一种光纤光栅二维加速度传感器、控制方法及应用技术

本发明专利技术属于光纤光栅传感器技术领域，公开了一种光纤光栅二维加速度传感器、控制方法及应用，外壳里侧安装有竖向加速度测量模块和横向加速度测量模块；竖向加速度测量模块包括竖向位移检测单元和加速度测量单元，横向加速度测量模块包括摆动梁和第一弹性块，摆动梁上端通过悬臂梁与壳体连接，摆动梁下部带有齿状结构，第一弹性块上部带有齿状结构，摆动梁下端与弹性块上端相互啮合，第一弹性块侧面连接有用于进行横向加速度波长测量的第二光纤光栅。本发明专利技术克服了传统一维加速度传感器只能测单个方向加速度的不足，消除了温度变化对二维加速度测量的影响，很大程度上减小了测量误差，且能实现温度和加速度等多个物理参量的测量。且能实现温度和加速度等多个物理参量的测量。且能实现温度和加速度等多个物理参量的测量。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤光栅二维加速度传感器、控制方法及应用


[0001]本专利技术属于光纤光栅传感器
，尤其涉及一种基于齿状结构传力的光纤光栅二维加速度传感器、控制方法及应用。

技术介绍

[0002]目前，光纤光栅因为具有抗电磁干扰、体积小、动态范围宽，耐腐蚀等优点受到广泛关注与研究，光纤光栅传感器更是广泛应用于地震监测，铁路桥梁大坝的振动测试与分析中。加速度是测量振动重要参数之一，光纤Bragg光栅加速度传感器是利用光栅的波长调制原理，即利用外界的微扰振动来改变光栅的栅距，再转化为对应的波长变化量，通过检测波长的变化来测量加速度的大小；
[0003]传统光纤光栅加速度传感器仅能测量单个方向的振动，CN111174897A中贾振安等人提出了一种二维光纤光栅振动传感器，然而其只能在两个方向的振动单独发生时分别测量，在实际工程中两个方向上的振动往往是同时发生的，为此本专利技术提出了一种基于齿状结构传力光纤光栅二维加速度传感器能实时测量两个不同方向的振动状态，可以有效地解决上述问题，更好地应用于实际工程测量中。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统光纤光栅加速度传感器仅能测量单个方向的振动或只能在两个方向的振动单独发生时分别测量，无法适用于两个方向上的振动同时发生的情况。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种光纤光栅二维加速度传感器、控制方法及应用。
[0006]本专利技术是这样实现的，一种光纤光栅二维加速度传感器包括：
[0007]外壳；
[0008]所述外壳里侧安装有用于对竖直方向的加速度进行测量的竖向加速度测量模块和用于对水平方向的加速度进行测量的横向加速度测量模块；
[0009]所述竖向加速度测量模块包括竖向位移检测单元和加速度测量单元，所述竖向位移检测单元用于利用质量块对竖向位移进行检测，所述加速度测量单元用于利用第二弹性块和光纤光栅对质量块传递的位移加速度进行测量；
[0010]所述横向加速度测量模块包括摆动梁和第一弹性块，所述摆动梁上端通过悬臂梁与壳体连接，所述摆动梁下部带有齿状结构，所述第一弹性块固定于外壳内部下方，第一弹性块上部带有齿状结构，所述摆动梁下端与弹性块上端相互啮合，所述第一弹性块侧面连接有用于进行横向加速度波长测量的第二光纤光栅。
[0011]进一步，所述竖向加速度测量模块的质量块上端通过高强硬弹簧与外壳顶部连接，所述质量块两侧对称分布有齿状结构，所述第二弹性块设置有对称固定于外壳内部两侧的两个，所述第二弹性块外侧面设置有齿状结构，质量块左侧与左侧的第二弹性块啮接，
质量块右侧通过齿轮与右侧的第二弹性块传动连接，所述齿轮安装在悬臂梁外侧下端。
[0012]进一步，所述外壳里侧底部固定有凸台，所述高强硬弹簧和悬臂梁上端均与凸台下端固定连接。
[0013]进一步，左侧的第二弹性上端连接有第一光纤光栅，右侧的第二弹性上端连接有第三光纤光栅。
[0014]进一步，所述高强硬弹簧4由两根劲度系数为K/2的高强硬弹簧并联组成。
[0015]进一步，所述横向加速度测量模块还包括有温度补偿光纤光栅，所述温度补偿光纤光栅与第一弹性块的左侧连接，用于消除温度变化对二维加速度测量的影响。
[0016]进一步，所述外壳顶部上方左右两端位置对称布置有卡槽，所述卡槽为内部空心的圆柱状结构，用于作为出纤孔固定光纤的附着点，导出光纤后灌胶密封，所述外壳里侧右下角固定有作为光纤光栅两点胶装固定附着点的凸块。
[0017]进一步，所述光纤光栅在初始状态时处于拉直状态。
[0018]本专利技术的另一目的在于提供一种光纤光栅二维加速度传感器的控制方法，所述光纤光栅二维加速度传感器的控制方法包括：
[0019]步骤一，光纤光栅二维加速度传感器竖直固定在被测物体上，在振动作用下，对于竖向加速度的测量，高强硬弹簧的拉力不再与质量块重力平衡，左侧的第一弹性块和齿轮受到质量块给予的相反方向力的作用，左侧的第二弹性块发生轴向变形，引起第一光纤光栅的波长变化；
[0020]步骤二，齿轮发生转动传递给右侧的第二弹性块竖向力的作用，使得右侧的第二弹性块发生微小竖向变形，右侧的第二弹性块的轴向变形传递给第三光纤光栅，引起第三光纤光栅的波长变化，通过检测第一光纤光栅波长和第三光纤光栅波长的变化来测量竖直方向加速度的大小；
[0021]步骤三，对于横向加速度的测量，当横向振动时摆动梁在惯性力作用下发生摆动的趋势，通过齿状结构传递水平方向的力给第一弹性块，使得第一弹性块发生水平方向变形，引起温度补偿光纤光栅和第二光纤光栅波长变化，通过检测第二光纤光栅波长的变化以及结合温度补偿光纤光栅获得被测物体水平方向加速度的大小。
[0022]结合上述的技术方案和解决的技术问题，本专利技术所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
[0023]1.采用双弹簧装置，在保证总刚度为K的情况下，采取两根刚度为K/2的弹簧并联，竖向刚度不变，而增加了横向刚度，测量竖向加速度时极大减小了横向振动的干扰。保证了单方向的测量准确度。
[0024]2.光纤光栅两端采用用胶粘贴固定，中间刻有光栅部分悬空布置，降低了传感器的封装难度。既有效避免消除啁啾现象，又增加了传感器的灵敏度。
[0025]3.测量精度可以调节。齿轮旋转引起弹性块轴向变形，从而引起右光纤光栅的中心波长产生反向漂移，改变齿轮的半径直接影响着质量块单位位移改变引起的弹性块轴向应变的大小。故可通过改变齿轮半径调整传感器的监测精度和灵敏度，满足不同情况下的需求。
[0026]4.本专利技术提供了一种光纤光栅二维加速度传感器，使用本结构可以实时测量两个方向的加速度，克服了一维加速度传感器只能测单个方向加速度的不足。
[0027]5.大多数光纤光栅加速度传感器仅仅用于检测振动而无法实现温度与振动的同时加测，而本专利技术独立设置测量温度光纤光栅，消除了温度变化对二维加速度测量的影响，解决了温度与应变交差敏感的问题，以减小测量误差，且能实现温度和加速度等多个物理参量的测量。
[0028]6.在传感器“零点”位置，弹簧重力与质量块重力平衡，质量块对弹性块没有竖向力的作用，摆动梁的自由端齿条与弹性块的顶端接触，也不发生变形，避免了因性元件一直处于变形状态导致易蠕变的状况，很大程度上提高测量结果的准确度。
[0029]7.本专利技术设计有两个出纤孔，一号光纤光栅的尾纤通过出纤孔与光纤光栅解调仪相连，四号光纤光栅的尾纤通过另一出纤孔可与其他传感器串联实现对被测物体的多点分布式加速度检测，同时也可以串联其它物理参量光纤光栅传感器，实现对被测物体的多点多物理参量分布式检测。
[0030]8.灵敏度大。齿轮的转换作用使得左右两侧弹性块的变形方向相反。初始时左右两侧光纤光栅处于预拉伸状态，在振动作用下，其中一根光纤光栅的受力增大导致光纤光栅的波长增大，而另一根光纤光栅的受力减小，导致光纤光栅的波长减小，形成差动，将两根光纤光栅的反射波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，所述光纤光栅二维加速度传感器包括：外壳；所述外壳里侧安装有用于对竖直方向的加速度进行测量的竖向加速度测量模块和用于对水平方向的加速度进行测量的横向加速度测量模块；所述竖向加速度测量模块包括竖向位移检测单元和加速度测量单元，所述竖向位移检测单元用于利用质量块对竖向位移进行检测，所述加速度测量单元用于利用第二弹性块和光纤光栅对质量块传递的位移加速度进行测量；所述横向加速度测量模块包括摆动梁和第一弹性块，所述摆动梁上端通过悬臂梁与壳体连接，所述摆动梁下部带有齿状结构，所述第一弹性块固定于外壳内部下方，第一弹性块上部带有齿状结构，所述摆动梁下端与弹性块上端相互啮合，所述第一弹性块侧面连接有用于进行横向加速度波长测量的第二光纤光栅。2.如权利要求1所述的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，所述竖向加速度测量模块的质量块上端通过高强硬弹簧与外壳顶部连接，所述质量块两侧对称分布有齿状结构，所述第二弹性块设置有对称固定于外壳内部两侧的两个，所述第二弹性块外侧面设置有齿状结构，质量块左侧与左侧的第二弹性块啮接，质量块右侧通过齿轮与右侧的第二弹性块传动连接，所述齿轮安装在悬臂梁外侧下端。3.如权利要求2所述的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，所述外壳里侧底部固定有凸台，所述高强硬弹簧和悬臂梁上端均与凸台下端固定连接。4.如权利要求2所述的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，左侧的第二弹性上端连接有第一光纤光栅，右侧的第二弹性上端连接有第三光纤光栅。5.如权利要求2所述的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，所述高强硬弹簧4由两根劲度系数为K/2的高强硬弹簧并联组成。6.如权利要求1所述的光纤光栅二维加速度传感器，其特征在于，所述横向加速度测量模块还包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪成雨，黎宏，郭永兴，陈湘生，张一帆，谢晓峰，王道初，
申请(专利权)人：深圳感基工程科技有限公司广州建筑股份有限公司，
类型：发明
国别省市：