[发明专利]基于U型悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及到一种用于对石油勘探中地震波加速度的幅值和振动频率实时检测的光纤光栅加速度传感器。

背景技术

光纤光栅加速度传感器的基本传感原理是利用弹性元件的受力把加速度量转换为光纤布拉格光栅的应变量，从而转化为布拉格波长的变化，通过检测波长的变化实现对加速度幅值的测量。作为一种新型的光无源器件，光纤光栅加速度传感器具有许多电磁类加速度传感器无法比拟的优点，如：用波长编码信号，便于构成分布式传感网络；能实现对现场的实时在线绝对测量；能在强电磁场中正常工作等。自1989年Morey首次报道将光纤光栅应用于传感器中以来，光纤光栅传感器受到了世界范围内的广泛重视，并且已经取得了持续和快速的发展。随着光纤光栅传感技术的发展以及人们在振动测试领域的不断探索，光纤光栅加速度传感器也成为了一个新的研究和发展的方向，并且已经成功应用于地震勘探、民用建筑、医疗、环保以及航空测试等方面。

固有频率和灵敏度是加速度传感器的两个重要指标。灵敏度决定了加速度传感器分辨能力的大小，而固有频率则决定其适用的频率范围，这两个指标就决定了加速度传感器的使用领域，在设计加速度传感器时必须要加以充分考虑。但固有频率和灵敏度是一对矛盾的关系，固有频率的增加通常以牺牲灵敏度为代价，反之亦然，因此优化固有频率和灵敏度的关系一直是国内外研究者们关注的核心问题。1996年Berkoff等人提出的光纤光栅嵌入式加速度传感器的固有频率达到2000Hz，灵敏度系数为112με/g，但横向抗干扰能力差；2010年李川等人提出的基于等强度悬臂梁的光纤布拉格光栅低频加速度传感器的固有频率为16.96Hz，灵敏度系数为347.5pm/g，显然频率响应范围太狭窄，使用上受到限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述光纤光栅加速度传感器的缺点，提供一种设计合理、结构简单、固有频率和灵敏度优化的基于U型悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在壳体内的底板左侧设置有左支座、右侧设置有右支座，壳体的左端壁上加工有左通孔a、右端壁上加工有右通孔b，左支座上部和右支座上部设置有上端面与左通孔a和右通孔b的中心在同一平面内的杠杆，杠杆上端设置有光纤布拉格光栅，壳体内杠杆下方底板上设置有左支柱和右支柱，左支柱和右支柱之间设置有平膜片，平膜片上设置有上端与杠杆相联的质量块。

本发明的杠杆为：在左支座上端设置有左形刚性悬臂梁，右支座上部设置有右L形刚性悬臂梁，光纤布拉格光栅的左端设置在左L形刚性悬臂梁短臂上端面、右端设置在右L形刚性悬臂梁短臂上端面，左L形刚性悬臂梁的右端与右L形刚性悬臂梁的左端通过设置在质量块上端面的铰轴相联接。

本发明的左L形刚性悬臂梁的短臂位于竖直平面内、长臂位于水平平面内，长臂与短臂在同一个平面内相垂直。本发明的右L形刚性悬臂梁的短臂位于竖直平面内、长臂位于水平平面内，长臂与短臂在同一个平面内相垂直。

本发明的左L形刚性悬臂梁的短臂与长臂的长度比为1∶2～4。本发明的右L形刚性悬臂梁与左L形刚性悬臂梁的形状相同、几何尺寸相同。

本发明的平膜片为316L不锈钢平膜片，平膜片的直径为15～25mm，厚度为0.02～0.06mm。

本发明的光纤布拉格光栅4的中心波长为1530～1550nm。

本发明在粘贴光纤布拉格光栅时采取两点粘贴的方式，避免了完全粘贴光纤光栅时可能造成的光谱的啁啾化，当外界振动时质量块产生轴向振动并传递给平膜片，使平膜片中心产生挠度变化，同时由于U形杠杆的转动使光纤布拉格光栅产生轴向应变，导致布拉格波长发生漂移，根据杠杆原理光纤布拉格光栅的应力又会给平膜片传递一个反作用力使其产生挠度形变，从而建立光纤布拉格光栅应变量与平膜片的实际挠度之间的关系。由于光纤光栅的应变会导致布拉格波长的漂移，通过动态解调仪还原出振动信号得出光纤光栅中心波长的漂移量，从而可以得出外界振动信号的频率和加速度幅值的信息。经实验室实验表明，本发明的频率响应范围为0～80Hz，灵敏度系数为91.6pm/g，与同等尺寸的普通悬臂梁加速度传感器相比，具有可视化观测里面的振动、体积小、频响范围宽、灵敏度高等优点，将本发明安装在管道上，结合光纤传感网络，可实现多个传感器的多点实时永久测量，可在油气管线上推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施例1的频谱图。

图3是本发明实施例1的线性响应图。