一种基于S型弹性体和增敏楔形梁的光纤光栅振动传感器

技术领域

本发明属于光纤光栅传感器领域，具体涉及一种基于S型弹性体和增敏楔形梁的光纤光栅振动传感器。

背景技术

振动存在于生产生活的方方面面，例如桥梁、高楼、矿井等大型建筑，飞机、高铁、船舶等交通工具，以及各种大型仪器设备等，当这些工程发生异常振动时，通常会存在结构健康问题。低频振动监测在振动监测中占有重要地位，例如大型水轮发电机组运行的转速约为60r/min(转频为1Hz)，由于水的涡旋引起的振动大约为转速的1/3，即约0.3Hz左右；一般跨度为30～60m的公路桥和铁路桥，其固有频率在2Hz左右；高度达到400m的某高层建筑物的固有频率为0.16Hz；结构较重的重力坝一阶固有频率在3Hz左右，结构较轻的拱坝一阶固有频率在1.5Hz左右，因此需要对大型工程的关键承载部位通过一系列的检测和分析方法进行实时在线监测。

在低频振动传感监测应用领域中，相较于传统的电磁式传感器，光纤光栅传感器具有结构简单、高稳定性、高精度、动态范围广、抗电磁干扰等优点。光纤光栅传感器可利用波分复用技术形成光纤传感网络，接入光纤光栅解调设备可大范围、长距离对不同的信号进行状态监测。

对于低频光纤光栅振动传感器的研究，目前主要通过不同的弹性结构和材料封装来实现增敏对低频振动信号的拾取。弹性结构的形式主要有嵌入式、悬臂梁式、芯轴弹簧振子式等，基于这些结构的光纤光栅振动传感器各有优缺点，嵌入式结构共振频率高，灵敏度低，很难满足低频微弱振动信号的测量；悬臂梁式结构简单，成为低频振动类光纤光栅传感器经典弹性元件，现已出现空心梁、双悬臂梁、U型梁等结构，但由于敏感光栅直接胶粘在悬臂梁表面，容易产生啁啾或多峰现象致使测试不准，灵敏度偏低，稳定性不高；芯轴弹簧振子结构虽可实现低频振动信号的拾取，但结构较为复杂不易封装，并容易受到横向干扰。基于主要振动弹性元件的设计思路，国内外专家对低频振动光纤光栅传感器的设计开展了广泛而深入的研究，还出现了柔性铰链式的光纤光栅振动传感器，张法业设计了一种基于柔性铰链结构的FBG加速度传感器，响应频率为10～240Hz，灵敏度为236pm/g，但不具备温度补偿功能。目前的振动传感器测量频率范围主要集中在10Hz以上，但10Hz以下乃至超低频信号拾振的传感器鲜有报道，所以研制高灵敏度、超低频振动反馈、较宽的响应频率范围、横向抗干扰能力强、可实现温补成为了低频光纤光栅振动传感器设计的主要方向。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种基于S型弹性体和增敏楔形梁的光纤光栅振动传感器，实现对超低频振动信号的拾取，且灵敏度较高。

技术方案：本发明的于S型弹性体和增敏楔形梁的光纤光栅振动传感器，包括固定基座，前后对称设置在固定基座上的两组配重质量块，每一配重质量块上下方对称设置S型弹性体，同一水平方向上的两个S型弹性体的末端相连接；每一所述S型弹性体与配重质量块之间设置增敏楔形梁，增敏楔形梁用以放大配重质量块的拾振反馈位移；两个所述配重质量块之间设置双光纤光栅串，双光纤光栅串一端穿过固定基座之后连接封端和铠装光缆，其另一端设置在固定基座内部。

进一步的，所述固定基座、S型弹性体、增敏楔形梁采用同一弹性合金材料线切割加工而成，所以弹性敏感部件没有其他关联部件，减小了冗余误差，提高了传感器的稳定性。

进一步的，所述固定基座上所有的S型弹性体和所有的增敏楔形梁组成传感器的振动弹性系统，振动弹性系统的弹性系数K对传感器的灵敏度S和固有共振频率f

进一步的，所述振动弹性系统的弹性系数K、传感器的灵敏度S和固有共振频率f

式中，L表示S型弹性

进一步的，所述配重质量块材质采用硬质合金材料，通过固定螺丝与固定基座的中心部件固联组成振动质量块。

进一步的，所述双光纤光栅串串刻在一根光纤上，呈上下对称封装布置，选用波长在1525～1565nm之间，两光栅波长差超过5nm。

进一步的，所述固定基座中间设置沿竖向分布的第一凹槽和第二凹槽，双光纤光栅串的两光栅分别放置于第一凹槽和第二凹槽中。

进一步的，所述固定基座上设置第三凹槽、第四凹槽、第五凹槽，双光纤光栅串的两端和中间的裸纤部位通过光学胶封装在固定基座的第三凹槽、第四凹槽、第五凹槽内。

进一步的，所述固定基座的安装表面加工螺纹孔，并通过变径转接螺丝固定在传感器测振安装表面。

进一步的，所述振动质量块与固定基座之间加工形成沟槽，使得振动质量块与光纤在上下变形运动时存在弹性缓冲区域，从而激振质量块沿垂向有较大位移，也保证了传感器在受到较大振动冲击时不会拉断光纤。

本发明的技术方案，利用上下和左右两侧对称分布的S型弹性体、增敏楔形梁和振动质量块组成振动响应系统以拾取外界激振，采用双光栅作为振动感应敏感元件。当振动响应系统受到沿垂直方向的外界激振加速度时，振动质量块由于惯性作用分别对上下对称S型弹性体和楔形梁组成的弹性部件施加拉伸和压缩力，由此上下两侧光栅随之一个拉伸一个压缩，受到等幅反向的应变，光栅波长漂移量相反，振动灵敏度倍增，从而将外界振动信号转换成光纤光栅的波长调制信号，接入光纤光栅解调设备对振动波长信号进行解调。

有益效果：本发明的技术方案与现有技术相比，其有益效果在于：

(1)采用降低结构刚度的S型弹性结构体、放大振动反馈的楔形梁和增加质量块质量的方式来多方面提高拾振灵敏度，并利用双光栅封装方式实现温度补偿功能，使得该传感器具有高灵敏度、良好的超低频拾振能力、较宽的响应频段、稳定的信号输出、较强的横向抗干扰能力、结构简单，易实现多维测振等优点。

(2)本发明通过S型弹性体的参数化设计降低结构弹性系数，并通过楔形梁放大质量块拾振反馈位移，还增加振动响应质量的方式以增加振动灵敏度，从而实现超低频振动信号的拾取，灵敏度可达840pm/g左右，最低拾振频率达到0.5Hz。

(3)本发明通过固定基座和弹性结构采用同一弹性合金材料一体加工制成，弹性敏感部件没有其他关联部件，减小了冗余误差，提高了传感器的稳定性。

(4)S型弹性结构之间存在一定宽度的沟槽，使得振动质量块与光纤之间存在弹性缓冲区域，从而激振质量块沿垂向有较大位移，也保证了传感器在受到较大振动冲击时不会拉断光纤，提高传感器的可靠性。

(5)本发明通过双光栅结构实现温补自补偿，由于同一光纤刻写的双光栅对称封装，感应外界振动应变量正好反向等幅，并两封装光栅所受温度环境相同，因此可通过双传感光栅的信号匹配可以消除温度漂移的影响(解调对称光栅波长信号之差)和提高灵敏度倍增，可有效提高传感器低频拾振能力。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的左视图；

图3为本发明的S型弹性体(1/4基本弹性单元)和增敏楔形梁的结构示意图；

图4为本发明的基于S型弹性体和增敏楔形梁的光纤光栅振动传感器的时域响应图；

图5为本发明的基于S型弹性体和增敏楔形梁的光纤光栅振动传感器的线性响应图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案进行详细介绍。

如图1-2所示，本发明的基于S型弹性体和增敏楔形梁的光纤光栅振动传感器，包括固定基座1、紧定螺钉2、S型弹性体31、增敏楔形梁32、配重质量块4、固定螺丝5、中心部件6、双光纤光栅串7、弹性缓冲区域8、封端9、塑胶套管10、铠装光缆11、第一凹槽12、第二凹槽13、第三凹槽14、第四凹槽15、第五凹槽16、振动质量块17。其中，固定基座1、S型弹性体31、增敏楔形梁32、中心部件6采用同一弹性合金材料线切割加工而成。配重质量块4数量为四个，四个配重质量块4前后对称设置在固定基座1的水平中心线上；本实施例中，配重质量块4通过固定螺丝5固定于固定基座1中间加工的螺纹孔中。每一配重质量块4上下方对称设置线切割成型的S型弹性体31，同一水平方向上的两个S型弹性体31的末端相连接，每一S型弹性体31与配重质量块4之间设置增敏楔形梁32，竖直方向上的两个增敏楔形梁32相对称，水平方向上的两个增敏楔形梁32相对称。水平方向上的两个S型弹性体31相对称。左右两侧和前后分布的四个配重质量块4位于上下两侧S型弹性体31中间。

固定基座1安装表面加工有螺纹孔，需要通过变径转接螺丝固定传感器于测振安装表面。

两个配重质量块4之间设置双光纤光栅串7，双光纤光栅串7串刻在一根光纤上，呈上下对称封装布置，选用波长在1525～1565nm之间，两光栅波长差超过5nm。固定基座1中间加工成型第一凹槽12和第二凹槽13，第一凹槽12和第二凹槽13沿竖向分布。双光纤光栅串7的两光栅分别放置于第一凹槽12和第二凹槽13中。固定基座1上还加工成型第三凹槽14、第四凹槽15、第五凹槽16，双光纤光栅串7的两端和中间的裸纤部位通过光学胶封装在固定基座1的第三凹槽14、第四凹槽15、第五凹槽16内。双光纤光栅串7一端穿过固定基座1之后连接封端9和铠装光缆11，其另一端设置在固定基座1内部；具体地，拉伸固连的双光纤光栅串7的一端光纤分别穿过固定基座1的螺纹孔、封端9和铠装光缆11，另一端胶粘的裸纤截止于固定基座1的凹槽14内部，通过紧定螺钉2旋紧于固定基座1安装表面的螺纹孔内，封端9的一端固定于固定基座1上表面加工成型的螺纹孔内，封端9的另一端通过冷压管挤压成型与铠装光缆11固连，塑胶套管10穿过铠装光缆11通过密封硅胶与封端9相连。

固定基座1上所有的S型弹性体31和所有的增敏楔形梁32组成传感器的振动弹性系统，振动弹性系统的弹性系数K对传感器的灵敏度S和固有共振频率f

第一部分：M1(x)＝Fx，N1(x)＝0，0≦x≦L-b；

第二部分：M2(x)＝F(L-b/2)，N2(x)＝F，0≦x≦t-b；

则S型弹性体的1/4基本单元的总位移δ

则一个基本单元在沿轴向力F作用下的总位移为：

据线弹性理论K＝F/δ，则n个基本单元的S型弹性体的沿轴向弹性系数K

增敏楔形梁32简化为各向同性等截面悬臂梁，由此可得楔形梁的端面沿轴向弹性系数K

则传感器弹性系统的沿轴向弹性系数K

根据加速度传感器灵敏度定义，传感器灵敏度S为光纤光栅中心波长变化量与加速度a比值，即：S＝Δλ/a，其中Δλ为传感光栅中心波长受到应变的变化量,可表示为：

Δλ

式中P

根据结构固有频率公式可得传感器的共振频率f

式中，L表示S型弹性体的长度；t表示S型弹性体的高度；b表示S型弹性体的横截面的宽度；h表示为厚度；n表示为弹性单元数量；W表示为楔形梁的长度；m表示为固定基座的中心部件与所有配重质量块的总质量；λ

结合图2，中心部件6前后左右对称加工有四个一定深度的矩形槽，左右两侧矩形槽中间加工有贯通螺纹孔，四个配重质量块4内嵌于矩形槽中，分别通过固定螺丝5与中心部件6固连组成振动质量块17。配重质量块4材质采用硬质合金材料，硬质合金材料密度在14.7g/cm3，比固定基座基材密度(8.0g/cm3)要重，由式(10)可知，振动质量块17越重，传感器灵敏度越高。

如图1所示，振动质量块17与固定基座1之间加工形成一定宽度的沟槽，使得振动质量块17与光纤在上下变形运动时存在弹性缓冲区域8，本实施例中，沟槽的宽度大于S型弹性体横截面宽度b的3倍。

双光纤光栅串7在封装的过程中需要夹持在位移夹具上施加一定的张力，双光栅两侧和中间的裸纤部位通过光学胶封装在固定基座的凹槽内。当传感器收到外界激振产生振动时，FBGl和FBG2的中心波长变化分别为：

式(11)、(12)中，Δλ

由于选用两根布拉格光栅温度灵敏度系数相同，当弹性体上下振动时，两根光栅的应变大小相等，方向相反，即ε1＝-ε2＝ε，故式(11)与式(12)相减，可得:

根据振动加速度灵敏度公式S＝Δλ/a可知，双光纤光栅串的波长差值是单光纤光栅的2倍，所以采用双光纤光栅串的振动传感器的灵敏度将提高一倍，并且外部温度对测量结果的影响可被补偿。

为了验证本发明的有益效果，对采用本发明的基于S型弹性体和增敏楔形梁的光纤光栅振动传感器搭建振动测试环境进行实验研究，实验情况如下：

其中所用实验仪器为：标准垂直振动台，超低频振动台运动量测试仪，振动校准装置测控仪，动态光纤光栅解调仪。

1.灵敏度测试

按低频标准振动台系统操作规程控制标准振动台施加10Hz、1g的外界激励，使得固定在振动台表面的基于S型弹性体和增敏楔形梁的光纤光栅振动传感器的两侧振动光栅的中心波长产生漂移，并用动态光纤光栅解调仪对两侧光栅的波长漂移量进行检测，如图4所示，为该发明基于S型弹性体和增敏楔形梁的光纤光栅振动传感器的振动时域波长响应图。

从图4中可知，该发明的基于S型弹性体和增敏楔形梁的光纤光栅振动传感器两侧光栅受到垂直方向激励下波形幅值相等，上下对称，其中一侧光栅波长变化量为420pm/g，另一侧光栅波长变化量为419.5pm/g，根据式(11)可知，振动传感器灵敏度为两倍的光栅变化量，该振动传感器的灵敏度为840pm/g左右。

2.幅频特性响应

按低频标准振动台系统操作规程控制标准振动台施加同幅度不同频率的外界激励，激振幅值定为0.02g，激振频率从0.5、1、2、4、6、8、10、20、40、60、80Hz范围内连续调节，使得固定在振动台表面的基于S型弹性体和增敏楔形梁的光纤光栅振动传感器的两侧振动光栅的中心波长产生漂移，并用动态光纤光栅解调仪对两侧光栅的波长漂移量进行检测，下表1为该发明基于S型弹性体和增敏楔形梁的光纤光栅振动传感器在同幅不同频率下的动态特性数据。

从上表可知，该发明的基于S型弹性体和增敏楔形梁的光纤光栅振动传感器在同幅不同频率外界激振下，波长变化较为稳定，最低可响应的工作频率可达到0.5Hz，最高可响应的工作频率达到80Hz，即振动响应工作区域为0.5Hz～80Hz，响应平坦度<3dB。

3.线性特性响应

按低频标准振动台系统操作规程控制标准振动台施加同频不同幅值的外界激励，激振幅值定为10Hz，激振幅值从0.2、0.4、0.6、0.8、1g范围内连续调节，使得固定在振动台表面的基于S型弹性体和增敏楔形梁的光纤光栅振动传感器的两侧振动光栅的中心波长产生漂移，并用动态光纤光栅解调仪对两侧光栅的波长漂移量进行检测，如图5为该发明基于S型弹性体和增敏楔形梁的光纤光栅振动传感器在同频不同幅值的外界激励下的线性响应图。

从图5可以看出，该振动传感器的线性响应拟合曲线R2＝0.9955，非线性度为0.06％，可见该光纤光栅振动传感器的线性响应较好。

综上，本发明的技术方案采用对称封装的双光栅结构在感应外界振动应变量时正好反向等幅，通过双传感光栅的信号匹配可以消除温度漂移的影响和提高灵敏度，可有效提高传感器低频拾振能力。本发明可以工作响应区域宽，达到较高的灵敏度和线性度，同时消除温漂影响，实现低频拾振能力，易拓展为三维测振传感器。