專利名稱：雙半孔梁差動(dòng)式光纖布拉格光柵加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到用于涉及到用于測(cè)量加速度的傳感器。
背景技術(shù)：
光纖光柵加速度傳感器的基本傳感原理是利用彈性元件的受力把加速度量轉(zhuǎn)換為光纖布拉格光柵的應(yīng)變量，從而轉(zhuǎn)化為布拉格波長(zhǎng)的變化，通過檢測(cè)波長(zhǎng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度幅值的測(cè)量。作為一種新型的光無源器件，光纖光柵加速度傳感器具有許多電磁類加速度傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、不受電磁干擾、抗腐蝕、傳輸損耗小、可靠性高、體積小、重量輕等特點(diǎn)，而且具有傳感信號(hào)不受光源起伏、光路損耗等因素的影響，抗干擾能力強(qiáng)、傳感探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于使用波分復(fù)用技術(shù)而形成分布式測(cè)量等特點(diǎn)。因此光纖光柵加速度傳感器也成為了一個(gè)新的研究和發(fā)展的方向，并且已經(jīng)成功應(yīng)用于地震勘探、民用建筑以及航空測(cè)試等方面。固有頻率和靈敏度是加速度傳感器的兩個(gè)重要指標(biāo)。靈敏度決定了加速度傳感器分辨能力的大小，而固有頻率則決定其適用的頻率范圍，這兩個(gè)指標(biāo)就決定了加速度傳感器的使用領(lǐng)域，在設(shè)計(jì)加速度傳感器時(shí)必須要加以充分考慮。但固有頻率和靈敏度成反t匕，因此優(yōu)化固有頻率和靈敏度的關(guān)系一直是國(guó)內(nèi)外研究者們關(guān)注的核心問題。A.Mita等、M.D.Todd等和J.H.Zhang等分別提出基于單梁、雙梁和多梁結(jié)構(gòu)的FBG加速度傳感器，F(xiàn)BG封裝工藝采用全粘式封裝方案，基于單梁和多梁結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)的靈敏度分別為498μ ε /g和410.7pm/g，但頻帶較窄，雙梁的加速度傳感器，頻帶有所提高，但封裝工藝都容易導(dǎo)致光柵啁啾，引起非線性失真。劉欽朋等提出了兩點(diǎn)封裝的光纖布拉格加速度傳感器設(shè)計(jì)，可以有效的避免光柵啁啾，但是加速度的靈敏度較低，靈敏度為3.88pm/(m/s2)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服上述光纖光柵加速度傳感器的缺點(diǎn)，提供一種設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、固有頻率和靈敏度優(yōu)化的雙半孔梁差動(dòng)式光纖布拉格光柵加速度傳感器。解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:在振動(dòng)梁上表面左側(cè)制作有上半圓形孔，振動(dòng)梁上表面設(shè)置有光柵部分位于上半圓形孔直徑平面上的上光纖布拉格光柵，在振動(dòng)梁下表面左側(cè)制作有下半圓形孔，上半圓形孔的圓弧面位于振動(dòng)梁上表面向下彎曲的圓弧面，下半圓形孔的圓弧面位于振動(dòng)梁下表面向上彎曲的圓弧面，上半圓形孔的半圓形弧面的中心平面與下半圓形孔的半圓形弧面的中心平面位于同一個(gè)與上表面垂直的平面內(nèi)，上半圓形弧面的底部與下半圓形弧面的頂部的距離為2 10mm，振動(dòng)梁下表面設(shè)置有光柵部分位于下半圓形孔直徑平面上的下光纖布拉格光柵，上光纖布拉格光柵與下光纖布拉格光柵首尾串聯(lián)或并聯(lián)。本發(fā)明的上半圓形孔和下半圓形孔的孔徑為13 30mm。
本發(fā)明的上半圓形孔的孔徑與下半圓形孔的孔徑相同。本發(fā)明的上半圓形弧面的底部與下半圓形弧面的頂部的距離為2 10mm。本發(fā)明的上光纖布拉格光柵的波長(zhǎng)為1520nm 1545nm、或1555nm 1620nm,下光纖布拉格光柵的波長(zhǎng)為1520nm 1545nm、或1560nm 1620nm。傳感器的振動(dòng)梁采用DC-160有機(jī)硅彈性體在模具內(nèi)灌注而成，這種材料制作的振動(dòng)梁，彈性模量小，在O 200°C內(nèi)保持良好的彈性；在振動(dòng)梁上表面制作有上半圓形孔，下表面制作有上半圓形孔，上半圓形弧面的底部與下半圓形弧面的頂部的距離為2 10mm，靈敏度系數(shù)與同等尺寸的光纖布拉格加速度傳感器相比，具有體積小、頻響范圍寬、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，其靈敏度是光纖布拉格加速度傳感器靈敏度的33倍。將本發(fā)明安裝在橋梁和固定建筑物上，結(jié)合光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，可用于測(cè)量橋梁和固定建筑物的振動(dòng)加速度。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的俯視圖。圖3是圖1的仰視圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的頻譜圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例1的線性響應(yīng)圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例1在輸入的正弦波加速度為lm/s2頻率為20Hz時(shí)的輸出響應(yīng)圖。圖7是本發(fā)明實(shí)施例1在輸入的正弦波加速度為2m/s2頻率為30Hz時(shí)的輸出響應(yīng)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。在圖1、2、3中，本實(shí)施例的雙半孔梁差動(dòng)式光纖布拉格光柵加速度傳感器由振動(dòng)梁1、上光纖布拉格光柵2、下光纖布拉格光柵3聯(lián)接構(gòu)成。本實(shí)施例的振動(dòng)梁I是由DC-160有機(jī)硅彈性體在模具內(nèi)灌注而成，DC-160有機(jī)娃彈性體為市場(chǎng)上銷售的商品，由美國(guó)Dowcorning公司銷售，是兩種液體材料,使用時(shí)將兩種液體材料混合在模具內(nèi)注塑成形，這種材料制作的振動(dòng)梁1，彈性模量小，在O 200°C內(nèi)保持良好的彈性。本實(shí)施例的振動(dòng)梁I上表面的左側(cè)注塑成形有直徑為20mm的半圓形弧面，構(gòu)成上半圓形孔，上半圓形孔的圓弧面位于振動(dòng)梁I上表面向下彎曲的圓弧面，振動(dòng)梁I下表面的左側(cè)注塑成形有直徑為20_的半圓形弧面，構(gòu)成下半圓形孔，下半圓形孔的圓弧面位于振動(dòng)梁I下表面向上彎曲的圓弧面，上半圓形孔的半圓形弧面的中心平面與下半圓形孔的半圓形弧面的中心平面位于同一個(gè)與上表面垂直的平面內(nèi)，上半圓形弧面的底部與下半圓形弧面的頂部的距離為5mm。在振動(dòng)梁I上表面注塑有上光纖布拉格光柵2，上光纖布拉格光柵2的光柵部分正好位于上半圓形孔的直徑平面上,光纖位于上振動(dòng)梁I上表面半圓形孔的左右兩側(cè)面上，上光纖布拉格光柵2的波長(zhǎng)為1555nm。振動(dòng)梁I下表面注塑有下光纖布拉格光柵3,下光纖布拉格光柵3的光柵部分正好位于下半圓形孔的直徑平面上，光纖位于下振動(dòng)梁I下表面半圓形孔的左右兩側(cè)面上，下光纖布拉格光柵3的波長(zhǎng)為1560nm。也可用502膠將上光纖布拉格光柵2粘接在振動(dòng)梁I的上表面，下光纖布拉格光柵3用502膠粘接在振動(dòng)梁I的下表面，502膠為市場(chǎng)上銷售的商品，由臺(tái)州市萬能膠業(yè)有限公司銷售。上光纖布拉格光柵2與下光纖布拉格光柵3首尾串聯(lián)接，也可并聯(lián)接。這種結(jié)構(gòu)的雙半孔梁差動(dòng)式光纖布拉格光柵加速度傳感器，使用時(shí)，振動(dòng)梁I的左端固定，右端可上下自由振動(dòng)，將慣性質(zhì)量與彈性系統(tǒng)為一體，半圓形孔部分為應(yīng)力敏感區(qū)域，為質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)的彈簧部分，右端為質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)的慣性質(zhì)量部分，構(gòu)成一個(gè)單自由度無阻尼加速度傳感系統(tǒng)。當(dāng)振動(dòng)梁I右側(cè)在垂直方向振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)梁I右側(cè)做加速振動(dòng)，引起光纖布拉格光柵伸縮，導(dǎo)致光纖布拉格光柵波長(zhǎng)的漂移，通過動(dòng)態(tài)解調(diào)儀還原出振動(dòng)信號(hào)得出光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)的漂移量，并得出外界振動(dòng)信號(hào)的頻率和加速度幅值的信息。將本發(fā)明安裝在橋梁和固定建筑物上，結(jié)合光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，可作為測(cè)量橋梁和固定建筑物的振動(dòng)加速度。實(shí)施例2在本實(shí)施例中，在振動(dòng)梁I上表面的左側(cè)注塑成形有直徑為13_的半圓形弧面，構(gòu)成上半圓形孔，振動(dòng)梁I下表面的左側(cè)注塑成形有直徑為13_的半圓形弧面，構(gòu)成下半圓形孔，上半圓形孔的半圓形弧面的中心平面與下半圓形孔的半圓形弧面的中心平面位于同一個(gè)與上表面垂直的平面內(nèi)，上半圓形弧面的底部與下半圓形弧面的頂部的距離為2mm。在振動(dòng)梁I上表面注塑有上光纖布拉格光柵2,上光纖布拉格光柵2的光柵部分正好位于上半圓形孔的直徑平面上，光纖位于上振動(dòng)梁I上表面半圓形孔的左右兩側(cè)面上，上光纖布拉格光柵2的波長(zhǎng)為1580nm。振動(dòng)梁I下表面注塑有下光纖布拉格光柵3,下光纖布拉格光柵3的光柵部分正好位于下半圓形孔的直徑平面上，光纖位于下振動(dòng)梁I下表面半圓形孔的左右兩側(cè)面上，下光纖布拉格光柵3的波長(zhǎng)為1580nm。振動(dòng)梁I的制作方法以及所用的材料與實(shí)施例1相同。實(shí)施例3在本實(shí)施例中，在振動(dòng)梁I上表面的左側(cè)注塑成形有直徑為30mm的半圓形弧面，構(gòu)成上半圓形孔，振動(dòng)梁I下表面的左側(cè)注塑成形有直徑為30mm的半圓形弧面，構(gòu)成下半圓形孔，上半圓形孔的半圓形弧面的中心平面與下半圓形孔的半圓形弧面的中心平面位于同一個(gè)與上表面垂直的平面內(nèi)，上半圓形弧面的底部與下半圓形弧面的頂部的距離為IOmm0在振動(dòng)梁I上表面注塑有上光纖布拉格光柵2,上光纖布拉格光柵2的光柵部分正好位于上半圓形孔的直徑平面上，光纖位于上振動(dòng)梁I上表面半圓形孔的左右兩側(cè)面上，上光纖布拉格光柵2的波長(zhǎng)為1620nm。振動(dòng)梁I下表面注塑有下光纖布拉格光柵3,下光纖布拉格光柵3的光柵部分正好位于下半圓形孔的直徑平面上,光纖位于下振動(dòng)梁I下表面半圓形孔的左右兩側(cè)面上，下光纖布拉格光柵3的波長(zhǎng)為1620nm。振動(dòng)梁I的制作方法以及所用的材料與實(shí)施例1相同。實(shí)施例4在以上的實(shí)施例1 3中,在振動(dòng)梁I上表面注塑有上光纖布拉格光柵2,上光纖布拉格光柵2的光柵部分正好位于上半圓形孔的直徑平面上,光纖位于上振動(dòng)梁I上表面半圓形孔的左右兩側(cè)面上，上光纖布拉格光柵2的波長(zhǎng)為1520nm。振動(dòng)梁I下表面注塑有下光纖布拉格光柵3,下光纖布拉格光柵3的光柵部分正好位于下半圓形孔的直徑平面上,光纖位于下振動(dòng)梁I下表面半圓形孔的左右兩側(cè)面上，下光纖布拉格光柵3的波長(zhǎng)為1520nm。上半圓形孔和下半圓形孔的幾何形狀、上半圓形弧面的底部與下半圓形弧面的頂部的距離與相應(yīng)的實(shí)施例相同。振動(dòng)梁I的制作方法以及所用的材料與實(shí)施例1相同。實(shí)施例5在以上的實(shí)施例1 3中,在振動(dòng)梁I上表面注塑有上光纖布拉格光柵2,上光纖布拉格光柵2的光柵部分正好位于上半圓形孔的直徑平面上,光纖位于上振動(dòng)梁I上表面半圓形孔的左右兩側(cè)面上，上光纖布拉格光柵2的波長(zhǎng)為1530nm。振動(dòng)梁I下表面注塑有下光纖布拉格光柵3,下光纖布拉格光柵3的光柵部分正好位于下半圓形孔的直徑平面上,光纖位于下振動(dòng)梁I下表面半圓形孔的左右兩側(cè)面上，下光纖布拉格光柵3的波長(zhǎng)為1530nm。上半圓形孔和下半圓形孔的幾何形狀、上半圓形弧面的底部與下半圓形弧面的頂部的距離與相應(yīng)的實(shí)施例相同。振動(dòng)梁I的制作方法以及所用的材料與實(shí)施例1相同。實(shí)施例6在以上的實(shí)施例1 3中,在振動(dòng)梁I上表面注塑有上光纖布拉格光柵2,上光纖布拉格光柵2的光柵部分正好位于上半圓形孔的直徑平面上,光纖位于上振動(dòng)梁I上表面半圓形孔的左右兩側(cè)面上，上光纖布拉格光柵2的波長(zhǎng)為1545nm。振動(dòng)梁I下表面注塑有下光纖布拉格光柵3,下光纖布拉格光柵 3的光柵部分正好位于下半圓形孔的直徑平面上,光纖位于下振動(dòng)梁I下表面半圓形孔的左右兩側(cè)面上，下光纖布拉格光柵3的波長(zhǎng)為1545nm。上半圓形孔和下半圓形孔的幾何形狀、上半圓形弧面的底部與下半圓形弧面的頂部的距離與相應(yīng)的實(shí)施例相同。振動(dòng)梁I的制作方法以及所用的材料與實(shí)施例1相同。為了驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果，發(fā)明人采用本發(fā)明實(shí)施例1制備的雙半孔梁差動(dòng)式光纖布拉格光柵加速度傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，各種試驗(yàn)情況如下:實(shí)驗(yàn)儀器:振動(dòng)臺(tái)，型號(hào)為JZ-40，由北京波普公司生產(chǎn)；解調(diào)儀，型號(hào)為SM-130，由美國(guó)微光公司生產(chǎn)。1、頻譜分析實(shí)驗(yàn)將本發(fā)明粘貼在振動(dòng)臺(tái)上，標(biāo)準(zhǔn)電荷加速度傳感器(型號(hào)為24108)采用螺桿固定在振動(dòng)臺(tái)上，控制輸入正弦波的加速度為lm/s2不變，采用逐步增加頻率法，頻率由5Hz升至100Hz。用動(dòng)態(tài)解調(diào)儀測(cè)得每個(gè)輸入頻率下對(duì)應(yīng)的傳感器的正弦輸出并找出波長(zhǎng)峰峰值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，用Excel軟件進(jìn)行擬合，表I中數(shù)據(jù)的擬合圖見圖4。表I本發(fā)明的光柵波長(zhǎng)峰峰值隨頻率增加變化情況
權(quán)利要求
1.一種雙半孔梁差動(dòng)式光纖布拉格光柵加速度傳感器，在振動(dòng)梁(I)上表面左側(cè)制作有上半圓形孔，上半圓形孔的圓弧面位于振動(dòng)梁(I)上表面向下彎曲的圓弧面，振動(dòng)梁(I)上表面設(shè)置有光柵部分位于上半圓形孔直徑平面上的上光纖布拉格光柵(2)，其特征在于:在振動(dòng)梁(I)下表面左側(cè)制作有下半圓形孔，下半圓形孔的圓弧面位于振動(dòng)梁(I)下表面向上彎曲的圓弧面，上半圓形孔的半圓形弧面的中心平面與下半圓形孔的半圓形弧面的中心平面位于同一個(gè)與上表面垂直的平面內(nèi)，上半圓形弧面的底部與下半圓形弧面的頂部的距離為2 10mm，振動(dòng)梁(I)下表面設(shè)置有光柵部分位于下半圓形孔直徑平面上的下光纖布拉格光柵(3),上光纖布拉格光柵(2)與下光纖布拉格光柵(3)首尾串聯(lián)或并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙半孔梁差動(dòng)式光纖布拉格光柵加速度傳感器，其特征在于:所述的上半圓形孔和下半圓形孔的孔徑為13 30mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或 2所述的雙半孔梁差動(dòng)式光纖布拉格光柵加速度傳感器，其特征在于:所述的上半圓形孔的孔徑與下半圓形孔的孔徑相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙半孔梁差動(dòng)式光纖布拉格光柵加速度傳感器，其特征在于:所述的上半圓形弧面的底部與下半圓形弧面的頂部的距離為2 10mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙半孔梁差動(dòng)式光纖布拉格光柵加速度傳感器，其特征在于:所述的上光纖布拉格光柵(2)的波長(zhǎng)為1520nm 1545nm、或1555nm 1620nm,下光纖布拉格光柵(3)的波長(zhǎng)為1520nm 1545nm、或1560nm 1620nm。
全文摘要
一種雙半孔梁差動(dòng)式光纖布拉格光柵加速度傳感器，在振動(dòng)梁上表面制作有上半圓形孔、下表面制作有下半圓形孔，上半圓形孔的圓弧面位于振動(dòng)梁上表面向下彎曲的圓弧面，下半圓形孔的圓弧面位于振動(dòng)梁下表面向上彎曲的圓弧面，上半圓形孔的半圓形弧面的中心平面與下半圓形孔的半圓形弧面的中心平面位于同一個(gè)與上表面垂直的平面內(nèi)，上半圓形弧面的底部與下半圓形弧面的頂部的距離為2～10mm，振動(dòng)梁上表面設(shè)光柵部分位于上半圓形孔直徑平面上的上光纖布拉格光柵、下表面設(shè)光柵部分位于下半圓形孔直徑平面上的下光纖布拉格光柵，上光纖布拉格光柵與下光纖布拉格光柵首尾串聯(lián)或并聯(lián)?？捎糜跍y(cè)量橋梁和固定建筑物的振動(dòng)加速度。
文檔編號(hào)G01P15/03GK103076465SQ20131001432
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者喬學(xué)光, 榮強(qiáng)周, 杜彥英, 馮定一, 忽滿利, 馮忠耀 申請(qǐng)人:西北大學(xué)