一種高靈敏度FBG加速度傳感器制造技術

本發明專利技術涉及一種高靈敏度FBG加速度傳感器，包括基座、上蓋，基座和上蓋之間通過螺釘連接，基座和上蓋形成的空間內設有懸臂梁，懸臂梁一端與基座螺紋連接，另一端與質量塊螺紋連接，質量塊處于懸空狀態，懸臂梁上設有兩個支塊，其中支塊一設于懸臂梁與基座的連接端，支塊二設于支塊一與質量塊之間，基座兩側設有光纜接頭，光纖通過兩個光纜接頭且固定于支塊一和支塊二上，光柵柵區位于支塊一和支塊二之間。發明專利技術有益的效果是：本發明專利技術光柵柵區兩端固定在懸臂梁與支塊之間，提高了傳感器的靈敏度，避免了出現啁啾或多峰現象，推導了設計計算的力學模型，對傳感器進行了過載安全保護設計、光柵預拉伸設計等；采用有限元分析計算得出了懸臂梁應變分布情況及6階固有頻率，證明分析結果與設計計算吻合。

【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種光纖光柵傳感器，尤其是一種高靈敏度FBG加速度傳感器。
技術介紹
光纖光柵傳感器屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對光纖布拉格波長的調制來獲取傳感信息，是一種波長調制型光纖傳感器。現有的光纖光柵加速度傳感器在使用時，容易出現啁啾或多峰現象，其靈敏度是一個問題。并且在 外界過大沖擊作用時，過大的加速度會使光柵產生很大的軸向應變使得光柵被拉斷。
技術實現思路
本專利技術要解決上述現有技術的缺點，提供一種耐用的高靈敏度FBG加速度傳感器。本專利技術解決其技術問題采用的技術方案這種高靈敏度FBG加速度傳感器，包括基座、上蓋，基座和上蓋之間通過螺釘連接，基座和上蓋形成的空間內設有懸臂梁，懸臂梁一端與基座螺紋連接，另一端與質量塊螺紋連接，質量塊處于懸空狀態，懸臂梁上設有兩個支塊，其中支塊一設于懸臂梁與基座的連接端，支塊二設于支塊一與質量塊之間，基座兩側設有光纜接頭，光纖通過兩個光纜接頭且固定于支塊一和支塊二上，光柵柵區位于支塊一和支塊二之間。作為優選，所述光柵設有預拉伸。作為優選，所述基座底部設有一個限位螺釘，限位螺釘的中心位置與質量塊的集中載荷共線，限位螺釘的端面與質量塊之間設有間隙。作為優選，所述基座采用鋁合金材質。作為優選，所述基座和上蓋形成的空間內的螺紋連接處設有螺紋密封膠。作為優選，所述基座和上蓋形成的空間內部設有潤滑油阻尼液。專利技術有益的效果是本專利技術通過調整支塊的尺寸可以明顯改善傳感器的靈敏度，同時光柵柵區部分采用懸空方式，不直接粘貼到懸臂梁上可以有效避免出現中心波長啁啾或展寬現象；得出了該新型加速度傳感器的具體結構尺寸，同時對于預拉伸、防過載破壞及溫度補償進行了結構設計；對傳感器的傳感單元進行了有限元仿真分析，結果與前面設計理論結果十分吻合；故本專利技術設計的光纖光柵加速度傳感結構為新型加速度傳感器設計提供了一種新穎的設計思路和方法，具有極大的實用意義和價值。附圖說明圖I是本專利技術的結構示意圖；圖2是傳感單元力學模型結構圖；圖3是純彎梁彎曲變形表面幾何關系圖；圖4是應變分布云圖5是一階模態應力分布云圖；附圖標記說明基座1，上蓋2，質量塊3，懸臂梁4，支塊一 5，支塊二 6，光纜接頭7，光纖8，光柵柵區9，限位螺釘10。具體實施例方式下面結合附圖對本專利技術作進一步說明實施例如圖I所示，一種高靈敏度FBG加速度傳感器，包括基座I、上蓋2，基座I和上蓋2之間通過螺釘連接，基座I和上蓋2形成的空間內設有懸臂梁4，懸臂梁4 一端與基座I螺紋連接，另一端與質量塊3螺紋連接，質量塊3處于懸空狀態，懸臂梁4上設有兩個支塊，其中支塊一 5設于懸臂梁4與基座I的連接端，支塊二 6設于支塊一 5與質量塊3之間，基座I兩側設有光纜接頭7，光纖8通過兩個光纜接頭7且固定于支塊一 5和支塊二6上,光柵柵區9位于支塊一 5和支塊二 6之間。由于傳感器用作加速度震動測量，故內部所有螺紋連接處均需做防松處理，即通過涂覆螺紋密封膠防松，尾端光纜接頭7與光纜連·接方式仍采用常規方式(壓緊及涂膠水)連接，整個基座I內部填充潤滑油阻尼液。建立外界激勵的加速度、頻率信息與光纖光柵之間的力學模型是設計的關鍵，設計時采用懸臂梁4和質量塊3力學模型，外界激勵加速度產生的慣性力轉換為懸臂梁4表面的應變，將光柵固定在懸臂梁4表面。這樣，表面的應變將使光柵中心波長發生變化，結合光柵應變特性、力學理論知識，可以建立中心波長變化與外界激勵加速度的線性關系，從而通過光柵波長變化量的檢測可以換算出外界激勵加速度大小，同時，傳感器自身設計固有頻率決定了可以探測外界激勵信號的工作頻率范圍。將光柵時域波長變化信號進行FFT變換即可得到外界激勵信號的頻率特性曲線，從而檢測出外界激勵信號的頻率成分。加速度傳感器設計時兩個重要的指標即動態范圍(工作頻率)及靈敏度。在結構檢測領域(橋梁、大壩等)使用時，通常要求傳感器在一定的動態范圍內有很好的靈敏度，這樣才能監測出結構體的微小震動情況。鐵路、公路橋的豎直方向加速度通常低于O. 35g，橫向加速度低于O. Ig,公路、鐵路橋及高層建筑等大型結構的振動均為低頻振動，固有頻率一般小于10Hz。這里，采用懸臂梁和質量塊力學模型作為加速度傳感器傳感單元。其簡化的傳感單元結構如圖2所示，可簡化為由慣性質量m、彈性元件k和阻尼C組成的單自由度的二階系統，由于光纖剛度遠小于彈性懸臂梁的剛度，故計算時忽略了光纖剛度的影響。對于上述力學模型可以得到其固有頻率為rI ω Ilr.bli/ =——=——I--2π 2π y A(m + mc)L結合材料力學、光纖光柵波長變化與應變關系、彎曲形變定理可得到該結構形式r π ο Δ1 n + 2h 6m,.S 二-= 0.78--— (i — χ) Λ0 a/ EMr其中，fn :懸臂梁的固有頻率；S :加速度靈敏度系數；Λ λ :波長變化量；a :加速度；λ ^ :原始波長；m :質量塊質量；m。懸臂梁質量；E :懸臂梁彈性模量；b :懸臂梁寬度；L :懸臂梁長度；t :懸臂梁厚度；h :支塊厚度(支塊一和支塊二視為等厚);同時結合結構自身設計邊界尺寸約束，采用數值優化方法得到，當懸臂梁幾何尺寸為L=45，mc=90, b=15, t=l (單位均為mm)時其靈敏度及固有頻率均較高，其中懸臂梁選用65Mn材料，其彈性模量E=200GPa，h=7. 5mm代入計算得到傳感器靈敏度為800pm/g，固有頻率為50HZ。目前業內其它廠家采用懸臂梁結構的加速度傳感器，在幾何尺寸相當的情況下，其靈敏度遠低于這一數值(如菲薄泰達到360pm/g,紫衫300pm/g),可見可以改變h來調整傳感器的靈敏度。 由于加速度傳感器設計量程為±lg，這就要求光柵不僅需要軸向拉伸，還需要軸向壓縮。為保證光柵軸向壓縮時仍能檢測到光柵中心波長變化量，對光柵實施預拉伸是很重要的。根據懸臂梁材料力學原理可知，其表面應變與外力存在以下關系「 6/'(A-.V)ε = ~~Iihlr結合前面設計傳感器單元結構尺寸，當外界激勵加速度為Ig時，懸臂梁表面最大應變為ε=40.81μ ε，則結合材料力學中純彎曲梁變形幾何關系如圖3所示，懸臂梁表面應變與表面高度h處應變有如下關系r ε tn——=-ε\ /2 + h「 1 t + 2h€ =--ε根據裸光柵波長與應變的關系，即k=l. 2pm/μ ε，可以換算得到懸臂梁給光柵的應變相當于光柵中心波長的變化量Λ λ為Λ λ =k ε 1=783. 55pm。因此,要滿足加速度傳感器量程為土 Ig要求,需對光柵實施不低于783. 55pm的預拉伸，設計時按照預拉伸IOOOpm進行封裝。感器在外界過大沖擊作用下(遠大于自身設計量程Ig)時，過大加速度會使光柵產生很大的軸向應變使得光柵被拉斷，根據光纖的材料特性，其在受到外力拉伸時，斷裂前最大拉伸率為初始長度的1%左右，也即ΙΟΟΟΟμ ε。因此，對于光柵進行過載保護設計顯得很重要。結合前面計算公式可知，光柵產生ΙΟΟΟΟμ ε相當于在懸臂梁表面產生625 μ ε，則自由端慣性力為 P sl'jhh^ ^F 二-二 13.65N 6(1.-X)當懸臂梁自由端在慣性力F=13.65N作用下，其自由端最大撓度為4/'本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高靈敏度FBG加速度傳感器，包括基座（1）、上蓋（2），基座（1）和上蓋（2）之間通過螺釘連接，其特征是：基座（1）和上蓋（2）形成的空間內設有懸臂梁（4），懸臂梁（4）一端與基座（1）螺紋連接，另一端與質量塊（3）螺紋連接，質量塊（3）處于懸空狀態，懸臂梁（4）上設有兩個支塊，其中支塊一（5）設于懸臂梁（4）與基座（1）的連接端，支塊二（6）設于支塊一（5）與質量塊（3）之間，基座（1）兩側設有光纜接頭（7），光纖（8）通過兩個光纜接頭（7）且固定于支塊一（5）和支塊二（6）上，光柵柵區（9）位于支塊一（5）和支塊二（6）之間。

【技術特征摘要】
1.一種高靈敏度FBG加速度傳感器，包括基座(I)、上蓋(2)，基座(I)和上蓋(2)之間通過螺釘連接，其特征是基座(I)和上蓋(2)形成的空間內設有懸臂梁(4)，懸臂梁(4) 一端與基座(I)螺紋連接，另一端與質量塊(3)螺紋連接，質量塊(3)處于懸空狀態，懸臂梁(4)上設有兩個支塊，其中支塊一(5)設于懸臂梁(4)與基座(I)的連接端，支塊二(6)設于支塊一(5 )與質量塊(3 )之間，基座(I)兩側設有光纜接頭(7 )，光纖(8 )通過兩個光纜接頭(7)且固定于支塊一(5)和支塊二(6)上,光柵柵區(9)位于支塊一(5)和支塊二(6)之間。2.根據權利要求I所述的高靈敏度FB...

【專利技術屬性】
技術研發人員：賈淑紅，王曉宇，劉兵，王侃，
申請(專利權)人：浙江建設職業技術學院，
類型：發明
國別省市：