一種溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器，采用雙矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)，該雙矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)包括第一至第四懸臂梁、慣性質(zhì)量塊以及第一和第二懸臂梁固定端，所述慣性質(zhì)量塊位于四個懸臂梁的幾何中心，并固定于四個懸臂梁上或聯(lián)為一個整體，第一和第二懸臂梁固定端固定在四個懸臂梁的兩端；所述溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器進一步包括有傳感器頂蓋和底座，所述傳感器頂蓋與慣性質(zhì)量塊之間留有一定距離并與第一和第二懸臂梁固定端的上端固定連接，所述底座與慣性質(zhì)量塊之間留有一定距離并與第一和第二懸臂梁固定端的下端固定連接；所述懸臂梁的非線性均勻應(yīng)變區(qū)域封裝有傳感光柵，傳感光柵通過光纖出孔與外部解調(diào)單元相連。
【專利說明】一種溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于測定物體振動幅度和頻率的溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器。
【【背景技術(shù)】】
[0002]光纖光柵作為一種無源器件，是通過一定的技術(shù)方法使光纖纖芯的折射率發(fā)生軸向調(diào)制而形成的衍射光柵。光纖光柵的反射或透射波的波長與光柵的折射率調(diào)制周期以及纖芯折射率有關(guān)，而外界溫度或應(yīng)變的變化會影響光纖光柵的折射率調(diào)制周期和纖芯折射率，從而引起光纖光柵的反射或透射波長的變化，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。
[0003]光纖光 柵加速度傳感器與傳統(tǒng)的強度調(diào)制和相位調(diào)制的光纖傳感器相比，除具有耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾的優(yōu)點外，還具有波長調(diào)制型的獨特優(yōu)點，利于波分復(fù)用，容易實現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，然而，由于光纖光柵同時對溫度應(yīng)變敏感，在加速度測量的同時如何實現(xiàn)光柵溫度不敏感加速度測量是一個難題，一般解決的方法是通過增加溫度補償光柵來消除溫度的影響，不僅增加了傳感器的成本，而且增加了光柵傳感器的封裝難度。因此，單光纖光柵在加速度測量領(lǐng)域的應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注和極大興趣，具有重要的學術(shù)研究價值和市場應(yīng)用前景。
[0004]申請?zhí)枮?01310092296.X，發(fā)明名稱為《一種雙懸臂梁光纖光柵加速度傳感器》的中國發(fā)明專利申請，公開了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(yīng)變，由于兩個光柵的參數(shù)相同，兩個懸臂梁的材料相同，所以溫度系數(shù)相同，同時兩個光柵的中心波長漂移方向相反，在實現(xiàn)補償溫度的同時，實現(xiàn)加速度增敏，但這種光纖光柵加速度傳感器對兩個光柵的中心波長的要求比較嚴格，封裝過程容易導致兩個光柵的中心波長失配，導致傳感器失效；而且其結(jié)構(gòu)為等強度梁，應(yīng)力集中區(qū)域在慣性質(zhì)量塊附近，此部分容易損壞，這些因素容易引起光柵啁啾而導致傳感器無法正常使用。
[0005]鑒于以上技術(shù)問題，實有必要提供一種溫度不敏感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】
】
[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服上述加速度傳感器的缺點，提供一種單光柵溫度不敏感的雙巨型臂梁光纖光柵加速度傳感器。
[0007]為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器，采用雙矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)，該雙矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)包括第一至第四懸臂梁、慣性質(zhì)量塊以及第一和第二懸臂梁固定端，所述慣性質(zhì)量塊位于四個懸臂梁的幾何中心，并固定于四個懸臂梁上或聯(lián)為一個整體，第一和第二懸臂梁固定端固定在四個懸臂梁的兩端；所述溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器進一步包括有傳感器頂蓋和底座，所述傳感器頂蓋與慣性質(zhì)量塊之間留有一定距離并與第一和第二懸臂梁固定端的上端固定連接，所述底座與慣性質(zhì)量塊之間留有一定距離并與第一和第二懸臂梁固定端的下端固定連接；所述懸臂梁的非線性均勻應(yīng)變區(qū)域封裝有傳感光柵，傳感光柵通過光纖出孔與外部解調(diào)單元相連。
[0009]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述傳感器頂蓋和底座上設(shè)置有對慣性質(zhì)量塊進行限位的限位結(jié)構(gòu)，以限制傳感器震動的最大位移。
[0010]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述限位機構(gòu)為朝向慣性質(zhì)量塊方向凸起的凸起部分。
[0011]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述四個懸臂梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，具有對稱結(jié)構(gòu)。
[0012]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述四個懸臂梁由相同的彈性合金制成。[0013]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述傳感光柵位于懸臂梁的中心軸線上，光纖輸出端通過光纖出孔穿出傳感器的第二懸臂梁固定端，并密封處理。
[0014]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述傳感光柵的中心波長為1543.5nm~1560.423nm,3dB帶寬為0.26~0.35nm，傳感光柵的幾何長度為14~16mm。
[0015]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述懸臂梁的厚度為0.5~0.8mm，長度為25mm，寬度為 10mnin
[0016]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述質(zhì)量塊的長度為10mm，寬度為10mm，高度為8.4~9mm ο
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果:本發(fā)明利用光纖光柵的非均勻應(yīng)變傳感原理，使梁的外表面產(chǎn)生線性非均勻應(yīng)變，將單只光纖光柵封裝在矩形梁外表面的線性非均勻應(yīng)變區(qū)域，當外界振動信號作用于該結(jié)構(gòu)時，引起傳感器內(nèi)慣性質(zhì)量塊的振動，進而產(chǎn)生慣性力，導致與質(zhì)量塊聯(lián)接的兩個懸臂梁的表面產(chǎn)生線性非均勻應(yīng)變，使得封裝于其上的光柵光譜的帶寬產(chǎn)生展寬，反射功率線性增大，而溫度不影響光柵的反射譜的功率，與普通振動傳感器相比，實現(xiàn)了溫度不敏感加速度測量；而且通過一只光柵解決了溫度和加速度交叉敏感問題。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0018]圖1為本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]其中，I為傳感光柵，2、5、7、9分別為第一、第二、第三和第四懸臂梁，3為慣性質(zhì)量塊，4為傳感器頂蓋,6、10分別為第一和第二懸臂梁固定端,8為底座，11為光纖出口。
【【具體實施方式】】
[0020]下面結(jié)合附圖和各實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明，但本發(fā)明不限于這些實施例。
[0021]實施例1
[0022]請參閱圖1所示，本發(fā)明溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器為雙矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)，主要由傳感光柵1、第一懸臂梁2、慣性質(zhì)量塊3、傳感器頂蓋4、第二懸臂梁5、第一懸臂梁固定端6、第三懸臂梁7、底座8、第四懸臂梁9、第二懸臂梁固定端10、光纖出孔11聯(lián)接構(gòu)成。所述慣性質(zhì)量塊3處于四個懸臂梁的幾何中心，并固定于四個懸臂梁上或聯(lián)為一個整體，第二懸臂梁固定端10和第一懸臂梁2、第四懸臂梁9的左端固定并聯(lián)為一個整體，第一懸臂梁固定端6和第二懸臂梁5、第三懸臂梁7的右端固定并聯(lián)為一個整體，傳感器頂蓋4與第二懸臂梁固定端10和第一懸臂梁固定端6的上端密封焊接或膠密封固接，傳感器底座8與第二懸臂梁固定端10和第一懸臂梁固定端6的下端密封焊接或膠密封固接，同時，傳感器頂蓋4和底座8設(shè)計有對慣性質(zhì)量塊3的限位結(jié)構(gòu)。所述第一懸臂梁2的非線性均勻應(yīng)變區(qū)域封裝所述傳感光柵1，傳感光纖通過光纖出孔11與外部解調(diào)單元相連接。
[0023]如圖1所示，雙矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)主要由第一懸臂梁2、第二懸臂梁5、第三懸臂梁7、第四懸臂梁9、慣性質(zhì)量塊3、第一懸臂梁固定端6和第二懸臂梁固定端10構(gòu)成，四個懸臂梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，具有對稱結(jié)構(gòu)，且由相同的高彈性合金制成，慣性質(zhì)量塊3通過焊接方法固定在中心位置，第一懸臂梁固定端6和第二懸臂梁固定端10的上端與傳感器頂蓋4焊接密封聯(lián)結(jié)，傳感器頂蓋4與慣性質(zhì)量塊相對的一面設(shè)置有第一凸起部分以限制傳感器向上振動的最大位移，第一懸臂梁固定端6和第二懸臂梁固定端10的下端與底座8焊接密封聯(lián)結(jié)，底座8與慣性質(zhì)量塊3相對的一面設(shè)置有第二凸起部分以限制傳感器向下振動的最大位移，第一凸起部分和第二凸起部分構(gòu)成對慣性質(zhì)量塊3的限位結(jié)構(gòu)，對傳感器起到過載保護作用。傳感光柵I通過393ND膠封裝于第一懸臂梁2的線性非均勻敏感應(yīng)變區(qū)，并處在第一懸臂梁2的中心軸線上，光纖輸出端通過光纖出孔11穿出傳感器的第二懸臂梁固定端10，并通過膠393ND密封。本實施例的傳感光柵I為均勻光纖光柵，光纖光柵的中心波長為1551.256nm, 3dB帶寬為0.35nm，光纖光柵的幾何長度為15臟，光柵的反射率大于90%，懸臂梁2、懸臂梁5、懸臂梁7和懸臂梁9的厚度為0.5mm,長度為25mm，寬度為IOmm ;質(zhì)量塊的長度為IOmm,寬度為IOmm,高度為9mm。
[0024]實施例2
[0025]本實施例中，傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料均與實施例1相同，不同在于:傳感光柵I的位置處在第二懸臂梁5的線性非均勻應(yīng)變區(qū)域，傳感光柵I的中心波長為1560.423nm,3dB帶寬為0.28nm，光纖光柵的幾何長度為14mm，光柵的反射率大于90%，其它零部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與實施例1相同。
[0026]實施例3
[0027]本實施例中，傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料均與實施例1相同，不同在于:傳感光柵I的位置處在第三懸臂梁7的線性非均勻應(yīng)變區(qū)域，傳感光柵I的中心波長為1543.5nm，3dB帶寬為0.26nm，光纖光柵的幾何長度為16mm，光柵的反射率大于90%，其它零部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與實施例1相同。
[0028]實施例4
[0029]本實施例中，傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料均與實施例1相同，不同在于:傳感光柵I的位置處在第四懸臂梁9的線性非均勻應(yīng)變區(qū)域，傳感光柵I的中心波長為1545.49nm，3dB帶寬為0.30nm，光纖光柵的幾何長度為10mm，光柵的反射率大于90%，其它零部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與實施例1相同。
[0030]實施例5
[0031]在以上的實施例1?4不同點在于:第一懸臂梁2、第二懸臂梁5、第三懸臂梁7、第四懸臂梁9的厚度為0.8mm，質(zhì)量塊的長度為10mm，寬度為10臟，高度為8.4臟。其它零部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與實施例1相同。
[0032]使用時，將本發(fā)明安裝在被測對象上，將信號傳輸光纖與光纖光柵解調(diào)模塊相連，當外界的振動信號作用于被測物體時，慣性質(zhì)量塊3在慣性力的作用下，雙矩形梁的第一懸臂梁2至第四懸臂梁9上產(chǎn)生線性非均勻應(yīng)變，使得粘貼在懸臂梁上的傳感光柵的光譜帶寬展寬，引起反射光強也發(fā)生周期性的變化，通過光電探測及數(shù)據(jù)處理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。
[0033]本發(fā)明的工作原理如下:
[0034]將一只傳感光柵封裝在懸臂梁的線性非均勻應(yīng)變區(qū)，當被測對象發(fā)生振動時，慣性質(zhì)量塊3振動，在慣性質(zhì)量塊3的慣性力作用下，雙矩形梁的懸臂梁上產(chǎn)生線性非均勻應(yīng)變，使得光柵的各個子反射譜在同一波長位置相互疊加，整個光纖光柵反射譜呈現(xiàn)帶寬展寬的布拉格啁啾譜，最終使得整個光纖光柵反射譜呈現(xiàn)出一個峰值功率下降但總反射光強增加的布拉格啁啾展寬譜，通過檢測反射光強的變化實現(xiàn)外界加速度的檢測。啁啾譜的帶寬展寬量Λ λ BW可表示為最大諧振波長λ _與最小諧振波長Xmin之差:
[0035]Δ λ Bw = λ max- λ min = 2neff A [ (1-Pe) ( ε max- ε min) + ( a + ξ ) (Tmax-Tmin) ] (I)
[0036]式中匕為光纖材料的有效彈光系數(shù)，和^min分別為子光柵受到的最大應(yīng)變和最小軸向應(yīng)變，α、ξ分別為光柵的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)，Tmax、Tmin為子光柵受到的最大溫度和最小溫度，nrff、A為光柵的有效折射率和光柵周期。反射光譜的光強的變化Λ P與光柵的帶寬Λ λ BW之間的關(guān)系為:
[0037]ΔΡ = ka2lossRPBBs(A) Δ λ Bff (2)
[0038]式中k和a 1(^分別為`器件連接的光強耦合系數(shù)和光纖傳輸損耗，R為光柵的反射率，PbbsU)為光源的輸出譜密度。
[0039]從上式(1)、(2)可以看出，由于傳感光柵處在同一溫度，所以溫度對光柵帶寬展寬沒有影響，僅僅影響光柵的中心波長的漂移，實現(xiàn)對溫度不敏感測量。當受到外界振動信號的影響，則慣性質(zhì)量塊上下運動，引起懸臂梁產(chǎn)生線性非均勻應(yīng)變，即光柵中的每一個子柵集受到不同的應(yīng)變，則導致光柵光譜的整體展寬，從而引起光強的變化，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。
[0040]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點:
[0041]1、采用雙矩形懸臂梁作為振動信號的敏感元件，與單等強度梁、雙等強度梁單矩形梁相比，提高了橫向抗干擾能力，在同樣諧振頻率的情況下，對于擴展加速度傳感器的線性平坦區(qū)頻率范圍具有重要的意義。
[0042]2、采用雙矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)，傳感器工作時，懸臂梁2、懸臂梁5、懸臂梁7、懸臂梁9的表面會產(chǎn)生一個線性非均勻應(yīng)變區(qū)，每一個梁的上下兩個表面應(yīng)變相反，同時懸臂梁2與懸臂梁5的上下表面的應(yīng)變方向相反，且應(yīng)變大小相同；懸臂梁7與懸臂梁9的上下表面的應(yīng)變方向相反，且應(yīng)變大小相同，所以該結(jié)構(gòu)的應(yīng)變敏感區(qū)域選擇靈活，同時可采用多個應(yīng)變敏感區(qū)組成橋路，提聞靈敏度。
[0043]3、將一只普通的光纖光柵I封裝在四個懸臂梁的任何一個梁上的線性非均勻應(yīng)變區(qū)，由于整個傳感光柵I處于同一溫度環(huán)境下，溫度僅僅影響光柵光譜的中心波長，不影響光柵的反射譜能量，有效地消除了外界環(huán)境溫度波動對對振動信號的影響，實現(xiàn)了溫度不敏感加速度測量。[0044]4、在頂蓋4和底座8上的凸起部分限制質(zhì)量塊3的位移，同時可并根據(jù)加速度的測量范圍設(shè)計凸起部分的高度，起到有效過載保護的作用。
[0045]本發(fā)明利用光纖光柵的非均勻應(yīng)變傳感原理，設(shè)計特殊的結(jié)構(gòu)，使梁的外表面產(chǎn)生線性非均勻應(yīng)變，將單只光纖光柵封裝在矩形梁外表面的線性非均勻應(yīng)變區(qū)域，當外界振動信號作用于該結(jié)構(gòu)時，引起傳感器內(nèi)慣性質(zhì)量塊的振動，進而產(chǎn)生慣性力，導致與質(zhì)量塊聯(lián)接的兩個懸臂梁的表面產(chǎn)生線性非均勻應(yīng)變，使得封裝于其上的光柵光譜的帶寬產(chǎn)生展寬，反射功率線性增大，而溫度不影響光柵的反射譜的功率，與普通振動傳感器相比，實現(xiàn)了溫度不敏感加速度測量；而且通過一只光柵解決了溫度和加速度交叉敏感問題，同時，在與振動方向相垂直的兩表面上安裝了限位裝置，有效地防止質(zhì)量塊位移過大導致傳感器超量程，有效的實現(xiàn)過載保護，避免由于使用不當或信號過載而造成的光纖光柵傳感器的損壞，大大提高了光纖光柵傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。
[0046]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果:
[0047]1、首先，本發(fā)明采用單光柵通過光纖光柵的帶寬展寬來實現(xiàn)加速度的測量，不需要兩只光柵，更簡單易行，所以不存在光纖光柵的匹配問題，光纖光柵的封裝工藝更簡單，容易實現(xiàn)。
[0048]2、由于等強度梁的幾何結(jié)構(gòu)要求，使得與質(zhì)量塊相連接的部分比固定端要窄的多，恰恰由于該原因，使得該處的應(yīng)力比較集中，同時光纖光柵的封裝位置又不在此處，沒有起到增敏的作用，反而比較容易被破壞，大大降低了雙等強度梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。
【權(quán)利要求】
1.一種溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器，其特征在于:所述溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器采用雙矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)，該雙矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)包括第一至第四懸臂梁(2、5、7、9)、慣性質(zhì)量塊(3)以及第一和第二懸臂梁固定端(6、10)，所述慣性質(zhì)量塊(3)位于四個懸臂梁的幾何中心，并固定于四個懸臂梁上或聯(lián)為一個整體，第一和第二懸臂梁固定端(6、10)固定在四個懸臂梁的兩端；所述溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器進一步包括有傳感器頂蓋(4)和底座(8)，所述傳感器頂蓋(4)與慣性質(zhì)量塊之間留有一定距離并與第一和第二懸臂梁固定端的上端固定連接，所述底座(8)與慣性質(zhì)量塊之間留有一定距離并與第一和第二懸臂梁固定端的下端固定連接；所述懸臂梁的非線性均勻應(yīng)變區(qū)域封裝有傳感光柵Cl),傳感光柵通過光纖出孔與外部解調(diào)單元相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器，其特征在于:所述傳感器頂蓋(4)和底座(8)上設(shè)置有對慣性質(zhì)量塊進行限位的限位結(jié)構(gòu)，以限制傳感器震動的最大位移。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器，其特征在于:所述限位機構(gòu)為朝向慣性質(zhì)量塊方向凸起的凸起部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器，其特征在于:所述四個懸臂梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，具有對稱結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器，其特征在于:所述四個懸臂梁由相同的彈性合金制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器，其特征在于:所述傳感光柵位于懸臂梁的中心軸線上，光纖輸出端通過光纖出孔穿出傳感器的第二懸臂梁固定端，并密封處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器，其特征在于:所述傳感光柵的中心波長為1543.5nm?1560.423nm，3dB帶寬為0.26?0.35nm，傳感光柵的幾何長度為14?16mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器，其特征在于:所述懸臂梁的厚度為0.5?0.8mm,長度為25mm,寬度為10mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫度不敏感光纖光柵加速度傳感器，其特征在于:所述質(zhì)量塊的長度為IOmm,寬度為IOmm,高度為8.4?9mm。
【文檔編號】G01H9/00GK103823080SQ201410078604
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】劉欽朋, 喬學光, 賈振安, 傅海威, 高宏, 禹大寬, 邵敏 申請人:西安石油大學