基于柔性鉸鏈的光纖光柵三維加速度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種基于柔性鉸鏈的三維光纖光 柵加速度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖光柵加速度傳感器的基本傳感原理是利用彈性元件的受力把加速度量轉(zhuǎn)換 為光纖布拉格光柵的應(yīng)變量，從而轉(zhuǎn)化為布拉格波長的變化，通過檢測波長的變化實現(xiàn)對 加速度幅值的測量。光纖光柵加速度傳感器本質(zhì)安全，抗電磁干擾能力強，因此在易燃易 爆，強電磁等特殊環(huán)境中獨具優(yōu)勢。
[0003] 目前，光纖光柵加速度傳感器大多只能檢測單分量加速度值，但是實際中，需要得 到被檢測物體空間三個方向的加速度值，如果使用傳統(tǒng)的單分量加速度傳感器需要安裝至 少三個，這樣就增加了安裝成本和現(xiàn)場施工的復(fù)雜度，而且由于安裝空間的限制，安裝的多 個傳感器并不能安裝在同一個監(jiān)測點上，最終導(dǎo)致檢測到的數(shù)據(jù)不能真實反映監(jiān)測點的不 同方向上的加速度值。
[0004] 多維光纖光柵加速度傳感器主要有組合式的多維加速度傳感器和一體化的多維 加速度傳感器。專利號200710151178. 6的中國專利"光纖光柵三維加速度/振動傳感器"采 用三個懸臂梁組合實現(xiàn)三維測量，這種組合式結(jié)構(gòu)由于使用等強度懸臂梁粘接光纖光柵， 容易使光纖光柵產(chǎn)生啁嗽，進而導(dǎo)致無法測量。專利號ZL200720021749. X的實用新型"三 分量光纖光柵振動傳感器"，將三個光纖光柵分別粘貼于三個橡膠塊上，通過質(zhì)量塊對橡膠 的作用力來改變光柵波長，該結(jié)構(gòu)橡膠材料受溫度影響較大，不具備溫度自補償功能，且被 測物體的各個方向上的振動不能很好的傳遞給傳感器，傳感器輸出信號容易失真。2002年 S. R. K. Morikawa等人設(shè)計了一種中心懸掛型三分量加速度傳感器，將6根光纖光柵直接作 為彈性元件正交放置，質(zhì)量塊懸掛于元件幾何中心，該結(jié)構(gòu)可以測量50~IOOHz的三維振 動。這種結(jié)構(gòu)傳感器工作時直接對光纖光柵進行拉壓，靈敏度高但光柵易斷。2012年郭永 興等提出一種基于"鋼管-質(zhì)量塊"彈性結(jié)構(gòu)體的光纖光柵二維加速度傳感器。該設(shè)計通 過處于鋼管表面圓周方向呈90°分布的四根光纖光柵的波長變化來測量加速度，該傳感 器的靈敏度為8. 6pm/g，加速度測量范圍為1. 5~7. 6g，靈敏度較低，且光纖光柵直接粘貼 在鋼管上，受力不均時，光纖光柵容易產(chǎn)生啁嗽。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本實用新型提供一種具有三軸柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)且結(jié)構(gòu)簡 單的基于柔性鉸鏈的三維光纖光柵加速度傳感器。該傳感器具有較高的頻率響應(yīng)范圍、較 高的靈敏度和較少的維間耦合。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種基于柔性鉸鏈的光纖光柵三維加速度傳感器，包括：
[0008] 殼體，在殼體內(nèi)設(shè)置有L形基座和三個單軸柔性鉸鏈，其中兩個單軸柔性鉸鏈固 定于L形基座的長臂上，另一個單軸柔性鉸鏈固定于L形基座的短臂上，三個單軸柔性鉸鏈 的敏感軸均互相垂直；
[0009] 每個所述單軸柔性鉸鏈的一端均為固定端，其固定在L形基座上，另一端均為自 由端；每個所述單軸柔性鉸鏈垂直于敏感軸方向的上表面開設(shè)有光纖溝槽，光纖溝槽內(nèi)固 定有光纖；每個所述單軸柔性鉸鏈的固定端和自由端之間的上表面和下表面均開設(shè)有凹 槽，凹槽內(nèi)設(shè)有光纖布拉格光柵；每個所述單軸柔性鉸鏈的凹槽包括兩個對稱的矩形切口 及與其相連的半橢圓形切口。
[0010] 每個所述單軸柔性鉸鏈的特征參數(shù)一致。
[0011] 所述光纖布拉格光柵柵區(qū)長度小于8mm，光纖光柵中心波長為1530_1560nm。
[0012] 所述光纖外設(shè)有傳感器外殼。
[0013] 所述單軸柔性鉸鏈的薄壁厚度在0. 2-lmm之間。
[0014] 每個所述單軸柔性鉸鏈的自由端在振源激勵作用下圍繞各自單軸柔性鉸鏈微幅 振動，促使布拉格光柵兩端拉伸運動。
[0015] 所述殼體為中空的立方體。
[0016] 本實用新型的有益效果為：
[0017] (1)本實用新型的基于柔性鉸鏈的光纖光柵三維加速度傳感器結(jié)構(gòu)非常簡單，僅 由三個柔性鉸鏈和三根光纖光柵構(gòu)成，傳感器組裝方便，長期可靠性好；
[0018] (2)本實用新型采用柔性鉸鏈代替彈簧、懸臂梁或其他彈性體與，柔性鉸鏈的自由 端等效于慣性質(zhì)量塊，組成了質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，以檢測被測物體的振動，傳感器體積小、靈 敏度高、頻響范圍寬；
[0019] (3)本實用新型采用的柔性鉸鏈的凹槽包括兩個對稱的矩形切口及與兩個對稱的 矩形切口分別相連的半橢圓形切口，其中，矩形切口起到增敏作用，比普通的單獨雙半圓形 切口鉸鏈、橢圓形切口鉸鏈、弓形切口鉸鏈、倒圓角直梁型鉸鏈靈敏度高且頻率范圍不變。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本實用新型的基于柔性鉸鏈的三維光纖光柵加速度傳感器的整體結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0021] 圖2是本實用新型的柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖3是本實用新型的X方向光纖光柵加速度傳感器的頻譜圖；
[0023] 圖4是本實用新型的Y方向光纖光柵加速度傳感器的頻譜圖；
[0024] 圖5是本實用新型的Z方向光纖光柵加速度傳感器的頻譜圖；
[0025] 圖6是本實用新型的X軸方向的傳感器的線性度曲線；
[0026] 圖7是本實用新型的Y軸方向的傳感器的線性度曲線；
[0027] 圖8是本實用新型的Z軸方向的傳感器的線性度曲線；
[0028] 圖9是X軸方向在輸入的正弦波加速度為200mm/s2,頻率為240Hz時的輸出響應(yīng) 圖；
[0029] 圖10是Y軸方向在輸入的正弦波加速度為200mm/s2,頻率為240Hz時的輸出響應(yīng) 圖；
[0030] 圖11是Z軸方向在輸入的正弦波加速度為200mm/s2,頻率為240Hz時的輸出響應(yīng) 圖。
[0031] 其中，1、殼體；2、L形基座；3、X方向柔性鉸鏈；4、X方向光纖光柵；5、Y方向柔性鉸 鏈；6、Y方向光纖光柵；7、Z方向柔性鉸鏈；9、光纖溝槽；10、上凹槽；11、光纖；12、下凹槽。
【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖與實施例對本實用新型做進一步說明：
[0033] 實施例1
[0034] 在圖1中，本實施例的基于柔性鉸鏈的光纖光柵三維加速度傳感器由殼體I、L形 基座2、X方向柔性鉸鏈3、X方向光纖光柵4、Y方向柔性鉸鏈5、Y方向光纖光柵6、Z方向 柔性鉸鏈7、Z方向光纖光柵構(gòu)成。
[0035] 本實施例的殼體1為中空的立方形，L形基座2與殼體1為一個整體，采用304不 銹鋼材料。L形基座2的長臂上通過螺絲固定X方向柔性鉸鏈3和Z方向柔性鉸鏈7, L形 基座2的短臂上固定Y方向柔性鉸鏈5。
[0036] X方向柔性鉸鏈3、Υ方向柔性鉸鏈5和Z方向柔性鉸鏈7均是單軸柔性鉸鏈。每 個單軸柔性鉸鏈的一端均為固定端，其固定在L形基座上，另一端均為自由端；每個單軸柔 性鉸鏈垂直于敏感軸方向的上表面開設(shè)有光纖溝槽9,光纖溝槽9內(nèi)固定有光纖11 ;每個單 軸柔性鉸鏈的固定端和自由端之間的上表面和下表面均開設(shè)有凹槽，凹槽上有光纖布拉格 光柵。
[0037] 其中，每個單軸柔性鉸鏈的固定端和自由端之間的上表面開設(shè)的凹槽為上凹槽 10 ;每個單軸柔性鉸鏈的固定端和自由端之間的下表面開設(shè)的凹槽為下凹槽12。
[0038] 本實用新型的單軸柔性鉸鏈為單軸對稱的矩形切口加橢圓型切口鉸鏈，也就是柔 性鉸鏈的上凹槽10和下凹槽12是帶矩形加半橢圓形切口，即上凹槽10和下凹槽12均包 括兩個對稱的矩形切口及與兩個對稱的矩形切口分別相連的半橢圓形切口。
[0039] 柔性鉸鏈的總長度為32mm，上凹槽10的矩形切口高度為7mm，下凹槽12的矩形切 口高度為3mm，上凹槽10和下凹槽12的橢圓形切口尺寸一致，短軸半徑R為3mm，長軸半徑 R為6mm，鉸鏈薄壁厚度t為0· 5mm，厚壁厚度h為16. 5mm，鉸鏈寬度b為10mm。
[0040] 柔性鉸鏈材料選用304高韌性不銹彈簧鋼。柔性鉸鏈的垂直于敏感軸方向的上面 開設(shè)有光纖溝槽，溝槽的深度為〇. 5mm。將X方向光纖光柵4柵區(qū)兩端光纖的涂覆層剝掉， 長度為6_左右，不要超過涂膠的長度，便于更牢靠的粘接。
[0041] 將剝好的光纖光柵穿過傳感器外殼放置于光纖溝槽內(nèi)，光纖光柵的柵區(qū)正好位于 鉸鏈的凹槽10處，避免粘接?xùn)艆^(qū)。采用353ND膠粘接光纖光柵的一端，固化后再粘接另一 端，另一端預(yù)拉伸光纖光柵后采用502膠快速固化，粘好后的光纖光柵反射波長增加0. 5個 nm左右。采用相同的方式依次粘接Y方向光纖光柵6和Z方向光纖光柵。
[0042] 本實施例的X方向光纖光柵4、Y方向光纖光柵6和Z方向光纖光柵由深圳暢格光 通信有限公司生產(chǎn)，353ND膠由深圳金潤澤科技有限公司銷售，X方向光纖光柵4、Y方向光 纖光柵6和Z方向光纖光柵的中心波長為1548. 5nm左右，對X方向光纖光柵4、Y方向光纖 光柵6和Z方向光纖光柵施加一定的預(yù)應(yīng)力后，中心波長變?yōu)?549nm左右，這樣光纖光柵 就能在鉸鏈的作用下伸長或縮短了。
[0043] 本實用新型屬于懸臂梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，假設(shè)Ic1為光纖的彈性系數(shù)，k 2為結(jié)構(gòu)的彈 性系數(shù);m為質(zhì)量塊的質(zhì)量，a為柔性鉸鏈薄壁到光纖的高度，b為質(zhì)量塊中心到柔性鉸鏈固 定端的距離。則系統(tǒng)總的彈性系數(shù)k為：
[0045] 系統(tǒng)的諧振頻率為：
[0047] 假設(shè)外界激勵為ag= A ，系統(tǒng)相對阻尼系數(shù)為δ，則光纖光柵受激勵產(chǎn)生的 應(yīng)變?yōu)椋?br>[0049] 當(dāng)阻尼比為
時，本實用新型的應(yīng)變靈敏度為
由于每變化一 個微應(yīng)變，光纖光柵變化I. 2pm，因此，本實用新型的波長靈敏度為：
[0051] 從上式可以看出，柔性鉸鏈薄壁到光纖的高度越高