[发明专利]具有自温补功能的高可靠光纤光栅加速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅加速度传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

目前，光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG，简称光纤光栅)传感技术已经在国内外得到广泛应用，如桥梁、大坝、隧道、建筑等土木工程结构的温度和应力变形监测，滑坡、泥石流等地质灾害监测，开关柜、变压器、电缆、架空线等输变电设备在线测温，油罐、隧道等火灾自动报警，压力容器、起重机械等特种设备结构安全监测以及矿井结构安全监测等等。

振动的研究和测试是现代工业发展的一项基础，在科学技术、国民经济和国防领域有着广泛的应用。振动传感器所测量的振动信号可以通过振动加速度或振动幅度来表征，因此振动信号的检测有基于振动加速度的振动检测和基于振动幅度的振动检测的两种方案，而前者是主要的检测方案。根据振动信号物理检测方式的不同，又可以分为电检测式加速度传感器和光检测式加速度传感器。

电检测加速度传感器利用振动敏感机构感知振动加速度，振动敏感机构主要由敏感质量块、弹性元件和转换元件构成。电检测加速度传感器主要包括电磁感应式、电容式和压电式三种。在振动加速度的作用下，敏感质量块感知振动加速度而产生运动或应力变化，带动与之相连的转换元件如电磁线圈、电容极板运动或产生压电晶片的应力变化，电磁线圈在永磁体的磁场中运动切割磁力线而产生感生电压、电容极板的位置变化改变电容值的大小、压电晶片的应力变化产生的压电信号，从而通过电信号的变化感知振动信号。电检测加速度传感器的敏感器的电输出信号一般十分微弱，需要电信号检测单元中放大电路提供增益，因此电信号检测单元与振动敏感器通常必须封装在同一封装结构中构成加速度传感器，也就是说电信号检测单元与振动敏感器两者是不能分离的。电检测加速度传感器同时还必须自带电源或外部供电。电检测加速度传感器的特点是易受到电磁干扰、信号传输距离近、需要电源供电，因此限制电检测加速度传感器在一些场合如存在电磁干扰、现场供电困难、远距离传输的应用。

光检测式加速度传感器利用光信号检测物体的振动，包括非接触式和接触式两种主要形式。非接触式加速度传感器主要是利用光信号直接检测物体某部位表面的振动幅度(即位移)来感知振动，属于绝对振动测量，有光纤位移检测、激光三角法、激光器外腔振荡法等方法。非接触式加速度传感器还有一种方式是利用光信号检测物体某部位表面的振动速度导致的反射或散射光信号的多普勒频移来感知振动。接触式加速度传感器与振动物体固定连接，利用振动敏感机构感知物体振动加速度，振动敏感机构主要由敏感质量块、弹性元件和转换元件构成。由于光纤传感器具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、适于易燃易爆环境，通常利用光纤来实现，称为光纤加速度传感器或光纤加速度计。光纤加速度传感器根据敏感原理可以分为相位调制型、波长调制型和光强调制型。相位调制型光纤加速度传感器主要利用多种方式将振动信号转化为光相位的变化，然后利用光纤干涉仪，如法布里-珀罗(F-P)干涉仪、迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪来检测相位的变化。这种光纤加速度传感器具有灵敏度高的优点，但光纤干涉仪结构复杂、存在稳定性问题，实用化较为困难，成本也较高。

波长调制型光纤加速度传感器主要基于光纤光栅(FBG)传感技术，通过敏感机构带动FBG应力变形，导致FBG反射波长的变化，利用波长解调得到加速度信号。光纤光栅加速度传感器除具备光纤传感器固有的优点外，由于其输出表征信号为光栅反射的光信号的中心波长，属于数字量，所以具有优异的传输特性(不受光源波动及长距离传输光纤引入衰减的影响)，而且通过不同波长复用可以方便地实现准分布式测量。可以广泛应用于核爆试验、航空航天工程等国防尖端技术领域及水利水工结构、桥梁和建筑结构、机械设备等的加速度监测与测量。

由于光纤光栅本身对温度及应变同时敏感，在使用光纤光栅做为加速度传感器敏感元件时会受到温度的影响而导致测量精度大大降低；此外，光纤光栅虽然具有良好的轴向抗拉伸疲劳能力，但一旦其受力方向偏离轴向，极易被剪切力折断。针对这些实际工程应用问题，本发明提出一种既能消除温度影响又能避免光纤光栅断裂的具有自温补功能的高可靠光纤光栅加速度传感器。

发明内容

本发明的目的是针对传统光纤光栅传感器灵敏度低，可靠性差的问题，提供一种具有自温补功能的高可靠光纤光栅加速度传感器。

具有自温补功能的高可靠光纤光栅加速度传感器，该传感器包括菱形梁、振动粱、质量块、光纤光栅和传输光纤；

所述菱形梁包括菱形筒、一号方形梁、二号方形梁、三号方形梁和四号方形梁；