基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，包括光纤、封装壳、固定在封装壳内底面上的基座、固定在基座上的销轴和两个摆杆及质量块，摆杆一端通过销轴与基座能上下摆动的铰接形成刚性铰链、另一端与质量块固定，两个摆杆及质量块关于销轴中心线对称；采用单根光纤时，光纤水平固定在两个质量块的最高点或最低点上，采用两根光纤时，两根光纤分别水平固定在两个质量块的最高点和最低点上；光纤上两个固定点之间的部分为光纤工作段，光纤工作段上销轴中心线两侧均设有光栅，光纤工作段具有一定预应力且不与其它部位接触，质量块不与封装壳接触，光纤两端分别穿出封装壳后连接至解调仪。该传感器可以实现微小振动的精确测量。

High Sensitivity Fiber Bragg Grating Acceleration Sensor Based on Rigid Hinge

【技术实现步骤摘要】
基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器
本专利技术属于光纤光栅传感
，具体涉及一种基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器。
技术介绍
近年来，机械零件制造越来越倾向于精密化、小型化、轻型化方向发展，而精密加工技术在精密零件制造过程中占据着重要的地位，精密加工技术是指加工的尺寸、形状精度达到亚微米级，加工表面的粗糙度Ra达到纳米级的技术总称。在实际加工过程中，微振动几乎很难避免，若振动方向与误差敏感方向一致，将会引起较大的加工误差，增加零件表面的粗糙度，甚至会影响机器的正常运行，因此需要设置加速度传感器检测实际加工过程中的微振动。虽然光纤光栅存在体积小、质量轻、不受电磁干扰、可实现分布式测量等突出优点，但是目前的光纤光栅加速度传感器，基本上采用的是以悬臂梁或柔性铰链为弹性体、质量块作为加速度载体的方式，由于弹性体连续性原则，其周围的材料必对发生形变材料有约束，这实际上就减小了光纤光栅总的轴向变形，这种方式设计的传感器灵敏度较低，未能很好的实时测量由于微振动引起的加工误差。因此，精密加工技术迫切需要一种高灵敏度的加速度传感器。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，该传感器不同于现有的增敏形式，具有二级灵敏度放大结构，灵敏度高，可以实现微小振动的精确测量。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，包括单根或两根光纤、封装壳、固定在封装壳内底面上的基座、固定在基座上的销轴和两个摆杆及质量块，摆杆一端通过销轴与基座能上下摆动的铰接形成刚性铰链、另一端与质量块固定，两个摆杆及质量块关于销轴中心线对称；采用单根光纤时，光纤水平固定在两个质量块的最高点或最低点上，采用两根光纤时，两根光纤分别水平固定在两个质量块的最高点和最低点上；光纤上两个固定点之间的部分为光纤工作段，光纤工作段上销轴中心线两侧均设有光栅，光纤工作段具有一定预应力且不与摆杆、销轴和基座接触，质量块不与封装壳接触，光纤两端分别穿出封装壳后连接至解调仪。进一步地，封装壳内固定有上限位块和下限位块，上限位块能对摆杆的铰接端限位，防止摆杆上摆过量，下限位块能对质量块限位，防止摆杆下摆过量。进一步地，摆杆、销轴和基座与光纤工作段存在干涉时，干涉的部位开设有光纤通过孔。进一步地，销轴与基座过盈配合，销轴与摆杆间隙配合。进一步地，一个摆杆的铰接端为单耳片、另一个摆杆的铰接端为双耳片，单耳片和双耳片均套在销轴上，单耳片位于双耳片之间且存在间隙。进一步地，质量块的形状为球体时，加速度传感器的灵敏度S和谐振频率f为其中λ为光纤光栅中心波长、Pe为有效弹光系数、m为质量块质量、M为摆杆质量、x为光纤工作段长度、R为质量块球体半径、k为光纤光栅弹性系数、l为质量块质心到销轴中心线的距离、J为一侧刚性铰链绕铰链中心的转动惯量。进一步地，光纤两端均通过光纤保护套保护。进一步地，质量块采用铅锑合金材料。进一步地，摆杆采用不锈钢材料。进一步地，光纤固定时，先将光纤固定在一个质量块上，然后采用悬挂砝码的方式对光纤施加预应力，预应力施加完毕后，根据光纤工作段的长度在光纤上标记另一个固定点，然后使光纤处于水平状态，调整另一个质量块的位置使另一个质量块的固定点与光纤上标记的固定点重合，最后将光纤固定在另一个质量块上。本专利技术的有效效果是：该传感器具有二级灵敏度放大结构，可以实现微小振动的精确测量。其中，第一级灵敏度放大结构是摆杆、销轴和基座形成的刚性铰链，不同于现有的柔性铰链增敏形式，基座用于传递振动、支撑摆杆和防止质量块与内壁接触，防止影响测量精度，摆杆做刚体转动，与柔性铰链相比，摆杆长度相同的情况下具有更大的放大作用：柔性铰链的放大作用关键是利用弹性体变形的原理进行放大变形，但由于弹性体的连续性原理，当其一部分发生变形时，其另一部分必定对发生变形的部分有阻碍其变形的作用，而刚体运动则没有这样的限制，因此，相对柔性铰链而言，刚性铰链具有更大的放大增益，从而实现传感器灵敏度一级放大，而且摆杆长度和角度可以根据传感器灵敏度来确定，改变其长度可以调节灵敏度大小；第二级灵敏度放大结构是采用两个质量体的左右对称结构，当振源加速度不变时，使光纤光栅的伸长量增加一倍：由于结构对称，故左右两部分都会拉伸光纤光栅，从而导致光纤光栅的伸长量增加一倍，而非对称结构则没有这种效果，故二级灵敏度放大结构也会传感器灵敏度增大，从而实现传感器灵敏度二级放大。经分析计算，该传感器可轻易的实现毫加速度的测量，可达到微加速度测量精度，灵敏度具有很大优势。对于温度变化小的场合，选用单根光纤即可，对于温度变化大的场合，可以选用两根光纤，采用两根光纤可以消除温度对传感器测量振动的干扰。附图说明图1是本专利技术实例一的正视剖面图。图2是本专利技术实例一中二级灵敏度放大结构的立体图。图3是本专利技术实例一中二级灵敏度放大结构的尺寸示意图。图4是本专利技术实例一中一个摆杆的立体图。图5是本专利技术实例一中另一个摆杆的立体图。图6是本专利技术实例一中基座的立体图。图7是本专利技术实施例二中二级灵敏度放大结构的示意图。图8是本专利技术实施例三中二级灵敏度放大结构的示意图。图中：1-封装壳；2-摆杆；3-基座；4-销轴；5-上限位块；6-光纤；7-质量块；8-下限位块；9-光纤通过孔；10-铰链孔。具体实施方式下面结合附图和实施对本专利技术作进一步的说明。如图1至图8所示，在实施例一实施例三中，基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器包括光纤6、封装壳1、固定在封装壳1内底面上的基座3(基座3的固定方式有很多种，优选基座3通过环氧树脂胶AB胶等胶水粘接固定在封装壳1上，粘接时，应尽可能使基座3底面与封装壳1的粘接面平行，这样有利于减少横向干扰和使光纤光栅两侧均匀被拉长)、固定在基座3上的销轴4和两个摆杆2及质量块7，摆杆2一端通过销轴4与基座3能上下摆动的铰接形成刚性铰链(摆杆2和基座3的拐角处都设有圆角，避免了应力集中现象的出现)、另一端与质量块7固定(质量块7与摆杆2一体浇注成型或焊接为一体，质量块7作为加速度载体，其作用是产生惯性力，从而拉伸光纤光栅，可以根据灵敏度的需求选择质量块7的质量)，两个摆杆2及质量块7关于销轴4中心线对称；如图1至图3所示，在实施例一中，采用单根光纤6时，光纤6水平固定在两个质量块7的最高点(也可以是最低点)上(光纤6通过环氧树脂胶AB胶等胶水粘接固定在质量块7上)，如图7和图8所示，在实施例二和实施例三中，采用两根光纤6时，两根光纤6分别水平固定在两个质量块7的最高点和最低点上(光纤6通过环氧树脂胶AB胶等胶水粘接固定在质量块7上)；光纤6上两个固定点之间的部分为光纤6工作段，光纤6工作段上销轴4中心线两侧均设有光栅，光纤6工作段具有一定预应力且不与摆杆2、销轴4和基座3接触，质量块7不与封装壳1接触，光纤6两端分别穿出封装壳1(封装壳1对应位置上开设有光纤通过孔9)后连接至解调仪。该传感器具有二级灵敏度放大结构，可以实现微小振动的精确测量。其中，一级灵敏度放大结构是摆杆2、销轴4和基座3形成的刚性铰链，不同于现有的柔性铰链增敏形式，基座3用于传递振动、支撑摆杆2和防止质量块7与内壁接触，防止影响测量精度，摆杆2做刚体转动，与柔性铰链相比，摆杆2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：包括单根或两根光纤、封装壳、固定在封装壳内底面上的基座、固定在基座上的销轴和两个摆杆及质量块，摆杆一端通过销轴与基座能上下摆动的铰接形成刚性铰链、另一端与质量块固定，两个摆杆及质量块关于销轴中心线对称；采用单根光纤时，光纤水平固定在两个质量块的最高点或最低点上，采用两根光纤时，两根光纤分别水平固定在两个质量块的最高点和最低点上；光纤上两个固定点之间的部分为光纤工作段，光纤工作段上销轴中心线两侧均设有光栅，光纤工作段具有一定预应力且不与摆杆、销轴和基座接触，质量块不与封装壳接触，光纤两端分别穿出封装壳后连接至解调仪。

【技术特征摘要】
1.一种基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：包括单根或两根光纤、封装壳、固定在封装壳内底面上的基座、固定在基座上的销轴和两个摆杆及质量块，摆杆一端通过销轴与基座能上下摆动的铰接形成刚性铰链、另一端与质量块固定，两个摆杆及质量块关于销轴中心线对称；采用单根光纤时，光纤水平固定在两个质量块的最高点或最低点上，采用两根光纤时，两根光纤分别水平固定在两个质量块的最高点和最低点上；光纤上两个固定点之间的部分为光纤工作段，光纤工作段上销轴中心线两侧均设有光栅，光纤工作段具有一定预应力且不与摆杆、销轴和基座接触，质量块不与封装壳接触，光纤两端分别穿出封装壳后连接至解调仪。2.如权利要求1所述的基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：封装壳内固定有上限位块和下限位块，上限位块能对摆杆的铰接端限位，防止摆杆上摆过量，下限位块能对质量块限位，防止摆杆下摆过量。3.如权利要求1所述的基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：摆杆、销轴和基座与光纤工作段存在干涉时，干涉的部位开设有光纤通过孔。4.如权利要求1所述的基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征在于：销轴与基座过盈配合，销轴与摆杆间隙配合。5.如权利要求1所述的基于刚性铰链的高灵敏度光纤光栅加速度传感器，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭跃刚，谢志超，刘虎，黄兵，毛健，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42