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一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器.pdf

摘要
申请专利号:

CN201710054036.1

申请日:

2017.01.24

公开号:

太阳城集团CN106814216A

公开日:

2017.06.09

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G01P 15/03申请日:20170124|||公开
IPC分类号: G01P15/03 主分类号: G01P15/03
申请人: 武汉理工大学
发明人: 梁磊; 李东旭; 仇磊; 徐刚; 吴慧峰; 张健; 曹珊; 王慧; 涂彬; 冯坤; 段细云
地址: 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路122号
优先权:
专利代理机构: 湖北武汉永嘉专利代理有限公司 42102 代理人: 王丹;乐综胜
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法律状态
申请(专利)号:

CN201710054036.1

授权太阳城集团号:

|||

法律状态太阳城集团日:

太阳城集团2017.07.04|||2017.06.09

法律状态类型:

太阳城集团实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器,包括传感器芯体和光纤构成,传感器芯体由基座、两个柔性铰链和两个惯性质量块构成,两个惯性质量块和两个柔性铰链对称分布在传感器芯体两侧,惯性质量块通过柔性铰链与基座连接,两个惯性质量块顶部有光纤沟槽,光纤穿过两个惯性质量块的光纤沟槽,从两边壳体的孔中出来,光纤在两个惯性质量块中间设有光纤光栅,柔性铰链为直圆型柔性铰链,两个惯性质量块绕着柔性铰链发生相对位移,从而使光纤光栅产生应变。本发明为一体化结构,体积小易于封装,结构简单,减少了传感器的封装体积和封装工序,具有较高的频率测量范围,一体化结构增大传感器的谐振频率,提高了传感器的灵敏度。

权利要求书

1.一种一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器,其特征在于,包括传感器芯体
和光纤,传感器芯体包括基座、两个柔性铰链和两个惯性质量块,两个柔性铰链和两个惯性
质量块对称分布于基座内的两侧,惯性质量块通过柔性铰链与基座连接,惯性质量块上设
有光纤沟槽,基座两侧设有出线孔,出线孔和光纤沟槽位于同一直线上,光纤从基座一端的
出线孔穿入经过两个惯性质量块上的光纤沟槽,从基座另一端的出线孔穿出,光纤上设有
光纤光栅,光纤光栅设置于两个惯性质量块之间,光纤光栅两端的光纤与光纤沟槽连接固
定;
所述的柔性铰链为直圆型柔性铰链,两个惯性质量块绕着柔性铰链发生相对位移,从
而使光纤布拉格光栅产生应变。
2.根据权利要求1所述的一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器,其特征在于,
所述的光纤光栅为光纤布拉格光栅。
3.根据权利要求2所述的一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器,其特征在于,
光纤布拉格光栅的长度在5mm以内,中心波长为1525nm-1565nm。
4.根据权利要求1所述的一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器,其特征在于,
光纤通过胶结剂粘贴固定于光纤沟槽内。
5.根据权利要求1所述的一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器,其特征在于,
基座、柔性铰链和惯性质量块由同一个弹性体加工而成。
6.根据权利要求1所述的一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器,其特征在于,
直圆型柔性铰链的薄壁厚度为0.5-2mm。
7.根据权利要求1所述的一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器,其特征在于,
整个传感器芯体的材料为不锈钢或者钛合金。
8.根据权利要求1所述的一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器,其特征在于,
光纤沟槽设置于惯性质量块的顶部。
9.根据权利要求1所述的一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器,其特征在于,
惯性质量块上开设有一矩形通孔,矩形通孔内设有不同规格的中间质量块。
10.根据权利要求1所述的一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器,其特征在
于,基座四周厚度在3mm-5mm之间,中间质量块和柔性铰链宽度一样,宽度在10mm-15mm。

说明书

一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域,具体涉及一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度
传感器。

背景技术

光纤光栅加速度传感器是将外界的加速度信号转换为光纤光栅波长的漂移,通过
检测光纤光栅中心波长的漂移量实现对加速度的测量,光纤光栅加速度传感器可以实现加
速度信号的分布式测量,与传统传感器相比不但能够抗电磁干扰,而且具有本质防爆、耐高
温能在恶劣环境下工作等优点,被广泛应用在大型装备、航空航天等多个领域中。

现有传感器在1000Hz以内基本能够满足工程测量使用,而能满足在1000Hz以上频
率范围内测量的光纤光栅加速度传感器的精度过低,很难满足高频段加速度信号的测量,
而且封装后体积和重量往往过大,无法应用在航天航空等对体积和重量要求严格的领域。
专利号为ZL200510019733.0所提到的加速度传感器,采用悬臂梁结构,测量频率范围小,很
难实现对高频的加速度信号测量。专利号为200410232241.9所提到的基于柔性铰链高频加
速度传感器传感器外壳和芯体分开,使用的两个柔性铰链是类似于把一个直圆型柔性铰链
从中一分为二,利用沉头螺钉将传感器芯体与外壳连接,内部留有大量空隙,造成封装体积
过大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是,针对现有技术存在的上述缺陷,提供了一体式直圆
型柔性铰链光纤光栅加速度传感器,本发明为一体化结构,体积小易于封装,结构简单,极
大的节省了空间,减少了传感器的封装体积和封装工序,长期可靠性高,具有较高的频率测
量范围,一体化结构增大传感器的谐振频率,提高了传感器的灵敏度。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是:

一种一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器,包括传感器芯体和光纤,传
感器芯体包括基座、两个柔性铰链和两个惯性质量块,两个柔性铰链和两个惯性质量块对
称分布于基座内的两侧,惯性质量块通过柔性铰链与基座连接,惯性质量块上设有光纤沟
槽,基座两侧设有出线孔,出线孔和光纤沟槽位于同一直线上,光纤从基座一端的出线孔穿
入经过两个惯性质量块上的光纤沟槽,从基座另一端的出线孔穿出,光纤上设有光纤光栅,
光纤光栅设置于两个惯性质量块之间,光纤光栅两端的光纤与光纤沟槽连接固定;

所述的柔性铰链为直圆型柔性铰链,两个惯性质量块绕着柔性铰链发生相对位
移,从而使光纤布拉格光栅产生应变。

按照上述技术方案,所述的光纤光栅为光纤布拉格光栅。

按照上述技术方案,光纤布拉格光栅的长度在5mm以内,中心波长为1525nm-
1565nm。

按照上述技术方案,光纤通过胶结剂粘贴固定于光纤沟槽内。

按照上述技术方案,基座、柔性铰链和惯性质量块由同一个弹性体加工而成。

按照上述技术方案,直圆型柔性铰链的薄壁厚度为0.5-2mm。

按照上述技术方案,整个传感器芯体的材料为不锈钢或者钛合金。

按照上述技术方案,光纤沟槽设置于惯性质量块的顶部。

按照上述技术方案,惯性质量块上开设有一矩形通孔,矩形通孔内设有不同规格
的中间质量块。

按照上述技术方案,基座四周厚度在3mm-5mm之间,中间质量块和柔性铰链宽度一
样,宽度在10mm-15mm。

本发明具有以下有益效果:

本发明为一体化结构,体积小易于封装,结构简单,极大的节省了空间,减少了传
感器的封装体积和封装工序,长期可靠性高,具有较高的频率测量范围,通过两个惯性质量
块的相对运动和减少光纤光栅的长度,有利于增大传感器灵敏度,在激励源的作用下,两个
惯性质量块绕着各自连接的柔性铰链发生微幅振动,拉着光纤光栅两端反向运动,使用对
称式柔性铰链代替了传统的弹簧、悬臂梁或其他弹性体结构,与惯性质量块组成质量-弹簧
系统,一体化结构增大传感器的谐振频率,对称式柔性铰链的相对运动将倍增传感器的灵
敏度,提高了传感器的灵敏度,尤其适用于宽频域范围加速度测量。

附图说明

图1是本发明实施例中一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器的结构示意
图;

图中,1-光纤,2-出线孔,3-光纤沟槽,4-光纤布拉格光栅,5-基座,6-柔性铰链,7-
惯性质量快,8-通孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1所示,本发明提供的一个实施例中的一种一体式直圆型柔性铰链光纤光
栅加速度传感器,包括传感器芯体和光纤,传感器芯体包括基座、两个柔性铰链和两个惯性
质量块,两个柔性铰链和两个惯性质量块对称分布于基座内的两侧,惯性质量块通过柔性
铰链与基座连接,惯性质量块上设有光纤沟槽,基座两侧设有出线孔,出线孔和光纤沟槽位
于同一直线上,光纤从基座一端的出线孔穿入经过两个惯性质量块上的光纤沟槽,从基座
另一端的出线孔穿出,光纤上设有光纤光栅,光纤光栅设置于两个惯性质量块之间,光纤光
栅两端的光纤与光纤沟槽连接固定;

所述的柔性铰链为直圆型柔性铰链,两个惯性质量块绕着柔性铰链发生相对位
移,从而使光纤布拉格光栅产生应变;本发明传感器芯体为一体化结构,基座即为壳体,形
成一体化结构,体积小易于封装,结构简单,极大的节省了空间,减少了传感器的封装体积
和封装工序,长期可靠性高,具有较高的频率测量范围,通过两个惯性质量块的相对运动和
减少光纤光栅的长度,有利于增大传感器灵敏度,在激励源的作用下,两个惯性质量块绕着
各自连接的柔性铰链发生微幅振动,拉着光纤光栅两端反向运动,使用对称式柔性铰链代
替了传统的弹簧、悬臂梁或其他弹性体结构,与惯性质量块组成质量-弹簧系统,一体化结
构增大传感器的谐振频率,对称式柔性铰链的相对运动将倍增传感器的灵敏度,提高了传
感器的灵敏度,尤其适用于宽频域范围加速度测量,在此基础上,通过减少惯性质量块之间
的距离和惯性光栅的距离将极大的增大传感器的灵敏度,实验测试表明本发明加速度传感
器在测量频率10-2000Hz时灵敏度可到达20pm/g以上。

进一步地,所述的光纤光栅为光纤布拉格光栅,光纤布拉格光栅4在两个惯性质量
块7中间经过适当预拉伸后,用胶结剂粘贴353ND固定在光纤沟槽3内。

进一步地,光纤布拉格光栅的长度在5mm以内,中心波长为1525nm-1565nm。

进一步地,光纤通过胶结剂粘贴固定于光纤沟槽内。

进一步地,基座、柔性铰链和惯性质量块由同一个弹性体加工而成。

进一步地,直圆型柔性铰链的薄壁厚度为0.5-2mm。

进一步地,两边柔性铰链和惯性质量块结构参数一致,传感器前后和左右对称。

进一步地,整个传感器芯体的材料为不锈钢或者钛合金。

进一步地,光纤沟槽设置于惯性质量块的顶部。

进一步地,两个惯性质量块7中间的距离不大于5mm,惯性质量块上的光纤沟槽长
度不小于5mm,深度为0.5mm,并在两端光纤的粘贴区域涂覆层剥掉,长度5mm左右,不要超过
涂胶的长度,便于粘贴牢靠,长期可靠性高。

进一步地,惯性质量块上开设有一矩形通孔,矩形通孔内设有不同规格的中间质
量块;通过选择不同规格的中间质量块设置于矩形通孔内,用于调整惯性质量块质心距离
柔性铰链中心的水平距离,且惯性质量块最薄的地方应大于柔性铰链的薄壁厚度。

进一步地,基座四周厚度在3mm-5mm之间,中间质量块和柔性铰链宽度一样,宽度
在10mm-15mm,略微小于基座的宽度。

工作时,把加速度传感器固定在待测物体上,当外界有激励源时,传感器随着待测
物体一起振动,从而导致两个惯性质量块7相对于基座5发生微幅转动,而且转动方向相反,
使光纤光栅4沿着轴向方向伸缩,轴向应变的变化使光纤光栅的中心波长发生变化,从而将
外界加速度的信号转换为光纤光栅中心波长的漂移量,通过建立光纤光栅中心波长的漂移
量与加速度大小的线性关系,当解调到光纤光栅中心波长的漂移量时既可以确定外界激励
源的加速度的值,同时可以进行振动频谱分析。

本发明一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器的工作原理是:把加速度传
感器固定在待测物体上,当外界有激励源时,传感器随着待测物体一起振动,从而导致两个
惯性质量块相对于基座发生微幅转动,而且转动方向相反,使光纤光栅沿着轴向方向伸缩,
轴向应变的变化使光纤光栅的中心波长发生变化,从而将外界加速度的信号转换为光纤光
栅中心波长的漂移量,通过建立光纤光栅中心波长的漂移量与加速度大小的线性关系,当
解调到光纤光栅中心波长的漂移量时既可以确定外界激励源的加速度的值,同时可以进行
振动频谱分析。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,
因此依本发明申请专利范围所作的等效变化,仍属本发明的保护范围。

关 键 词:
体式 圆型 柔性 铰链 光纤 光栅 加速度 传感器
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