一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法技术

一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，所述的感器包括基座、弹簧片、质量块、侧盖和光纤光栅。基座、弹簧片、质量块通过机械配合和激光焊接进行组装，构成悬臂梁结构。光纤光栅在G.657光纤上刻写，采用高分子超薄涂覆来光纤的抗拉性能，光纤光栅与基座和质量块之间直接采用环氧树脂点胶固定，装配成光纤光栅加速度传感器。在质量块上预先加工配重孔，对装配后的传感器进行标定，通过在配重孔上点胶或机械加工，来灵活调节传感器的灵敏度和谐振频率点，优化加速度传感器的性能指标。本发明专利技术方法简化了加速度传感器的设计和加工要求，操作方法简单，实用性强，制作的传感器灵敏度高，插入损耗小，性能优异。

Manufacturing method of cantilever beam type optical fiber grating acceleration sensor

The invention relates to a manufacturing method of a cantilever beam type optical fiber grating acceleration sensor, which comprises a base, a spring sheet, a mass block, a side cover and an optical fiber grating. The base, the spring piece and the mass block are assembled by mechanical matching and laser welding to form a cantilever beam structure. In the G.657 optical fiber on Fiber Bragg grating inscription, the tensile properties of ultrathin polymer coated optical fiber, optical fiber grating and between the base and the mass directly using epoxy resin glue fixed, assembly of optical fiber grating acceleration sensor. Pre processing weight hole in the mass, the sensor assembly after calibration by dispensing in or counterweight hole machining, to flexibly adjust the resonant frequency of the sensor sensitivity, the optimization performance index of acceleration sensor. The method of the invention simplifies the design and processing requirements of the acceleration sensor, and has the advantages of simple operation method, strong practicability, high sensitivity, low insertion loss and excellent performance.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤光栅应用
，具体而言是一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法。
技术介绍
光纤光栅传感技术具有灵敏度高、复用简单、抗电磁干扰、无源等特性，在加速度传感器领域倍受青睐。目前，大多数光纤光栅加速度传感器利用机械结构进行增敏，将加速度的变化转化为光纤光栅上的波长变化，再通过光栅解调仪还原传感信息。如专利“一种悬臂梁式光纤光栅加速度计”(申请号：200710065321.X)、“基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计”(申请号：200710065322.X)、“双等强度悬臂梁光纤光栅振动传感器”(申请号：201010285791.9)、“一种双悬臂梁光纤光栅加速度传感器”(申请号：201310092296.X)等都采用了悬臂梁式的机械结构，将加速度或振动转化为光栅的波长变化后再进行检测。但相关专利多侧重于加速度传感器结构的创新，较少考虑传感器的制作方法，而在实际工程中，更多关注的是传感器的技术指标能否符合工程需求，以及能否根据监测对象的具体要求，灵活调节传感器的技术参数，提供最佳的性能指标，如灵敏度、工作频率等。例如，在泥石流地声监测系统中，泥石流地声的显著频率低于200Hz，最小振动的加速度幅度在0.2m/s2左右，属于低频微弱振动信号的范畴，接近传统单光栅悬臂梁式加速度传感器的灵敏度极限。传统的方法是选择确定结构方案后，先对该结构进行理论计算和软件仿真，获取悬臂梁结构的臂长、质量块的大小等参数，再通过精密机械加工出各个零件，进行结构组装。但实际制作过程中，由于光纤光栅应变误差、机械零件的加工误差、结构装配误差等的影响，装配后传感器的参数会偏离设计值，严重时甚至无法使用，需要进行返工维修。但由于光纤光栅极易损伤，且多采用环氧树脂与机械结构粘接，维修拆卸时极容易造成光栅损坏，且传感器多设计成半封闭结构，内部空间狭窄，维修加工和处理非常困难。因此，研究悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作新方法，对提高传感器的性能和合格率非常关键。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，而提供一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，该方法简化了悬臂梁光纤光栅加速度传感器的设计，降低了传感器的制作难度，大幅提高传感器的性能和合格率。本专利技术所采用的技术方案是：一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，该加速度传感器包括基座、弹簧片、质量块、侧盖、光纤光栅；制作步骤如下：步骤1：在质量块左右两个侧面的中心位置对称加工有配重孔，在基座和质量块上加工有卡槽，弹簧片的一端与基座的卡槽过盈配合连接，弹簧片的另一端与质量块卡槽过盈配合连接，并通过激光焊接加固；；步骤2：将带尾纤的光纤光栅从基座的引入孔导入，所述光纤光栅的一端点胶固定在引入孔上，所述光纤光栅的另一端水平牵引到质量块的上沿，然后点胶固定；光纤光栅的尾纤再悬空回绕到质量块的下沿，经基座的引出孔导出并点胶固定，保持回绕尾纤的自由松弛状态；步骤3：将传感装置放置在振动台上，光纤光栅的尾纤的一端接入解调设备，光纤光栅的尾纤的另一端浸入匹配液，实时监测振动台的输入和光栅反射信号的波长变化，确定传感装置的谐振频率点和灵敏度；步骤4：当传感装置的谐振频率点低于设计值，通过对质量块侧面的配重孔扩孔，减轻质量块重量，提高谐振点的频率；当传感装置的谐振频率点高于设计值，通过在配重孔点胶来增加质量块的重量，降低谐振频率，提高灵敏度；步骤5：将传感装置老化后，装配侧盖，点胶密封；通过上述步骤，完成悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作。所述步骤3中，固定设置振动台的加速度值，在0Hz到1.5倍的最大允许工作频率范围内，以一定的增量调节振动台激振信号的频率，记录加速度传感器对应的波长偏移量；标定最大波长偏移对应的频率为谐振频率点，波长偏移/加速度的曲线拟合斜率为灵敏度。经典的悬臂梁传感器谐振频率一半高于工作频率1.5～3倍，以降低传感器自身特性对被测量影响。在光纤加速度传感器中，考虑光纤应变幅度较小，可以适当降低加速度传感器的谐振频率！当振动台加速度大小不变，而频率逐步调节时，处于谐振点的激励信号，由于与传感器发生共振，在悬臂梁上产生最大作用力，从而形成最大波长变化，而其它点波长变化相对较小，因此，可以根据该规律来标定传感器的谐振频率点。而其他远离谐振谐振频率点位置上，传感器自身影响较小，光栅波长变化与加速度直接相关，故可作为灵敏度计算的依据。所述光纤光栅2基于G.657的抗弯光纤刻写，裸光栅区域采用小弹性模量的高分子树脂材料超薄涂覆，涂覆后的直径为135um～140um，栅区长度30mm。考虑光纤粘接和回弯过程中极易导致光功率损耗，采用G.657抗弯光纤刻写光栅，累积插入损耗小于0.3dB，提高了传感器的可复用数量；栅区采用小弹性模量的高分子树脂材料超薄涂覆，既有效避免了水汽的渗透，延长了传感器的使用寿命，又确保了外力有效作用于光栅部分，提升了传感器的灵敏度。本专利技术一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，优点在于：⑴、简化了加速度传感器的设计和加工要求：悬臂梁结构采用分体组合方式设计，弹簧片和质量块单独加工，避免了一体化设计导致的加工困难；悬臂采用专用的弹性金属材料制作(如65Mn)，用料少，热处理方便，残余应力小；质量块形状规则，有利于通过精密机械加工来控制质量块的重量。⑵、传感器的灵敏度高，插入损耗小：通过精确的参数配置，优化传感器的工作频率，大幅提升悬臂梁光栅传感器的灵敏度；考虑光纤粘接和回弯过程中极易导致光功率损耗，采用G.657抗弯光纤刻写光栅，累积插入损耗小于0.3dB；栅区采用小弹性模量的高分子树脂材料超薄涂覆，既有效避免了水汽的渗透，延长了传感器的使用寿命，又确保了外力有效作用于光栅部分，提升了传感器的灵敏度。⑶、操作方法简单灵活，实用性强：在实际制作过程中，由于光纤光栅应变误差、机械零件的加工误差、结构装配误差等的影响，传感器的关键技术指标会偏离设计值。传统的光纤光栅悬臂梁加速度传感器在优化技术指标时，往往需要加工多个不同规格的质量块，采用逐一替换的方法装配成加速度传感器后，再逐一进行测试，制作周期长，合格率低。而对于不合格的传感器，由于环氧树脂固化后剥离困难，且传感器空间狭小，返工维修废品率高。而本专利技术通过在质量块上设计专用的配重孔，通过简单机械加工或注胶进行配重，可改变加速度传感器的灵敏度和频率范围，为灵活调节传感器的技术指标提供了方便。附图说明图1为本专利技术中悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的结构示意图。图2为本专利技术中悬臂梁式光纤光栅加速度传感器等效原理图。图3为本专利技术实施例中泥石流地声监测的加速度传感器的频率特性图。图中：1-基座，2-传感光栅，3-弹簧片，4-质量块。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施例作进一步的详细描述：本实施例所述的悬臂梁式光纤光栅加速度传感器，用于泥石流地声监测。泥石流地声是指泥石流爆发时，其携带大量泥、砂、砾石和水在运动过程中发生的碰撞与摩擦会造成地表振动。研究表明，泥石流地声的显著频率在10～200Hz，典型强度在0.2m/s2左右，与火山爆发、地震等现象产生的地表振动信号有着明显的区别。通过对泥石流地声进行监测，在泥石流发生初期及时告警，可以有效避免或减轻泥石流灾害所造成人员和财产损失。光纤光栅传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，其特征在于：该加速度传感器包括基座(1)、弹簧片(3)、质量块(4)、侧盖、光纤光栅(2)；制作步骤如下：步骤1：在质量块(4)左右两个侧面的中心位置对称加工有配重孔，在基座和质量块(4)上加工有卡槽，弹簧片(3)的一端与基座的卡槽过盈配合连接，弹簧片(3)的另一端与质量块(4)卡槽过盈配合连接，并通过激光焊接加固；步骤2：将带尾纤的光纤光栅(2)从基座的引入孔导入，所述光纤光栅(2)的一端点胶固定在引入孔上，所述光纤光栅(2)的另一端水平牵引到质量块(4)的上沿，保持一定的拉力，然后点胶固定；光纤光栅(2)的尾纤再悬空回绕到质量块(4)的下沿，经基座的引出孔导出并点胶固定，保持回绕尾纤的自由松弛状态；步骤3：将传感装置放置在振动台上，光纤光栅(2)的尾纤一端接入解调设备，光纤光栅(2)的尾纤的另一端浸入匹配液，实时监测振动台的输入和光栅反射信号的波长变化，确定传感装置的谐振频率点和灵敏度；步骤4：当传感装置的谐振频率点低于设计值，通过对质量块(4)侧面的配重孔扩孔，减轻质量块(4)重量，提高谐振点的频率；当传感装置的谐振频率点高于设计值，通过在配重孔点胶来增加质量块(4)的重量，降低谐振频率，提高灵敏度；步骤5：将传感装置老化后，装配侧盖，点胶密封；通过上述步骤，完成悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作。...

【技术特征摘要】
1.一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，其特征在于：该加速度传感器包括基座(1)、弹簧片(3)、质量块(4)、侧盖、光纤光栅(2)；制作步骤如下：步骤1：在质量块(4)左右两个侧面的中心位置对称加工有配重孔，在基座和质量块(4)上加工有卡槽，弹簧片(3)的一端与基座的卡槽过盈配合连接，弹簧片(3)的另一端与质量块(4)卡槽过盈配合连接，并通过激光焊接加固；步骤2：将带尾纤的光纤光栅(2)从基座的引入孔导入，所述光纤光栅(2)的一端点胶固定在引入孔上，所述光纤光栅(2)的另一端水平牵引到质量块(4)的上沿，保持一定的拉力，然后点胶固定；光纤光栅(2)的尾纤再悬空回绕到质量块(4)的下沿，经基座的引出孔导出并点胶固定，保持回绕尾纤的自由松弛状态；步骤3：将传感装置放置在振动台上，光纤光栅(2)的尾纤一端接入解调设备，光纤光栅(2)的尾纤的另一端浸入匹配液，实时监测振动台的输入和光栅反射信号的波长变化，确定传感装置的谐振频率点和灵敏度；步骤4：当传感装置的谐振频率点低于设计值，通过对质量块(4)侧面的配重孔扩孔，减轻质量块(4)重量，提高谐振点的频率；当传感装置的谐振频率点高于设计值，通过在配重孔点胶来增加质量块(4)的重量，降低谐振频率，提高灵敏度；步骤5：将传感装置老化后，装配侧盖，点胶密封；通过上述步骤，完成悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作。2.根据权利要求1所述一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤1中，基座、弹簧片(3)、质量块(4)通过机械配合连接和激光焊接后，构成悬臂梁结构。3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗志会，王凤钧，蔡德所，陈思，陈小刚，潘礼庆，肖焱山，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42