本發(fā)明屬于測量振動的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵振動傳感器。

背景技術(shù)：

光纖光柵是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種在光纖通訊、光纖傳感及光信息處理領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景的基礎(chǔ)性光纖器件。

光纖光柵傳感技術(shù)已成為現(xiàn)代傳感領(lǐng)域的一個重要研究方向，其在振動傳感領(lǐng)域的應(yīng)用也取得了一定的成就。光纖光柵傳感器主要應(yīng)用于橋梁等大型建筑結(jié)構(gòu)的健康診斷和各種機械的故障診斷系統(tǒng)。

基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵振動傳感器，該發(fā)明不但結(jié)構(gòu)簡單，而且能通過一根光纖光柵就能實現(xiàn)振動的測量和溫度不敏感，從而節(jié)省了成本，具有很強的創(chuàng)新性和實用價值，有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于將光纖光柵粘貼在懸臂梁對稱位置的上下兩表面，當(dāng)測量振動時，懸臂梁會隨著振動源同時振動，從而引起光纖發(fā)生形變引起光纖光柵布拉格波長的變化，通過測量布拉格波長的改變量來實現(xiàn)對振動的測量。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵振動傳感器，由底座(1)，懸臂梁(2)，螺釘(3)，第一FBG光纖光柵(4)，第二FBG光纖光柵(5)，3dB耦合器(6)，光譜儀(7)，ASE光源(8)組成；懸臂梁(2)通過螺釘(3)與底座(1)固定，第一FBG光纖光柵(4)和第二FBG光纖光柵(5)通過膠粘劑粘貼在懸臂梁(2)的上表面和對稱位置的下表面，光譜儀(7)和ASE光源(8)分別通過3dB耦合器(6)與光纖相連。當(dāng)測量振動時，將底座固定在振動源上，懸臂梁會隨著振動源同時振動，在力的作用下懸臂梁會發(fā)生形變帶動光纖光柵伸長和收縮，從而引起其布拉格反射波長的變化。如果振動為簡諧振動，則會引起布拉格波長的周期性變化，通過測得布拉格波長的改變量即可實現(xiàn)振動的測量。溫度對光柵的影響主要來源于金屬懸臂梁熱膨冷縮導(dǎo)致的光纖光柵反射波長的漂移，本發(fā)明通過對稱位置的兩根光柵，金屬導(dǎo)熱快，銅制懸臂梁整體溫度一致，可以使兩根光柵總是處于相同溫度環(huán)境下，當(dāng)溫度變化時，兩根光柵的布拉格波長同向移動而相對位置不變，從而保證了兩根光纖光柵的波譜位置匹配，幾乎排除了溫度的影響，而且可以提高振動傳感器的靈敏度。

所述的懸臂梁(2)采用等腰結(jié)構(gòu)設(shè)計。

所述的懸臂梁(2)的材料為金屬銅薄片，梁長為100mm，固定端寬度為30mm，厚度為2mm。

所述的第一FBG光纖光柵(4)和第二光纖光柵(5)的中心波長分別為1550nm，1570nm。

本發(fā)明的工作原理是：對于等強度懸臂梁，懸臂梁的寬度沿長度L₀是變化的，固定端寬度為b，厚度為h，俯視截面為等腰三角形，橫截面為矩形。懸臂梁上未施加其它載荷，僅憑其自重作為載荷。

等強度懸臂粱結(jié)構(gòu)的撓度微分方程為：

式(1)中，ω(x)為梁上相對于固定端距離為z位置處的撓度，M(x)為該處的彎矩，E為材料的彈性模量，I_z(x)為該位置對中性軸z的慣性矩，m為懸臂梁質(zhì)量，g為重力加速度。

解微分方程并利用邊界條件ω(0)＝0和ω′(0)＝0即可得到撓度公式：

無額外負(fù)載等強度粱的質(zhì)心在距離固定端處，則共振頻率的表達式：

根據(jù)材料力學(xué)中等強度梁的應(yīng)變特性，懸臂梁上表面的應(yīng)變ε與梁末端撓度ω(L₀)的關(guān)系為：

剛性粘貼于懸臂梁上的光柵布拉格中心波長的相對漂移量與應(yīng)變的關(guān)系為：

Δλ_B光柵布拉格中心波長的相對漂移量，K_T和K_t分別為光纖光柵的應(yīng)變靈敏度和溫度靈敏度。所以當(dāng)懸臂梁(2)測量振動時產(chǎn)生形變，由于第一FBG光纖光柵(4)和第二FBG光纖光柵(5)分別剛性粘貼在懸臂梁(2)的對稱位置的上下兩表面，使得當(dāng)懸臂梁振動時分別感受相同程度的拉伸和壓縮應(yīng)變，導(dǎo)致兩者的布拉格波長存在一個反向的改變量，做到溫度補償。如果振動為簡諧振動，則會引起布拉格波長的周期性變化，通過測得布拉格波長的改變量即可實現(xiàn)振動的測量。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的設(shè)計中懸臂梁結(jié)構(gòu)傳感器中的梁我們采用等腰結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別將光纖光柵粘貼在梁的上表面與對稱的下表面，懸臂梁由于振動源的振動將會發(fā)生形變，由于光纖光柵剛性粘貼在其表面，會隨著梁一起發(fā)生形變，基于我們設(shè)計的特殊結(jié)構(gòu)的懸臂梁，使得當(dāng)懸臂梁振動時兩根光纖光柵分別感受相同程度的拉伸和壓縮應(yīng)變，當(dāng)溫度變化時，兩根光柵的布拉格波長同向移動而相對位置不變，從而保證了兩根光纖光柵的波譜位置匹配，幾乎排除了溫度的影響，而且可以提高振動傳感器的靈敏度，具有很強的創(chuàng)新性和實用價值，有良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵振動傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，由底座(1)，懸臂梁(2)，螺釘(3)，第一FBG光纖光柵(4)，第二FBG光纖光柵(5)，3dB耦合器(6)，光譜儀(7)，ASE光源(8)組成；懸臂梁(2)通過螺釘(3)與底座(1)固定，第一FBG光纖光柵(4)和第二FBG光纖光柵(5)通過膠粘劑粘貼在懸臂梁(2)的上表面和對稱位置的下表面，光譜儀(7)和ASE光源(8)分別通過3dB耦合器(6)與光纖相連。本發(fā)明的工作原理是：將底座固定在振動源上，懸臂梁會隨振動源同時振動，在力的作用下懸臂梁會發(fā)生形變帶動光纖光柵伸長和收縮，從而引起其布拉格反射波長的變化。通過測得布拉格波長的改變量即可實現(xiàn)振動的測量?；谖覀冊O(shè)計的特殊結(jié)構(gòu)的懸臂梁，使得當(dāng)懸臂梁振動時兩根光纖光柵分別感受相同程度的拉伸和壓縮應(yīng)變，當(dāng)溫度變化時，兩根光柵的布拉格波長同向移動而相對位置不變，從而保證了兩根光纖光柵的波譜位置匹配，幾乎排除了溫度的影響，而且可以提高振動傳感器的靈敏度。