[发明专利]一种扭转式光纤加速度传感器

说明书

技术领域

本发明属于计量测试技术，涉及一种扭转式光纤加速度传感器。

背景技术

光纤传感技术是70年代中期发展起来的一门新技术。它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。它以光纤为传输介质，当光纤光栅所在环境参数发生变化时，光波的传输特性会随之改变，利用光纤光栅的这一特性可以实现对应力、振动(包括速度、加速度等)、压力、温度、湿度等参数的测量。由于具有抗电磁干扰、耐高温高压、抗腐蚀、体积小、重量轻，易于集成等优点，光纤类传感器越来越多的取代传统电子传感器应用于各类大型装备，成为先进传感技术发展的一种趋势。

在光纤传感技术不断发展和走向成熟的过程中，光纤光栅加速度传感器也比较早的受到国内外研究者的关注，目前的光纤加速度计商业产品已经在各种振动测量领域得到应用。在已有的光纤加速度传感器设计方案中，多以弯曲梁结构为主，也有拉伸与杠杆机构形式作为有力的补充，但是已有产品的测量频率都偏低，无法覆盖传统加速度传感器的频率范围，另外由于光纤光栅的特点，温度补偿问题也一直在一定程度上限制着光纤传感器的发展。

发明内容

由于光纤传感的敏感方式比较灵活，给加速度传感器的结构设计留下较大的空间，因此光纤加速度传感器的结构相对多样；但是，各种结构的设计目标始终指向固有频率与灵敏度两个指标的优化，以及温度补偿问题的解决。因此，对以上两方面性能的提高程度，决定了光纤加速度传感器设计的水平，以及设计方案的发展潜力，这也是光纤加速度传感器未来发展的方向。为了使光纤加速度传感器跟上其它光纤类传感器的发展步伐，尽早达到传统加速度传感器的性能指标，在将来光纤传感网络化时代发挥重要作用，必须在敏感方式与结构形式方面找到根本的创新解决方案，才能为传感器性能的大幅提升提供必要条件。

本发明的目的是提出一种提高加速度传感器的频率范围，同时解决温度补偿问题的扭转式光纤加速度传感器。本发明的技术解决方案是，传感器包括弹性体、质量块、光纤光栅，传感器的弹性扭转轴的两个端部固定在传感器的外壳上，弹性扭转轴的中部设置一个旋转盘，旋转盘上设置偏心质量块，带有预应力的光纤光栅缭绕上旋转盘的圆周上，光纤光栅的引出端固定在安装环上，安装环固定在传感器的外壳上；通过引出端将光信号接入解调仪表。

所述的光纤光栅的两段悬空处等长度并且两段光栅完全相同。

所述的安装环、旋转盘与弹性扭转轴三者同轴。

光纤光栅缭绕旋转盘的半径不受扭转轴尺寸与偏向质量位置的限制，而根据灵敏度需要进行设计。

本发明具有的优点和有益效果，

1、不需要通过降低固有频率的方法(如减小扭转轴半径或增加偏心质量)来提高灵敏度，在一定程度上将固有频率与灵敏度的影响因素分离设计，为高频加速度传感器的研制留下较大的设计空间。

2、安装环、旋转盘与弹性扭转轴三者同轴，比较容易保证两段光栅悬空段长度相等，同时采用相对简单的缠绕安装工艺，比较容易保证差动方式所要求的各种条件，非常有利于传感器对温度变化的影响进行有效消除。

3、弹性元件线性范围较宽，敏感元件光纤光栅的布置稳定可靠，提高光纤加速度传感器输出结果的线性度与稳定性。

本发明根据光纤加速度传感器的现状与未来发展方向，考虑差动方式适用条件的同时，针对固有频率与灵敏度的矛盾，将传感器结构设计为扭转形式，并对相应制作工艺进行独特设计，充分发挥光纤传感方式的优势，光纤缠绕扭转轴，带预应力的光栅悬空测量光纤轴向的均匀应变，确保温度自补偿效果以及传感器固有频率的提高。首先，以线性良好的扭转轴作弹性元件，光纤光栅缠绕并沿转盘切线拉紧保证应变均匀且方向稳定，提高传感器输出的线性度与稳定性。其次，两支完全相同的光栅可以连接在同一根光纤上，并将光纤缠绕固定于设计独特的同轴安装环，保证满足差动方式所要求的条件，有利于传感器对温度补偿。更重要的是，在一定程度上将固有频率与灵敏度的影响因素分离设计，为高频加速度传感器的研制留下较大的设计空间。本发明从设计原理上提供了一种光纤加速度传感器的设计思路，为改善光纤加速度传感器的温补功能以及测频范围提供原创性的解决思路，将为传感器性能的大幅提升提供必要条件。