槽18和第二微孔45,并在第一微孔22處與折起片21固定在一起，在第二微孔45處與調(diào)節(jié) 梁40固定在一起，用于檢測振動(dòng)信號(hào)，固定方式為環(huán)氧膠粘接。第二側(cè)壁12頂端有向第一 側(cè)壁11延伸的橫梁14,用于限制傳感器的振動(dòng)幅度，在橫梁14上安裝有至少一個(gè)限位螺釘 70,限位螺釘70下端位于上質(zhì)量塊30的上方，限位螺釘70限制上質(zhì)量塊30的振動(dòng)幅度， 可以準(zhǔn)確限制傳感器的振動(dòng)幅度。
[0024] 如圖4-5所示，所述彈性片20為長方型薄片，所述折起片21通過在彈性片20上 切割并向上彎折形成。在彈性片20上設(shè)置有調(diào)節(jié)框23,通過改變調(diào)節(jié)框23的寬度，可以改 變彈性片20的抗彎強(qiáng)度，以改變傳感器的靈敏度。具體的，增大調(diào)節(jié)框23的寬度，可以線 性的降低彈性片20的抗彎強(qiáng)度，使彈性片20更易彎折，從而提高傳感器的靈敏度，減小調(diào) 節(jié)框23的寬度，可以線性的提高彈性片20的抗彎強(qiáng)度，從而降低傳感器的靈敏度。該光纖 光柵微振動(dòng)傳感器的彈性片20如下制成：采用合適尺寸的金屬彈性片，切割成圖4所示結(jié) 構(gòu)，讓后將折起21上彎折，形成圖5所示彈性片20。本實(shí)施例中，彈性片20采用鈹青銅薄 片，通過激光切割并彎折制成。
[0025] 如圖7所示，所述補(bǔ)償柱50由高膨脹系數(shù)材料制成，即補(bǔ)償柱50所用材料的膨脹 系數(shù)大于支座10所用材料的膨脹系數(shù)2倍以上。本實(shí)施例中，補(bǔ)償柱50由不銹鋼材料制 成，支座10用銦鋼材料制成。
[0026] 對所述光纖光柵60中施加一定的預(yù)拉力，預(yù)拉力大小典型值為0· I N-0. 5 N。
[0027] 所述橫梁14與限位螺釘70之間裝有第三彈性墊片71，以進(jìn)一步提高限位螺釘70 的移動(dòng)精度。傳感器正放時(shí)，限位螺釘70頂端與上質(zhì)量塊30之間留有一微小間隙，典型值 為 0· 1-0. 5 mm。
[0028] 本發(fā)明提供的光纖光柵微振動(dòng)傳感器工作原理如下： 在測量振動(dòng)時(shí)，支座10剛性的安裝在被測目標(biāo)上，受被測目標(biāo)振動(dòng)激勵(lì)，上質(zhì)量塊30 和下質(zhì)量塊31由于慣性，相對于支座10振動(dòng)，從而帶動(dòng)彈性片20發(fā)生彎折，并通過折起片 21改變光纖光柵60中的預(yù)拉力，光纖光柵60的軸向應(yīng)變隨之改變。由于光纖光柵60的波 長變化量與軸向應(yīng)變成正比，所以通過波長檢測設(shè)備，檢測光纖光柵60的波長變化量，可 以得到外界振動(dòng)加速度的大小。
[0029] 本發(fā)明提供的光纖光柵微振動(dòng)傳感器，可通過如下方式調(diào)節(jié)傳感器的諧振頻率， 實(shí)現(xiàn)低頻極高的靈敏度：增大彈性片20上設(shè)調(diào)節(jié)框23的寬度，從而降低彈性片20的抗彎 強(qiáng)度，從而提高傳感器的靈敏度并降低諧振頻率；增大上質(zhì)量塊30和下質(zhì)量塊31的質(zhì)量， 從而提高傳感器的靈敏度并降低諧振頻率；特別的，增大彈性片20中的折起片21的寬度， 從而增大彈性片20中的折起片21向上彎折后，在彈性片20上剩余一方框24的寬度，進(jìn)而 降低折起片21與上質(zhì)量塊30和下質(zhì)量塊31之間的彈性片區(qū)域的抗彎強(qiáng)度，從而降低傳感 器的諧振頻率至低頻段，使傳感器在該頻段具有極高靈敏度，并且不顯著提高諧振頻率以 下頻段傳感器的靈敏度，避免傳感器過于靈敏而損壞。
[0030] 本發(fā)明提供的光纖光柵微振動(dòng)傳感器，相比傳統(tǒng)的L型梁振動(dòng)傳感器，具有更高 的可靠性：傳統(tǒng)L型梁振動(dòng)傳感器，光纖光柵的應(yīng)變與質(zhì)量塊的位移存在固定的比例關(guān)系， 若光纖光柵的最大允許應(yīng)變量為1000微應(yīng)變，長度為20 mm，則最大伸長量為0. 02 mm，若L 型梁連接質(zhì)量塊的臂長與連接光纖光柵的臂長比為2 :1，則質(zhì)量塊的最大位移為0. 04 _， 對該量級(jí)的位移進(jìn)行限振需要極高的安裝精度，一般難以實(shí)現(xiàn)，而本發(fā)明提供的技術(shù)方案， 彈性片20的折起片21與上質(zhì)量塊30之間存在一個(gè)彈性區(qū)域，且該區(qū)域的彈性可以通過調(diào) 節(jié)方框24的寬度而改變，通過該彈性區(qū)域的彎折可以大幅提高上質(zhì)量塊30的位移量，從而 解除了光纖光柵60的應(yīng)變與質(zhì)量塊的位移存在固定的比例關(guān)系。本實(shí)施例中，上質(zhì)量塊30 和下質(zhì)量塊31采用18 _X 12 _X 6 mm的紫銅塊，彈性片20采用0.4 mm厚，10 mm寬的 鈹青銅片，折起片高6 mm，寬3 mm，調(diào)節(jié)框尺寸為9 mmX 1.5 mm，通過有限元模擬，靈敏度為 480 pm/g，諧振頻率為50 Hz，當(dāng)所測振動(dòng)信號(hào)幅度為2. I g時(shí)，光纖光柵應(yīng)變約為1000微 應(yīng)變，上質(zhì)量塊的最大位移幅度約為〇. 3 _，較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高約一個(gè)數(shù)量級(jí)，易于通過較經(jīng) 濟(jì)的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)限位，本實(shí)施例通過限位螺釘70,即可較為精確的限制上質(zhì)量塊30的振 動(dòng)幅度，防止光纖光柵60拉力過大而斷裂，提高了可靠性。
[0031] 本發(fā)明提供的光纖光柵微振動(dòng)傳感器，可以較方便的改變光纖光柵60中預(yù)拉力 的大小，方法如下：擰緊第一緊固螺釘41，可以減小光纖光柵60中的預(yù)拉力，擰松第一緊固 螺釘41，可以增加光纖光柵60中的預(yù)拉力。
[0032] 本發(fā)明提供的光纖光柵微震動(dòng)傳感器，可以實(shí)現(xiàn)一定程度的溫度補(bǔ)償，若需補(bǔ)償 傳感器結(jié)構(gòu)的熱膨脹造成的光纖光柵60的波長變化，則支座10材料的熱膨脹系數(shù)^，光 纖光柵60兩固定點(diǎn)的距離Λ補(bǔ)償柱50材料的熱膨脹系數(shù)σ 2，補(bǔ)償柱50的長度4調(diào)節(jié)梁 40的橫板和豎板的長度a、Α，滿足如下公式：
若需完全補(bǔ)償光纖光柵60的波長變化，則傳感器以上結(jié)構(gòu)參數(shù)與光纖光柵60的溫度 靈敏度府P應(yīng)變靈敏度偉I滿足如下公式：
以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說 明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)名，凡在本 發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍 之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光纖光柵微振動(dòng)傳感器，其特征在于，它包括：一支座，支座為u字型結(jié)構(gòu)，具 有第一側(cè)壁和第二側(cè)壁，第一側(cè)壁的內(nèi)側(cè)具有第一臺(tái)階；第二側(cè)壁頂端有向第一側(cè)壁延伸 的橫梁，在第二側(cè)壁的外側(cè)設(shè)置有第二臺(tái)階和第三臺(tái)階，在第二臺(tái)階上設(shè)置有調(diào)節(jié)梁，在第 三臺(tái)階上固定設(shè)置有補(bǔ)償柱；第二側(cè)壁上開有豎直槽；在支座上設(shè)置有倒T型的彈性片，彈 性片的頭部固定在第一側(cè)壁內(nèi)側(cè)的第一臺(tái)階上，彈性片的尾部固定連接上質(zhì)量塊和下質(zhì)量 塊，上質(zhì)量塊和下質(zhì)量塊對稱安裝于彈性片上下兩側(cè)；彈性片的中部設(shè)置有一向上的折起 片，在折起片上設(shè)置有第一微孔；調(diào)節(jié)梁包括豎板和橫板，豎板底部設(shè)置有凸緣，在第二臺(tái) 階上設(shè)置有導(dǎo)槽，凸緣與導(dǎo)槽相適配使調(diào)節(jié)梁的凸緣在導(dǎo)槽中樞轉(zhuǎn)；調(diào)節(jié)梁的豎板頂部設(shè) 置有第二微孔，調(diào)節(jié)梁的豎板通過第一緊固螺釘與支座的第二側(cè)壁連接，調(diào)節(jié)梁和第二側(cè) 壁之間設(shè)置有第一彈性墊片，第一緊固螺釘使第一彈性墊片產(chǎn)生形變；調(diào)節(jié)梁的橫板通過 第二緊固螺釘與補(bǔ)償柱連接，且第二緊固螺釘與調(diào)節(jié)梁的橫板之間裝有第二彈性墊片，第 二緊固螺釘穿過第二彈性墊片和橫板旋入到補(bǔ)償柱上的螺紋孔中；光纖光柵依次穿過第一 微孔，豎直槽和第二微孔，并在第一微孔處與折起片固定在一起，在第二微孔處與調(diào)節(jié)梁固 定在一起。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵微振動(dòng)傳感器，其特征在于，所述彈性片為中間帶 有折起的長方型薄片，所述折起片通過在彈性片上切割并向上彎折形成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵微振動(dòng)傳感器，其特征在于，在彈性片上設(shè)置有調(diào) 節(jié)框。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵微振動(dòng)傳感器，其特征在于，所述上質(zhì)量塊上開有 供光纖光柵穿過的第一長槽，在下質(zhì)量塊上開有與第一長槽對應(yīng)的第二長槽。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵微振動(dòng)傳感器，其特征在于，所述補(bǔ)償柱由高膨脹 系數(shù)材料制成，即補(bǔ)償柱所用材料的膨脹系數(shù)大于支座所用材料的膨脹系數(shù)2倍以上。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵微振動(dòng)傳感器，其特征在于，對所述光纖光柵中施 加一定的預(yù)拉力，且預(yù)拉力大于傳感器最大量程對應(yīng)的光纖光柵的拉伸量。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵微振動(dòng)傳感器，其特征在于，在橫梁上安裝有至少 一個(gè)限位螺釘，限位螺釘下端位于上質(zhì)量塊的上方。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖光柵微振動(dòng)傳感器，其特征在于，所述橫梁與限位螺釘 之間裝有第三彈性墊片。
【專利摘要】一種光纖光柵微振動(dòng)傳感器，它包括一支座，支座為u字型結(jié)構(gòu)，具有第一側(cè)壁和第二側(cè)壁，第一側(cè)壁的內(nèi)側(cè)具有第一臺(tái)階；第二側(cè)壁頂端有向第一側(cè)壁延伸的橫梁，在第二側(cè)壁的外側(cè)設(shè)置有第二臺(tái)階和第三臺(tái)階，在第二臺(tái)階上設(shè)置有調(diào)節(jié)梁，在第三臺(tái)階上設(shè)置有補(bǔ)償柱；第二側(cè)壁上開有豎直槽；在支座上設(shè)置有倒T型的彈性片，彈性片的頭部固定在第一側(cè)壁內(nèi)側(cè)的第一臺(tái)階上，彈性片的尾部固定連接上質(zhì)量塊和下質(zhì)量塊；彈性片的中部設(shè)置有一向上的折起片，在折起片上設(shè)置有第一微孔；調(diào)節(jié)梁包括豎板和橫板，豎板底部設(shè)置有凸緣，在第二臺(tái)階上設(shè)置有導(dǎo)槽，凸緣與導(dǎo)槽相適配使調(diào)節(jié)梁的凸緣在導(dǎo)槽中樞轉(zhuǎn)；調(diào)節(jié)梁的豎板通過第一緊固螺釘與支座的第二側(cè)壁連接。
【IPC分類】G01H9/00
【公開號(hào)】CN105258782
【申請?zhí)枴緾N201510748293
【發(fā)明人】張發(fā)祥, 張曉磊, 姜劭棟, 呂蕾, 劉小會(huì), 馬龍, 孫志慧, 王昌
【申請人】山東省科學(xué)院激光研究所
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年11月6日