然而刚性梁摆动范围不能过大，使传感器动态范围小，光纤容易断裂，同时其没有温度补偿单元，测量误差较大。CN202975044U中熊燕玲等人设计了一种具有自温补功能的光纤光栅加速度传感器，其采用一个菱形梁和振动梁组成双金属结构，通过双金属热膨胀系数差异消除光纤光栅加速度传感器的温度漂移，然而菱形梁和振动梁的热膨胀系数难以把握，而且并不能完全消除光纤光栅的温度漂移，同时，这种结构使光纤光栅动态范围小，灵敏度降低。综上，如何提高光纤光栅加速度传感器的灵敏度，动态范围以及进行有效的温度补偿，是其对加速度参量进行精确测量的关键，也是其进入实际工程化应用急需解决的问题。

发明内容

技术问题：为了克服现有技术的不足，同时针对实际应用，发挥光纤光栅传感器的优势，本发明提出了一种高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器，其采用双拱形弹性梁结构，大大提高了光纤光栅加速度传感器的灵敏度，独立的温补光栅可以为加速度传感光栅提供精确的温度补偿，解决了传感器的温度交叉敏感问题，极大地提高了加速度测量的准确性；同时，采用平行滑杆和阻尼器支撑质量块的结构，使传感封装结构拥有良好的整体稳定性。另外，传感器两端尾纤均为自由端，可以串联其他光纤光栅传感器，组成传感阵列或网络，实现分布式传感。

技术方案：本发明的一种高灵敏度温度补偿型光纤光栅加速度传感器包括立方体型的外壳、固定在外壳面板上的双拱形弹性结构梁、固定在双拱形弹性梁上的双光纤光栅即1#光纤光栅和2#光纤光栅，在双拱形弹性结构梁的中间设有双拱形弹性梁竖梁，在外壳的一侧固定有刚性滑杆和阻尼器，质量块位于该刚性滑杆上，并与阻尼器连接，预应力弹簧的一端固定在双拱形弹性梁竖梁上，另一端固定在质量块的一侧；