[实用新型]一种基于光纤悬臂梁的光纤光栅加速度传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅的小型化加速度 传感器。为了使传感器结构更加简约有效，提高频响能力，提升长期可靠性，减小尺寸，本实 用新型设计了一种基于多光纤结构悬臂梁的光纤光栅加速度传感器，即悬臂梁也是由光纤 本身构成。

背景技术

振动测量与试验一直是工程技术界重视的课题，对于航空航天、动力机械、交通运 输、军械兵器、能源工业、土木建筑、电子工业、环境保护等尤为重要。振动直接影响着机器 （或结构）的运行稳定性、安全性，人体感觉的舒适性，直接影响着生产的有效性和精确性。 根据被测参数的不同，可将测试传感器分为位移计、速度计、加速度计、力传感器等种类，而 其中加速度计则是测量动态特性的关键器件。高质量的测试仪器、设备及现代化的测试方 法是随着生产的需要发展起来的，光纤加速度传感器是从上世纪八十年代发展起来的一种 新型传感器，相比于电子式加速度传感器，在多点测量和部分应用背景下拥有明显的优势。 近十几年来在国内外科研工作者的努力下，已出现了众多不同类型的光纤加速度传感器， 从基本原理上可将其分为强度调制型、相位调制型、带宽调制型和波长调制型等，其中带宽 调制本质上也是属于波长调制一类，不同的是其将加速度物理量转换为光栅的反射峰带宽 而不是中心波长的漂移量。除了这些基本分类之外，还出现了光纤激光器型等新结构的光 纤加速度计。在实际工程应用方面，也有一些公司推出了较为实用的传感器产品，如用于高 压高温石油井下勘探的三分量光纤加速度计垂直阵列系统、基于Michelson干涉仪的三维 光纤加速度计岸基阵列系统等。为了使传感器结构更加简约有效，提高频响能力，提升长期 可靠性，减小尺寸，本实用新型设计了一种基于多光纤结构悬臂梁的光纤光栅加速度传感 器，即悬臂梁也是由光纤本身构成。

虽然加速度传感器的结构多种多样，但就其基本原理来说，主要是以牛顿第二运 动定律（惯性定律）作为理论基础。在理想情况下，每个传感探头就是一个标准的质量惯性 体系，利用体系的受迫振动特性来进行振动测量。总体来说，基于类悬臂梁结构的光纤加速 度传感器是被研究的较为广泛的一种类型，它具有结构简单、可靠性高等其余种类结构所 无法比拟的优势。目前，公知的绝大多数光纤光栅加速度传感器都是基于各种类型的弹性 梁结构，如弹簧钢材料的变截面梁、双孔梁、弓形梁、L形梁等，以实现增敏、提高频响范围的 作用。但是复杂机构的引入不可避免的增大了传感器的尺寸和重量，一定程度上增加了传 感器的故障率，且光纤与其他材料的胶水粘接的长期稳定性不高。为了使传感器结构更加 简约有效，提高频响能力，提升长期可靠性，减小尺寸，本实用新型设计了一种基于多光纤 结构悬臂梁的光纤光栅加速度传感器，即悬臂梁也是由光纤本身构成。

发明内容

为了使传感器结构更加简约有效，提高频响能力，提升长期可靠性，减小尺寸，本 实用新型设计了一种基于多光纤结构悬臂梁的光纤光栅加速度传感器，即悬臂梁也是由光 纤本身构成。

本实用新型解决其技术问题所采用的具体技术方案是：一种小尺寸的高频响能力 的光纤光栅加速度传感器，该主体结构由质量块、光纤悬臂梁和基座组成。

所述的质量块采用耐久性的高分子材料制成，作为振子，其外形为圆柱体，内有孔 洞，可插入光纤悬臂梁并固定。

所述的光纤悬臂梁由五根直径和材料均相同的光纤组成，其横截面成上二下三两 排的五环形状排列，分别为第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤和第五光纤；光纤之间 通过胶黏剂牢固粘接在一起；第一光纤、第二光纤、第三光纤和第五光纤为普通单模或多模 光纤，主要起到支撑作用；第四光纤为单模光纤，其上刻写了光栅，作为光纤悬臂梁的一部 分并起到感知加速度的作用。

所述的基座由普通金属材料制成，用于为光纤悬臂梁提供固定点，其可以为任意 形状。

上述方案中，所述的第一光纤、第二光纤、第三光纤和第五光纤的长度仅为质量块 到基座之间的一小段，第四光纤为实际有用的传感光纤，连接到传感器的尾纤上。

优选的，所述的光纤光栅的栅区长度小于5毫米。

优选的，所述的第四光纤上的光栅在安装时处于紧邻基座的位置。

优选的，所述的光纤悬臂梁的五根光纤之间通过高强度玻璃胶粘接，或其它专用 于石英玻璃粘接的胶黏剂粘接。

优选的，所述的含有光纤光栅的第四光纤的端面研磨成一定的角度，以减小端面 反射光对解调系统的干扰。