一种基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器及方法技术

本公开提供了一种基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器及方法，包括固定在支撑件上的立方体形状的柔性铰链结构；柔性铰链结构的两个相对的侧面上均开有凹槽，两个凹槽对称设置且呈圆弧状，且所述凹槽沿凹槽轴向的截面积相同；两个凹槽将立方体结构分为两部分，一部分与支撑件固定连接，另一部分为质量块；凹槽的一侧开有第一沟槽，另一侧开有与第一凹槽同轴的第二够槽，第一沟槽和第二沟槽内设有光纤光栅，且两个侧面上的光纤光栅对称设置；本公开通过在柔性铰链结构的上下表面对称的设置相同的光纤光栅传感器，两根光纤的反射光中心波长漂移量大小相等、方向相反，消除了温度变化的影响，同时在保证低频的前提下提高了传感器的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器及方法
本公开涉及加速度传感器
，特别涉及一种基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器及方法。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术。加速度检测是地震监测、结构健康监测以及资源勘探等领域的重要技术手段。传统加速度传感器大多结构复杂、寿命较短，且易受环境影响，严重制约其在工程中的应用。光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating，FBG)加速度传感器因其能够抗电磁干扰、体积小、易组网等优点在加速度检测工程应用中拥有广阔的前景。本公开专利技术人发现，有研究人员提出一种椭圆铰链光纤光栅加速度传感器，椭圆铰链和质量块组成加速度传感器理论模型的弹簧质量系统，灵敏度为128pm/g，可用于350Hz以下的低频微弱振动信号的实时监测。有研究人员提出一种新型双柔性铰链光纤光栅加速度，即使在50g的冲击载荷下，结构的最大应变仍在屈服极限内，灵敏度为54pm/g。有研究人员设计出一种谐振频率约为3000Hz的双铰链加速度计，用于中高频测量，灵敏度约为16.43pm/g。有研究人员提出了一种基于全向柔性铰链的二维FBG加速度计，该传感器具有温度补偿功能，用于二维加速度的测量。然而，这些传感器存在灵敏度低等问题，使其难以在工程实际中应用。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器及方法，通过在柔性铰链结构的上下表面对称的设置相同的光纤光栅传感器，两根光纤的反射光中心波长漂移量大小相等、方向相反，消除了温度变化的影响，同时在保证低频的前提下提高了传感器的灵敏度。为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：本公开第一方面提供了一种基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器。一种基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器，包括固定在支撑件上的方体状的柔性铰链结构；柔性铰链结构的两个相对的侧面上均开有圆弧状凹槽，所述凹槽贯穿柔性铰链结构的两个平行侧面且两个凹槽相互对称，两个凹槽最底端之间的距离小于预设值；凹槽的一侧开有第一沟槽，另一侧开有第二沟槽，第一沟槽和第二沟槽同轴且轴线垂直于凹槽轴线，光纤光栅沿第一沟槽和第二沟槽布设，且两个凹槽所在侧面上的光纤光栅相互对称。作为可能的一些实现方式，所述柔性铰链结构为矩形立方体形状。作为可能的一些实现方式，两个凹槽将立方体结构分为两部分，一部分与支撑件固定连接，另一部分为质量块。作为可能的一些实现方式，两个凹槽最底端直线平行。作为可能的一些实现方式，两个凹槽的深度相同，且每个凹槽沿所在凹槽轴线的截面形状和面积相同。作为可能的一些实现方式，所述支撑件为第一板件，还包括底座，所述第一板件与底座垂直固定连接。作为进一步的限定，两个凹槽的轴线均与第一板件平行。作为进一步的限定，所述沟槽的开槽方向均与第一板件垂直，且所述光纤光栅粘贴于所述沟槽内，并在粘贴时给光纤光栅施加相同的预应力。本公开第二方面提供了一种基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器的工作方法。一种基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器的工作方法，利用本公开第一方面所述的基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器，包括以下步骤：加速度传感器水平设置，且两个凹槽的轴线均平行于水平面；当外界产生振动时，传感器整体会随振动信号运动；当传感器振动时，传感器两侧面上的光纤光栅的形变量相同且形变方向相反；根据两根光纤光栅的中心波长变化量得到加速度值。作为可能的一些实现方式，两个凹槽的底部之间的距离为铰链厚度，凹槽的半径为铰链半径，铰链厚度越小且铰链半径越大，加速度传感器的灵敏度越高且谐振频率越小。作为可能的一些实现方式，加速传感器的灵敏度随质量块宽度和质量块高度的增大而增大，加速度传感器的谐振频率随质量块宽度和质量块高度的增大而减小。作为可能的一些实现方式，将两侧面上的光纤光栅的漂移量做差分运算，消除温度的影响，得到光纤光栅中心波长关于应变的变化量。作为可能的一些实现方式，质量块的一半的平方与两倍的光纤光栅的弹性系数的乘积与两倍的铰链刚度的加和构成第一变量，第一变量除以转动惯量后开根号得到第二变量，第二变量除以2π得到谐振频率。作为可能的一些实现方式，数值1同光纤有效弹光系数的差值与两倍的光栅中心波长的乘积构成第一变量，第一变量与凹槽两边沿之间的距离的商构成第二变量；质量块的质量与质量块质心距铰链中心的距离的乘积构成第三变量，光纤的弹性系数同0.5倍的质量块高度的乘积构成第四变量，两倍的铰链转动刚度同质量块高度的比值构成第五变量，第四变量和第五变量的加和构成第六变量；加速度传感器的灵敏度为第二变量同第三变量的乘积与第六变量的商。与现有技术相比，本公开的有益效果是：1、本公开所述的加速度传感器及方法，通过在柔性铰链结构的上下表面对称的设置相同的光纤光栅传感器，两根光纤的反射光中心波长漂移量大小相等、方向相反，将两者差分即可得到光纤光栅的中心波长变化量，即可消除温度变化的影响，同时在保证低频的前提下提高了传感器的灵敏度。2、本公开所述的加速度传感器及方法，结构简单，对传感器的铰链厚度、铰链半径、质量块宽度和质量块高度进行了选择设计，从能能够实现对灵敏度和谐振频率的选择，具体较高的工程推广价值。3、本公开所述的加速度传感器及方法，线性度良好，且双光纤能达到增加灵敏度的作用，且在振动条件下可以看作是单自由度振动，具有较强的横向抗干扰能力。附图说明构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。图1为本公开实施例1提供的传感器结构示意图。图2为本公开实施例2提供的传感器结构振动模型示意图。图3为本公开实施例2提供的铰链厚度和铰链半径对灵敏度和谐振频率的影响示意图。图4为本公开实施例2提供的质量块宽和质量块对灵敏度和谐振频率的影响示意图。图5为本公开实施例2提供的B点位移与谐振响应频率关系示意图。图6为本公开实施例2提供的结构静应力分析结果示意图。图7为本公开实施例2提供的结构模态分析结果示意图。图8为本公开实施例2提供的实验系统示意图。图9为本公开实施例2提供的加速度传感器时域响应曲线。图10为本公开实施例2提供的幅频特性示意图。图11为本公开实施例2提供的线性度拟合示意图。图12为本公开实施例2提供的在相同振动环境下传感器横向振动与纵向振动光纤光栅中心波长漂移量的对比示意图。1-铰链；2-支撑件；3-底座；4-光纤粘贴处；5-质量块；6、光纤光栅。具体实施方式下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器，其特征在于，包括固定在支撑件上的方体状的柔性铰链结构；/n柔性铰链结构的两个相对的侧面上均开有圆弧状凹槽，所述凹槽贯穿柔性铰链结构的两个平行侧面且两个凹槽相互对称，两个凹槽最底端之间的距离小于预设值；/n凹槽的一侧开有第一沟槽，另一侧开有第二沟槽，第一沟槽和第二沟槽同轴且轴线垂直于凹槽轴线，光纤光栅沿第一沟槽和第二沟槽布设，且两个凹槽所在侧面上的光纤光栅相互对称。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器，其特征在于，包括固定在支撑件上的方体状的柔性铰链结构；
柔性铰链结构的两个相对的侧面上均开有圆弧状凹槽，所述凹槽贯穿柔性铰链结构的两个平行侧面且两个凹槽相互对称，两个凹槽最底端之间的距离小于预设值；
凹槽的一侧开有第一沟槽，另一侧开有第二沟槽，第一沟槽和第二沟槽同轴且轴线垂直于凹槽轴线，光纤光栅沿第一沟槽和第二沟槽布设，且两个凹槽所在侧面上的光纤光栅相互对称。


2.如权利要求1所述的基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器，其特征在于，所述柔性铰链结构为矩形立方体形状；
或者，两个凹槽将立方体结构分为两部分，一部分与支撑件固定连接，另一部分为质量块；
或者，两个凹槽最底端直线平行。


3.如权利要求1所述的基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器，其特征在于，两个凹槽的深度相同，且每个凹槽沿所在凹槽轴线的截面形状和面积相同。


4.如权利要求1所述的基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器，其特征在于，所述支撑件为第一板件，还包括底座，所述第一板件与底座垂直固定连接。


5.如权利要求4所述的基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器，其特征在于，两个凹槽的轴线均与第一板件平行；
或者，所述沟槽的开槽方向均与第一板件垂直，且所述光纤光栅粘贴于所述沟槽内，并在粘贴时给光纤光栅施加相同的预应力。


6.一种基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器的工作方法，其特征在于，利用权利要求1-5任一项所述的基于柔性铰链的低频FBG加速度传感器，包括以下步骤：
加速度传感器水平设置，且两个凹槽的轴线均平行于水平面；
当外界产生振...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪利，王业伟，孟娟，韩智明，李亚南，邱忠超，
申请(专利权)人：防灾科技学院，
类型：发明
国别省市：河北;13