基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器及测量方法技术

本申请适用于加速度传感器技术领域，提供了一种基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器及测量方法，该FBG加速度传感器包括：第一质量块、第二质量块、柔性铰链、第一轴承座、第二轴承座和光纤光栅；第一质量块和第二质量块平行相对设置，柔性铰链连接于两个质量块之间；第一轴承座和第二轴承座分别设置于第一质量块和第二质量块的外侧面；光纤光栅包括第一光纤光栅和/或第二光纤光栅，第一光纤光栅设置于两个质量块的上端之间，和/或，第二光纤光栅设置于两个质量块的下端之间。本申请提供的基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器具有高灵敏度、高线性度和高固有频率，可以实现中高频振动信号的精确测量。动信号的精确测量。动信号的精确测量。

【技术实现步骤摘要】
基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器及测量方法


[0001]本申请涉及加速度传感器
，具体涉及一种基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器及测量方法。

技术介绍

[0002]中高频振动信号(即中高频振动信号的振动加速度)的精确测量对于许多工程领域如高速动车组轴箱振动监测、微地震监测等具有重要意义。传统电类传感器具有易受到电磁干扰、导线过长造成信号衰减、在特殊环境应用困难等缺陷。光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，英文简称FBG，中文简称光纤光栅)加速度传感器采用无源传感元件，光信号传输不受电磁和距离等因素影响，且耐腐蚀、可组网、易于实现分布式传感，适用于恶劣环境下的振动监测，因而引起了科研人员的广泛关注。
[0003]然而，现有的FBG加速度传感器，存在灵敏度低、线性度低和固有频率低等问题，无法实现中高频振动信号的精确测量。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本申请实施例提供了一种基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器及测量方法，以解决现有的加速度传感器无法实现对中高频振动信号的精确测量的技术问题。
[0005]第一方面，本申请实施例提供了一种基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器，包括：第一质量块、第二质量块、柔性铰链、第一轴承座、第二轴承座和光纤光栅。
[0006]第一质量块和第二质量块平行相对设置，第一质量块和第二质量块相互靠近的侧面为内侧面；柔性铰链的第一端连接第一质量块的内侧面，柔性铰链的第二端连接第二质量块的内侧面。
[0007]第一轴承座的第一端连接第一质量块的外侧面的中心位置，第二轴承座的第一端连接第二质量块的外侧面的中心位置；第一轴承座与第二轴承座分别开设有第一轴承孔和第二轴承孔，轴承孔的轴向与质量块的轴向垂直；质量块的内侧面的相对侧面为质量块的外侧面。
[0008]光纤光栅包括第一光纤光栅和/或第二光纤光栅；第一光纤光栅设置于第一质量块的上端和第二质量块的上端之间，和/或，第二光纤光栅设置于第一质量块的下端和第二质量块的下端之间。
[0009]在第一方面的一种可能的实施方式中，基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器还包括：第一延伸杆、第二延伸杆、第三延伸杆和第四延伸杆。
[0010]第一延伸杆和第二延伸杆分别设置于第一质量块的上下表面，且沿第一质量块的轴向方向延伸设置；第三延伸杆与第四延伸杆分别设置于第二质量块的上下表面，且沿第二质量块的轴向方向延伸设置。第一光纤光栅设置于第一延伸杆的自由端和第三延伸杆的自由端之间，和/或，第二光纤光栅设置于第二延伸杆的自由端和第四延伸杆的自由端之
间。
[0011]在第一方面的一种可能的实施方式中，基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器还包括：壳体、第三轴承座和第四轴承座；壳体的左右内侧面的中心位置分别设置有第三轴承座和第四轴承座；第三轴承座和第四轴承座分别开设有第三轴承孔和第四轴承孔，轴承孔的轴向与壳体的轴向垂直。
[0012]在第一方面的一种可能的实施方式中，基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器还包括：第一轴承和第二轴承；第一轴承、第一轴承座与第三轴承座相匹配，第二轴承、第二轴承座与第四轴承座相匹配；第一质量块通过第一轴承、第一轴承座和第三轴承座固定于壳体内，第二质量块通过第二轴承、第二轴承座和第四轴承座固定于壳体内；第一质量块能够绕第一轴承的轴向转动，第二质量块能够绕第二轴承的轴向转动。
[0013]在第一方面的一种可能的实施方式中，当第一光纤光栅为两个及以上时，各第一光纤光栅平行设置于第一质量块的上端和第二质量块的上端之间；当第二光纤光栅为两个及以上时，各第二光纤光栅平行设置于第一质量块的下端和第二质量块的下端之间；第一光纤光栅的数量和第二光纤光栅的数量相同或不同。
[0014]在第一方面的一种可能的实施方式中，柔性铰链的上下表面均开有圆弧状凹槽，且两个凹槽相互对称。
[0015]在第一方面的一种可能的实施方式中，当受到外界的振动激励时，第一质量块和第二质量块同时分别绕第一轴承的轴向和第二轴承的轴向转动；相应的，第一光纤光栅发生压缩或拉伸，和/或，第二光纤光栅发生拉伸或压缩。
[0016]第二方面，本申请实施例提供了一种基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器的测量方法，应用于如第一方面任一项的基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器；当外界产生振动时，第一质量块和第二质量块同时分别绕第一轴承的轴向和第二轴承的轴向转动；相应的，第一光纤光栅发生压缩或拉伸，产生轴向应变引起第一光纤光栅的中心波长变化，和/或，第二光纤光栅发生拉伸或压缩，产生轴向应变引起第二光纤光栅的中心波长变化。
[0017]测量方法包括：获取第一光纤光栅的中心波长的相关参数和/或第二光纤光栅的中心波长的相关参数；根据第一光纤光栅的中心波长的相关参数和/或第二光纤光栅的中心波长的相关参数确定振动加速度。
[0018]在第二方面的一种可能的实施方式中，第一光纤光栅的中心波长的相关参数为第一光纤光栅的中心波长变化量，第二光纤光栅的中心波长的相关参数为第二光纤光栅的中心波长变化量；根据第一光纤光栅的中心波长的相关参数和/或第二光纤光栅的中心波长的相关参数确定振动加速度，包括：基于第一振动加速度的计算公式，根据第一光纤光栅的中心波长变化量和/或第二光纤光栅的中心波长变化量确定振动加速度；第一振动加速度的计算公式为：
[0019]a＝(∑|Δλ1|+∑|Δλ2|)/S0[0020]式中，a为振动加速度，Δλ1为各第一光纤光栅的中心波长变化量，Δλ2为各第二光纤光栅的中心波长变化量，S0为预设灵敏度；当光纤光栅仅包括第一光纤光栅时，第二光纤光栅的相关参数为零；当光纤光栅仅包括第二光纤光栅时，第一光纤光栅的相关参数为零。
[0021]在第二方面的一种可能的实施方式中，第一光纤光栅的中心波长的相关参数包括第一光纤光栅的中心波长和第一光纤光栅的初始中心波长，第二光纤光栅的中心波长的相
关参数包括第二光纤光栅的中心波长和第二光纤光栅的初始中心波长；第一光纤光栅的初始中心波长为第一光纤光栅未产生振动时的中心波长，第二光纤光栅的初始中心波长为第二光纤光栅未产生振动时的中心波长；根据第一光纤光栅的中心波长的相关参数和/或第二光纤光栅的中心波长的相关参数确定振动加速度，包括：基于第二振动加速度的计算公式，根据第一光纤光栅的中心波长与第一光纤光栅的初始中心波长，和/或，第二光纤光栅的中心波长与第二光纤光栅的初始中心波长确定振动加速度；第二振动加速度的计算公式为：
[0022]a＝[(∑λ1‑
∑λ2)
‑
(∑λ
1B
‑
∑λ
2B
)]/S0[0023]式中，a为振动加速度，λ1为各第一光纤光栅的中心波长，λ2为各第二光纤光栅的中心波长，λ
1B
为各第一光纤光栅的初始中心波长，λ
2B
为各第二光纤光栅的初始中心波长，S0为预设灵敏度；当光纤光栅仅包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器，其特征在于，包括：第一质量块、第二质量块、柔性铰链、第一轴承座、第二轴承座和光纤光栅；所述第一质量块和所述第二质量块平行相对设置，所述第一质量块和所述第二质量块相互靠近的侧面为内侧面；所述柔性铰链的第一端连接所述第一质量块的内侧面，所述柔性铰链的第二端连接所述第二质量块的内侧面；所述第一轴承座的第一端连接所述第一质量块的外侧面的中心位置，所述第二轴承座的第一端连接所述第二质量块的外侧面的中心位置；所述第一轴承座与所述第二轴承座分别开设有第一轴承孔和第二轴承孔，所述轴承孔的轴向与所述质量块的轴向垂直；所述质量块的内侧面的相对侧面为所述质量块的外侧面；所述光纤光栅包括第一光纤光栅和/或第二光纤光栅；所述第一光纤光栅设置于所述第一质量块的上端和所述第二质量块的上端之间，和/或，所述第二光纤光栅设置于所述第一质量块的下端和所述第二质量块的下端之间。2.根据权利要求1所述的基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器，其特征在于，所述基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器还包括：第一延伸杆、第二延伸杆、第三延伸杆和第四延伸杆；所述第一延伸杆和所述第二延伸杆分别设置于所述第一质量块的上下表面，且沿所述第一质量块的轴向方向延伸设置；所述第三延伸杆与所述第四延伸杆分别设置于所述第二质量块的上下表面，且沿所述第二质量块的轴向方向延伸设置；所述第一光纤光栅设置于所述第一延伸杆的自由端和所述第三延伸杆的自由端之间，和/或，所述第二光纤光栅设置于所述第二延伸杆的自由端和所述第四延伸杆的自由端之间。3.根据权利要求1所述的基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器，其特征在于，所述基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器还包括：壳体、第三轴承座和第四轴承座；所述壳体的左右内侧面的中心位置分别设置有第三轴承座和第四轴承座；所述第三轴承座和所述第四轴承座分别开设有第三轴承孔和第四轴承孔，所述轴承孔的轴向与所述壳体的轴向垂直。4.根据权利要求3所述的基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器，其特征在于，所述基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器还包括：第一轴承和第二轴承；所述第一轴承、所述第一轴承座与所述第三轴承座相匹配，所述第二轴承、所述第二轴承座与所述第四轴承座相匹配；所述第一质量块通过所述第一轴承、所述第一轴承座和所述第三轴承座固定于所述壳体内，所述第二质量块通过所述第二轴承、所述第二轴承座和所述第四轴承座固定于所述壳体内；所述第一质量块能够绕所述第一轴承的轴向转动，所述第二质量块能够绕所述第二轴承的轴向转动。5.根据权利要求1所述的基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器，其特征在于，当所述第一光纤光栅为两个及以上时，各第一光纤光栅平行设置于所述第一质量块的上端和所述第二质量块的上端之间；当所述第二光纤光栅为两个及以上时，各第二光纤光栅平行设置于所述第一质量块的下端和所述第二质量块的下端之间；
所述第一光纤光栅的数量和所述第二光纤光栅的数量相同或不同。6.根据权利要求1所述的基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器，其特征在于，所述柔性铰链的上下表面均开有圆弧状凹槽，且两个凹槽相互对称。7.根据权利要求4所述的基于轴承和柔性铰链的FBG加速度传感器，其特征在于，当受到外界的振动激励时，所述第一质量块和所述第二质量块同...

【专利技术属性】
技术研发人员：李剑芝，宋颖，张浩然，郭文武，赵维刚，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，
类型：发明
国别省市：