光纤光栅振动位移传感器制造技术

一种光纤光栅振动位移传感器，其特征在于，该光纤光栅振动位移传感器包括：由前立面、后立面、左立面、右立面、顶面和底面围成的中空的外壳；安装于外壳的前立面和后立面上的转轴，转轴相对于外壳自由枢转；固定于底面并垂直向上延伸的膜片；卷簧的内端固定在转轴的前部，卷簧的外端与膜片的顶端连接，膜片的另一端固定在外壳的底面上；在转轴的后部固定设置有悬臂梁，悬臂梁左部与转轴固定连接，悬臂梁的右端固定连接质量块；水平布置的光纤光栅的一端与膜片上部固定连接，另一端穿过外壳左立面上的孔，并在孔中与外壳固定连接。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤传感器
，尤其涉及一种用于直接测量振动位移量的光纤 光栅振动传感器。
技术介绍
光纤光栅振动传感器是利用外界信号调制于光纤布拉格光栅，导致光纤布拉格光 栅中应变发生变化，从而导致反射光的中心波长发生变化，通过探测中心波长的变化探测 外界微弱振动信号的传感器。光纤光栅振动传感器相对于常规的电磁类传感器，在灵敏度、 大动态范围、可靠性、复用能力等方面具有明显的优势，可应用于设备的振动监测、地震监 测、振动安防等领域，成为高性能振动传感器发展的一个重要方向。 在常见的光纤光栅振动传感器中，主要测量振动的加速度量，但在某些应用场合， 需要对振动的位移量进行测量。采用传统的光纤光栅振动传感器测量振动的位移量，一般 通过对加速度量二次积分求得。但是通过加速度量二次积分求取位移量，一方面，积分运算 本身会放大低频干扰，并导致较大的误差，特别是光纤光栅传感器本身对低频的环境、温度 变化比较敏感，容易引入低频环境噪声，这些低频噪声经过积分放大，严重影响传感器的性 能，另一方面，积分运算增加了系统的信号处理负担，对于实时信号监测，需要后端系统有 较强的处理能力，实现实时积分运算。 因此，有必要设计一种对振动的位移量直接测量的光纤光栅位移振动传感器，以 解决上述实际应用问题。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种光纤光栅振动位移传感器，实现对振动信号位移 量的直接测量。 为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种光纤光栅振动位移传感 器，其特征在于，该光纤光栅振动位移传感器包括：由前立面、后立面、左立面、右立面、顶面 和底面围成的中空的外壳；安装于外壳的前立面和后立面上的转轴，转轴相对于外壳自由 枢转；固定于底面并垂直向上延伸的膜片；卷簧的内端固定在转轴的前部，卷簧的外端与 膜片的顶端连接，膜片的另一端固定在外壳的底面上；在转轴的后部固定设置有悬臂梁，悬 臂梁左部与转轴固定连接，悬臂梁的右端固定连接质量块；质量块用于拾取振动信号。水平 布置的光纤光栅的一端与膜片上部固定连接，另一端穿过外壳左立面上的孔，并在孔中与 外壳固定连接，用于测量振动信号。 本方案的具体特点还有，所述光纤光栅垂直于膜片，在光纤光栅上施加一定的初 始预拉力。 所述卷簧中存在一定的预应力，以使质量块与卷簧构成的弹性系统，在传感器竖 直放置时，处于平衡位置。 所述光纤光栅振动位移传感器通过调节质量块的质量来改变光纤光栅振动位移 传感器的谐振频率，通过调节卷簧的弹性来改变光纤光栅振动位移传感器的灵敏度和谐振 频率。 所述卷簧、悬臂梁和质量块组成弹性振动系统，当光纤光栅振动位移传感器随外 界信号振动时，质量块由于惯性，短时间内仍保持原有静止状态，从而导致悬臂梁带动转轴 旋转，带动卷簧拉伸，拉伸量与所测的振动位移成正比，卷簧拉伸产生的拉力同时传递给膜 片和光纤光栅，导致光纤光栅波长发生变化，变化量与卷簧的拉伸量成正比，从而与光纤光 栅振动位移传感器的振动位移成正比，通过检测光纤光栅波长变化量，可以还原振动位移 量。 本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供的这种光纤光栅振动位移传感器，输出量 与振动位移量成正比，可以直接测量振动的位移量，与传统光纤光栅振动传感器测量振动 加速度量，并通过二次积分的方式，求取位移量相比，能够避免积分对低频干扰放大引入的 误差，具有更高的准确性，并且避免了积分运算对后续信号处理提出的更高要求，系统更易 实现，成本降低。【附图说明】 图1是本专利技术提供的光纤光栅振动位移传感器的结构正视图。 图2是本专利技术提供的光纤光栅振动位移传感器的结构俯视图。 图中：1-前立面；2_后立面；3_左立面；4_右立面；5_顶面；6_底面；10-外壳； 20-转轴；30-卷簧；40-悬臂梁；50-质量块；60-膜片；70光纤光栅。【具体实施方式】 为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本专利技术进一步详细说明。 如图1所示，一种光纤光栅振动位移传感器，其特征在于，该光纤光栅振动位移传 感器包括：由前立面1、后立面2、左立面3、右立面4、顶面5和底面6围成的中空的外壳10 ; 安装于外壳10的前立面1和后立面2上的转轴20,转轴20可以相对于外壳10自由枢转； 较佳地，外壳10前立面1和后立面2开有光滑的圆孔，转轴20两端支于圆孔中，并与圆孔 尺寸配合，从而转轴20能够自由转动。固定于底面6并垂直向上延伸的膜片60 ;卷簧30的 内端固定在转轴20的前部，卷簧30的外端与膜片60的顶端连接，连接方式为焊接或螺纹 连接；膜片60的另一端固定在外壳10的底面6上，固定方式为焊接或螺纹连接；在转轴20 的后部固定设置有悬臂梁40,悬臂梁40左部与转轴20固定连接，悬臂梁40的右端固定连 接质量块50 ;质量块50用于拾取振动信号。 水平布置的光纤光栅70的一端与膜片60上部固定连接，连接方式为环氧胶粘接； 另一端穿过外壳10的左立面3上的孔11，并在孔11中与外壳10固定连接，连接方式为环 氧胶粘接，用于测量振动信号。 所述光纤光栅70垂直于膜片60,在将光纤光栅70与孔11连接时，在光纤光栅70 上施加一定的初始预拉力，预拉力大小为〇? 1-0. 5N。 所述卷簧30中存在一定的预应力，以使质量块50与卷簧30构成的弹性系统，在 传感器竖直放置时，处于平衡位置。 该光纤光栅振动位移传感器的工作原理如下：卷簧30、悬臂梁40和质量块50组 成弹性振动系统，当光纤光栅振动位移传感器随图1所示方向外界信号振动时，且振动频 率大于谐振频率时，质量块50由于惯性，短时间内仍保持原有静止状态，从而悬臂梁40相 对转轴20旋转，带动卷簧30拉伸，拉伸量与光纤光栅振动位移传感器的振动位移成正比， 卷簧30拉伸产生的拉力同时传递给膜片60和光纤光栅70,导致光纤光栅70波长发生变 化，变化量与卷簧30的拉伸量成正比，从而与光纤光栅振动位移传感器的振动位移成正 比，通过检测光纤光栅70波长变化量，并将波长变化量与标准振动位移进行标定，则可以 通过光纤光栅振动位移传感器的波长变化输出还原振动位移量。 所述光纤光栅振动位移传感器通过调节质量块50的质量来改变光纤光栅振动位 移传感器的谐振频率，通过调节卷簧30的弹性来改变光纤光栅振动位移传感器的灵敏度 和谐振频率。具体的，若质量块50的质量为％卷簧30的等效弹性系数为么则光纤光栅振 动位移传感器的谐振频率为(1) 7ATO，瞅Z」、夜貢;^的弹性系数或增大质量块50的质量，可以降低传感器的谐振频率。 假设振动传感器感受到一振动位移幅度Z1X，质量块50与外壳10的相对位移幅度 为ZlX，从而带动卷簧30旋转，导致卷簧30对膜片60和光纤光栅70的拉伸力为UX，忽略 膜片60的弹性，光纤光栅70的轴向应变为(2) 其中，各分别为光纤光栅的截面积和光纤光栅材料的弹性模量，由光纤光栅70的轴 向应夺，可得光纴光*70的波长夺化为(3) 其中，为光纤光栅70的中心波长，凡为光纤光栅材料的弹光系数，从而可得传感器 的灵敏度为(4) 可见，传感器的灵敏度正比于卷簧30的弹性系数，通过调节卷簧30的弹性系数可以调 节传感器的灵敏度。 较佳的，采用质量块50本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤光栅振动位移传感器，其特征在于，该光纤光栅振动位移传感器包括：由前立面、后立面、左立面、右立面、顶面和底面围成的中空的外壳；安装于外壳的前立面和后立面上的转轴，转轴相对于外壳自由枢转；固定于底面并垂直向上延伸的膜片；卷簧的内端固定在转轴的前部，卷簧的外端与膜片的顶端连接，膜片的另一端固定在外壳的底面上；在转轴的后部固定设置有悬臂梁，悬臂梁左部与转轴固定连接，悬臂梁的右端固定连接质量块；水平布置的光纤光栅的一端与膜片上部固定连接，另一端穿过外壳左立面上的孔，并在孔中与外壳固定连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张发祥，闵力，翟瑞占，李淑娟，张晓磊，姜劭栋，王蒙，孙志慧，王昌，
申请(专利权)人：山东省科学院激光研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37