基于柔性铰链的光纤光栅加速度传感器制造技术

基于柔性铰链技术的光纤光栅加速度传感器,设矩形框架、并在其中部设质量块，质量块四角分别连接第一弹性臂、第二弹性臂，第三弹性臂，第四弹性臂，质量块左、右中部分别连接第一限位件、第二限位件，矩形框架前中部设第一通孔，质量块前中部设第二通孔、后中部设第三通孔，设第一毛细钢管、第二毛细钢管、第三毛细钢管并在管内分别连接光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅并通过第一通孔、第二通孔、第三通孔安装于矩形框架内；本发明专利技术的有益效果是：具有温度补偿，结构紧凑，长期稳定性好，测量精度高的技术特点。

Fiber Bragg Grating Acceleration Sensor Based on Flexible Hinge

Fiber Bragg Grating Acceleration Sensor based on Flexible Hinge Technology has a rectangular frame and a mass block in the middle. The four corners of the mass block are connected with the first elastic arm, the second elastic arm, the third elastic arm and the fourth elastic arm respectively. The left and right middle parts of the mass block are connected with the first and the second ones respectively. The front and middle parts of the rectangular frame are provided with the first through hole, and the second through hole is arranged in the front and middle parts of the mass block. A third through-hole is arranged in the rear middle part, and the first capillary steel pipe, the second capillary steel pipe and the third capillary steel pipe are respectively connected with the optical fiber, the first fiber grating and the second fiber grating in the pipe and installed in the rectangular frame through the first through-hole, the second through-hole and the third through-hole. The beneficial effects of the present invention are: temperature compensation, compact structure, good long-term stability and high measurement accuracy. Technical characteristics.

【技术实现步骤摘要】
基于柔性铰链的光纤光栅加速度传感器
本专利技术属于光纤传感
，具体涉及一种基于柔性铰链技术的光纤光栅加速度传感器。技术背景已知的市场工程应用中，振动或加速度信号的测量是非常重要的，特别是在大型土木结构健康监测，石油、天然气开采，地震波检测及航空航天领域具有至关重要的作用；光纤传感技术与传统的电学传感器比较，具有电绝缘、本质无源防爆、抗电磁干扰、耐受恶劣环境、易组网等技术优势。专利技术专利号为201010553770.0的中国专利“一种基于拉锥结构的光纤光栅加速度传感器”，采用光纤光栅作为反射元件，利用拉锥结构对加速度的响应对反射光强进行调制，从而进行加速度测量，这就要求光源及其供电系统具有极高的稳定性，光纤传输线路的损耗恒定不变，而实际应用中较难达到，易造成测量精度不高；专利技术专利号为201510351520.1的中国专利“一种光纤光栅加速度传感器及其制作方法”，采用质量块、弹簧、固定底板和光纤光栅作为主要元件进行加速度信号测量，由于其采用单光栅结构没有温度补偿，无法避免温度对光栅的中心波长的影响，除非采用恒温环境，另外弹簧经过长期使用后，弹性系数会发生细微变化影响精度；专利技术专利号为CN201410232241.9的中国专利“一种基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器”，虽然采用柔性铰链结构，但是仍没有进行温度补偿，且生产加工复杂，实用性差。上述三件专利技术专利所存在的缺陷，目前尚无新的技术突破其难题。
技术实现思路
为克服上述技术不足，本专利技术基于柔性铰链技术的光纤光栅加速度传感器其目的在于提供了具有温度补偿，结构紧凑，长期稳定性好，测量精度高的技术特点。为了达到上述目的，本专利技术的柔性铰链技术的光纤光栅加速度传感器是由下述方式实现的：设矩形框架、并在其中部设质量块，质量块四角分别连接第一弹性臂、第二弹性臂，第三弹性臂，第四弹性臂，质量块左、右中部分别连接第一限位件、第二限位件，矩形框架前中部设第一通孔，质量块前中部设第二通孔、后中部设第三通孔，设第一毛细钢管、第二毛细钢管、第三毛细钢管并在管内分别连接光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅并通过第一通孔、第二通孔、第三通孔安装于矩形框架内；本专利技术测量振动或加速度时，假设传感器的运动方向向着某一方向，那么质量块的相对运动趋势即与之相反，由于第一光纤光栅和第二光纤光栅是以预应力的状态进行安装固定的，且第一光纤光栅的波长比第二光纤光栅的波长至少大于2nm,设定其差值为Δλ，在运动状态下，第一光纤光栅所受到的拉力将会变大，中心波长随之变大，其变化量为λ1；第二光纤光栅所受到的拉力将会变小，中心波长随之变小，其变化量为λ2，这样，本专利技术的运动对第一光纤光栅和第二光纤光栅中心波长的差值形成了差动变大，其波长差值为Δλ、λ1、λ2三者之和，实际上第一光纤光栅和第二光纤光栅中心波长的差值与本专利技术运动的加速度是对应的函数关系，因此可通过第一光纤光栅和第二光纤光栅中心波长的差值获得本专利技术运动的加速度，反之，如果本专利技术运动方向向着相反方向时，第一光纤光栅的中心波长变小，其变化量为λ1；第二光纤光栅的波长变大，其变化量为λ2，那么第一光纤光栅和第二光纤光栅中心波长的差值为Δλ减去λ1、λ2两者之和，同样可以获得本专利技术运动的加速度；如果本专利技术运动的加速度过大，超出本专利技术的测量范围，甚至导致两个光纤光栅所受拉力过大而断裂，此时由于限位件和限位件与矩形框架之间的缝隙很小（通过计算与实验确定），会限制质量块的位移进一步变大，从而避免两个光纤光栅受力过大被拉断；由于光纤光栅的中心波长对本专利技术温度敏感，本专利技术随着温度的变大而变大，随着温度的变小而变小，且本专利技术的机械结构的热胀冷缩也会使两个光纤光栅的受力发生变化，从而导致中心波长的变化，所以在本专利技术工作过程中，由于工作环境的温度发生变化，会导致第一光纤光栅和第二光纤光栅的中心波长发生变化，本专利技术结构设计中，第一光纤光栅和第二光纤光栅采用对称结构封装，两个光纤光栅对温度敏感系数相同，且是以两个光纤光栅中心波长的差值进行加速度或振动信号测量，从而抵消了环境温度的变化对传感器测量精度的影响。本专利技术的有益效果是：具有温度补偿，结构紧凑，长期稳定性好，测量精度高的技术特点。下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明图中1.第一弹性臂，2.第二弹性臂，3.第三弹性臂，4.第四弹性臂，5.质量块，6.第一限位件，7.第二限位件，8.矩形框架，9.第一通孔，10.第二通孔，11.第三通孔，12.光纤，13.第一毛细钢管，14.第二毛细钢管，15.第三毛细钢管，16.第一光纤光栅，17.第二光纤光栅。图1为本专利技术基于柔性铰链的光纤栅加速度传感器传感器机械结构示意图；图2为本专利技术基于柔性铰链的光纤栅加速度传感器光纤光栅组件结构示意图；图3为本专利技术基于柔性铰链的光纤栅加速度传感器传感器工作原理示意图。具体实施方式按照图1、图2、图3所示基于柔性铰链的光纤栅加速度传感器，设矩形框架8、并在其中部设质量块5，质量块5四角分别连接第一弹性臂1、第二弹性臂2，第三弹性臂3，第四弹性臂4，质量块5左、右中部分别连接第一限位件6、第二限位件7，矩形框架8前中部设第一通孔9，质量块5前中部设第二通孔10、后中部设第三通孔11，设第一毛细钢管13、第二毛细钢管14、第三毛细钢管15并在管内分别连接光纤12、第一光纤光栅16、第二光纤光栅17并通过第一通孔9、第二通孔10、第三通孔11安装于矩形框架8内；用本专利技术测量振动或加速度时，假设传感器的运动方向如图3箭头所示，那么质量块5的相对运动趋势即与之相反，由于第一光纤光栅16和第二光纤光栅17是以预应力的状态进行安装固定的，且第一光纤光栅16的波长比第二光纤光栅17的波长至少大于2nm,设定其差值为Δλ，在运动状态下，第一光纤光栅16所受到的拉力将会变大，中心波长随之变大，其变化量为λ1；第二光纤光栅17所受到的拉力将会变小，中心波长随之变小，其变化量为λ2，这样，本专利技术的运动对第一光纤光栅16和第二光纤光栅17中心波长的差值形成了差动变大，其波长差值为Δλ、λ1、λ2三者之和，实际上第一光纤光栅16和第二光纤光栅17中心波长的差值与本专利技术运动的加速度是对应的函数关系，因此可通过第一光纤光栅16和第二光纤光栅17中心波长的差值获得本专利技术运动的加速度，反之，如果本专利技术运动方向与附图3所示相反时，第一光纤光栅16的中心波长变小，其变化量为λ1；第二光纤光栅17的波长变大，其变化量为λ2，那么第一光纤光栅16和第二光纤光栅17中心波长的差值为Δλ减去λ1、λ2两者之和，同样可以获得本专利技术运动的加速度；如果本专利技术运动的加速度过大，超出本专利技术的测量范围，甚至导致两个光纤光栅所受拉力过大而断裂，此时由于限位件6和限位件7与矩形框架8之间的缝隙很小（通过计算与实验确定），会限制质量块5的位移进一步变大，从而避免两个光纤光栅受力过大被拉断；由于光纤光栅的中心波长对本专利技术温度敏感，本专利技术随着温度的变大而变大，随着温度的变小而变小，且本专利技术的机械结构的热胀冷缩也会使两个光纤光栅的受力发生变化，从而导致中心波长的变化，所以在本专利技术工作过程中，由于工作环境的温度发生变化，会导致第一光纤光栅16和第二光纤光栅17的中心波长发生变化，本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于柔性铰链的光纤光栅加速度传感器，其特征是：设矩形框架（8）、并在其中部设质量块（5），质量块（5）四角分别连接第一弹性臂（1）、第二弹性臂（2），第三弹性臂（3），第四弹性臂（4），质量块（5）左、右中部分别连接第一限位件（6）、第二限位件（7），矩形框架（8）前中部设第一通孔（9），质量块（5）前中部设第二通孔（10）、后中部设第三通孔（11），设第一毛细钢管（13）、第二毛细钢管（14）、第三毛细钢管（15）并在管内分别连接光纤（12）、第一光纤光栅（16）、第二光纤光栅（17）并通过第一通孔（9）、第二通孔（10）、第三通孔（11）安装于矩形框架（8）内。

【技术特征摘要】
1.基于柔性铰链的光纤光栅加速度传感器，其特征是：设矩形框架（8）、并在其中部设质量块（5），质量块（5）四角分别连接第一弹性臂（1）、第二弹性臂（2），第三弹性臂（3），第四弹性臂（4），质量块（5）左、右中部分别连接第一限位件（6）、第二限位件（7），矩形框架（8）前中部设第一通孔（...

【专利技术属性】
技术研发人员：常晓东，梁冰，何毅，
申请(专利权)人：菲布雷格光电科技湖北有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42