專利名稱：雙懸臂梁光纖光柵振動傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可調(diào)諧匹配濾波解調(diào)的光纖光柵振動傳感器，主要用于測量物體的振動頻率和幅度，屬于光電子測試類領域。
技術背景振動傳感器在很多領域有著重要的應用，例如，對大型機電設備、橋梁結(jié)構(gòu)等的實時監(jiān)測。振動傳感器通過監(jiān)測物體的振動狀況，判斷其工作狀態(tài)，及時排除故障，避免發(fā)生重大事故。
傳統(tǒng)的電類振動傳感器輸出的是弱電信號，不能進行長距離傳輸，并且這類傳感器在室外惡劣環(huán)境中工作可靠性差，不適應在橋梁等長期遠程安全監(jiān)測系統(tǒng)中使用。另外，電類傳感器易受電磁干擾，亦不適宜在大型機電設備等強電磁場環(huán)境中工作。光纖光柵傳感采用光波長編碼，具有傳輸距離遠、抗電磁干擾、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在長期遠程安全監(jiān)測領域得到普遍關注。
專利號為200410066814.1的中國專利公開一篇“基于光纖光柵的光纖微振動傳感器”，他采用的測振方法為利用懸浮布拉格光纖光柵與被測物的共振來測量被測物的振動幅度和振動速度，可以采用兩種解調(diào)結(jié)構(gòu)，第一種結(jié)構(gòu)是通過測量懸浮光纖光柵與定標光纖光柵的反射光中心波長漂移來確定振動狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)的傳感器使用光譜儀進行波長解調(diào)，而光譜儀的掃描速度不能滿足振動的高速波長解調(diào)要求。第二種結(jié)構(gòu)不需要標定光纖光柵，通過測量周期內(nèi)振動幅度最大狀態(tài)的反射光功率和平衡態(tài)的反射光功率來確定振動狀態(tài)。這種傳感器頻率響應帶寬窄，只能實現(xiàn)對某種特定諧振頻率的振動測量。同時，這種傳感器結(jié)構(gòu)只使用一個光纖光柵，它利用的是微彎損耗原理，而不是光纖光柵的波長解調(diào)原理，這種傳感器信噪比小、測量精度差、靈敏度低。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型是一利集傳感和解調(diào)于一體的光纖光柵振動傳感器，提出了光纖光柵絕對振動測量和可調(diào)諧匹配濾波解調(diào)方案。該方法利用粘貼在懸臂梁結(jié)構(gòu)上的傳感光柵感測物體的振動信息，將物體的振動參量(如頻率和振幅等)轉(zhuǎn)化為傳感光柵反射光波長的改變，反射光通過解調(diào)光柵譜線的線性區(qū)域濾波，將傳感光柵的波長信息轉(zhuǎn)化為光強信息，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器將光強轉(zhuǎn)化為電壓，最后送入計算機進行物體振動頻譜的分析和處理。
該方案將解調(diào)光柵和傳感光柵同時放在振動傳感器中，通過另一懸臂梁對解調(diào)光柵波長進行調(diào)諧，使得解調(diào)光柵和傳感光柵波長達到最佳匹配，兩個懸臂梁選用相同材質(zhì)，解決了光纖光柵振動傳感器的波長解調(diào)和溫度補償兩個關鍵技術問題。另外，該傳感器中還使用了阻尼介質(zhì)，通過優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設計和合適的阻尼介質(zhì)的選擇，可以達到在較寬頻率范圍內(nèi)對物體振動的高靈敏度響應。
本實用新型的目的是通過如下措施達到的本實用新型設計的振動傳感器采用材料相同的雙懸臂梁結(jié)構(gòu)，其中，一個懸臂梁的自由端固定一質(zhì)量塊，稱為主梁；另一個懸臂梁的自由端可由螺桿調(diào)諧，稱為輔梁。兩個串接光纖光柵分別剛性粘貼于兩個梁上。其中，粘貼在主梁上的光柵為傳感光柵，另一個為解調(diào)光柵。要求這兩個光纖光柵的中心波長差不超過0.15nm，通過輔梁上的螺桿調(diào)節(jié)，使得兩個光柵的中心波長差達到恰當?shù)奈恢?。另外，由于兩個梁采用相同的材料，具有相同的熱膨脹系數(shù)，所以兩個光柵的中心波長隨溫度同步漂移，因而具有自動溫度補償功能。兩個梁固定在充滿適當?shù)淖枘嵋旱膱A筒內(nèi)。把傳感器固定在被測物體上，當被測物體發(fā)生振動時，傳感器內(nèi)的主梁在被測物體作用下做受迫振動，主梁振動會引起傳感光柵的柵距周期性變化，從而導致傳感光柵反射波長周期性地漂移，由于輔梁上的解調(diào)光柵的透射譜是固定不變的，因此當傳感光柵反射光經(jīng)過解調(diào)光柵濾波后，光強發(fā)生周期性的變化，通過測量光強的變化頻率和幅度即可確定被測物體振動的頻率和幅度。這就是本發(fā)明測量振動的基本原理。
本實用新型的光纖光柵振動傳感器主要包括傳感光柵、解調(diào)光柵、主梁、輔梁、阻尼液、圓筒、質(zhì)量塊、密封蓋等。
本實用新型采用雙梁結(jié)構(gòu)，梁是片狀彈性材料，雙梁的一端均固定在密封蓋上；其中，主梁的自由端剛性地固定一個質(zhì)量塊，可以自由振動；輔梁的自由端與螺桿連接，螺桿用于調(diào)諧輔梁的撓度。兩個片狀梁平面方向互相垂直，上面各剛性粘貼一個光纖光柵。這兩個光柵是串接起來的。
本實用新型能夠同時測量被測物體的振動頻率和振動幅度，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，能夠在惡劣的環(huán)境下進行遠程實時監(jiān)測，同時，在測量的穩(wěn)定性、靈敏度和精確度方而有較大提高。
本實用新型和現(xiàn)有技術相比有如下突出優(yōu)點1.該傳感器集“傳感”和“解調(diào)”功能于一體，采用“匹配光柵邊沿濾波解調(diào)”，直接輸出光強信號，對后端設備要求低。
2.把解調(diào)光柵和傳感光柵連接在一起放在傳感探頭內(nèi)，可以實現(xiàn)溫度補償。
3.主梁上固定質(zhì)量塊，通過主梁和質(zhì)量塊參數(shù)的合理配比，可以調(diào)整傳感器的諧振頻率，以提高傳感器的響應靈敏度。
4.在傳感探頭內(nèi)注入適當阻尼系數(shù)的阻尼液，抑制傳感器自身的諧振，拓展頻率響應帶寬。
5.傳感器采用單光纖輸出連接，為遠程傳輸降低成本。


圖1、為實用新型可調(diào)諧匹配濾波解調(diào)的光纖光柵振動傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2、為圖1虛線位置的截面圖。
其中1-解調(diào)光柵、2-傳感光柵、3-輔梁、4-主梁、5-圓筒、6-阻尼液、7-質(zhì)量塊、8-密封蓋、9-調(diào)整架、10-螺桿、11-螺母、12-傳輸光纖、13-寬帶光源、14-光功率計、15-型光纖耦合器具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步描述。
本實用新型可調(diào)諧匹配濾波解調(diào)的光纖光柵振動傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括解調(diào)光柵1，傳感光柵2，輔梁3，主梁4，圓筒5，阻尼液6，質(zhì)量塊7，密封蓋8，調(diào)整架9，螺桿10，螺母11。本發(fā)明的連接方式為把解調(diào)光柵1和傳感光柵2串接在一起，并將解調(diào)光纖1和傳感光纖2分別剛性粘貼于輔梁3和主梁4，輔梁3和主梁4的一端固定在密封蓋8上，兩個梁的平面方向互相垂直，輔梁3和主梁4采用相同的片狀剛性的材料(具有彈性)，主梁4的自由端固定一質(zhì)量塊7，質(zhì)量快7可以自由振動，其平而方向與輔梁3的平面方向平行。在密封蓋上還要固定一調(diào)整架9，調(diào)整架9與輔梁3通過螺桿10和螺母11連接，通過擰動螺母11可以調(diào)節(jié)輔梁3的撓度使其彎曲，改變解調(diào)光柵2的光柵周期，從而調(diào)節(jié)解調(diào)光柵1和傳感光柵2的中心波長差達到適合的位置。傳輸光纖12穿過密封蓋8并接Y型光纖耦合器15，Y型光纖耦合器15分別接寬帶光源13和光功率14。往圓筒5中注入阻尼液6，蓋上密封蓋8，使阻尼液6不能漏出。
在實測過程中，將寬帶光源和光功率計通過3dB耦合器與傳感器的輸出光纖連接，并把傳感探頭固定在被測物體上。寬帶光源發(fā)出的光通過3dB耦合器入射到傳感器中，經(jīng)過傳感器中的兩個串接在一起的解調(diào)光柵和傳感光柵反射后，再經(jīng)過3dB耦合器入射到光功率計上。當主梁4沒有振動時，傳感器輸出光強是恒定的；當被測物體振動引起主梁4受迫振動時，傳感器輸出光強產(chǎn)生周期性變化，其變化頻率等于被測物體的振動頻率，變化幅度間接反映了被測物體的振幅大小。光強信號通過光功率計將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，送入計算機或單片機進行處理，直接顯示被測物體的振動頻率、振動幅度等信息。
權利要求1.雙懸臂梁光纖光柵振動傳感器，其特征在于振動傳感器由解調(diào)光柵(1)、傳感光柵(2)、輔梁(3)、主梁(4)、圓筒(5)，阻尼液(6)、質(zhì)量塊(7)、密封蓋(8)、調(diào)整架(9)、螺桿(10)、螺母(11)、傳輸光纖(12)、寬帶光源(13)、光功率計(14)Y型光纖耦合器(15)組成、將解調(diào)光柵(1)和傳感光柵(2)串接在一起，分別剛性粘貼于輔梁(3)和主梁(4)上，輔梁(3)主梁(4)和調(diào)整架(9)的一端固定在密封蓋(8)上，主梁(4)的自由端固定一可以自由振動質(zhì)量塊(7)，調(diào)整架(9)與輔梁(3)通過螺桿(10)和螺母(11)連接，通過擰動螺母(11)可以調(diào)節(jié)輔梁(3)的撓度使其彎曲，改變解調(diào)光柵(2)的光柵周期從而可以調(diào)節(jié)解調(diào)光柵(1)和傳感光柵(2)的中心波長差，與傳感光柵(2)和解調(diào)光柵(1)串連的傳輸光纖(12)穿過密封蓋(8)接Y型光纖耦合器(15)，Y型光纖耦合器(15)分別接寬帶光源(13)和光功率計(14)，往圓筒5中注入阻尼液(6)，蓋上密封蓋(8)。
2.根據(jù)權利要求1所述雙懸臂梁光纖光柵振動傳感器，其特征在于輔梁(3)和調(diào)整架(9)與主梁(4)的平面方向互相垂直。
專利摘要一種雙懸臂梁光纖光柵振動傳感器，由解調(diào)光柵、傳感光柵串接在一起，分別剛性粘貼于主梁和輔梁上，由于兩個梁采用相同的材料，具有相同的熱膨脹系數(shù)，所以解調(diào)光柵和傳感光柵中心波長隨溫度同步漂移，因而具有自動溫度補償功能，實現(xiàn)匹配濾波解調(diào)，通過檢測傳感光柵反射光的光強變化，監(jiān)測被測物體振動頻率、振動幅度等參數(shù)，最后通過計算機或單片機進行物體振動頻譜的分析和處理。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，適用于橋梁結(jié)構(gòu)、大型機電設備等惡劣的環(huán)境中應用，對長期遠程安全實時監(jiān)測，具有穩(wěn)定性高、傳輸距離遠、抗電磁干擾等方面優(yōu)點。
文檔編號G01M7/00GK2911635SQ200520098628
公開日2007年6月13日 申請日期2005年11月3日 優(yōu)先權日2005年11月3日
發(fā)明者張東生, 姜德生, 高翩, 羅裴, 劉勝春 申請人:武漢理工大學