一种光纤光栅振动传感器及其测量方法与流程

本发明属于光纤传感，具体涉及一种光纤光栅振动传感器及其测量方法。

背景技术：

1、光纤光栅振动传感器通过检测光栅中心波长的变化，来感知外界环境的振动信息。与传统电子类振动传感器相比，光纤光栅振动传感器具有耐高温高压、耐腐蚀、本质安全、易于组网等特点，因此在石油化工、矿山、桥梁建筑、大型结构、航空航天等领域有着广泛应用前景。随着光纤光栅振动传感器在各行各业中的应用逐渐成熟，人们对传感器的灵敏度、稳定性等技术指标提出了更高的要求。

2、在光纤光栅振动传感器研究领域，研究热点大多集中于提高传感器的灵敏度，例如本技术的发明人在前期工作中设计开发了一种光纤光栅加速度计（公开号为cn107478860a），通过设计杠杆放大机构，在保证光纤光栅振动传感器频率响应范围不变的情况下，大幅提高传感器灵敏度。虽然上述光纤光栅加速度计通过悬臂结构能够提高灵敏度，但是容易受到横向振动的干扰。

3、为了减少横向振动的干扰，西北大学的樊伟等人发明了一种自带温度和预应力补偿的一维光纤光栅振动传感器（公开号为cn114509151a），提供了一种设计合理、结构简单、灵敏度高的自带温度和预应力补偿的一维光纤光栅振动传感器。上述光纤光栅振动传感器通过一维轨道式的结构的设计，从机械结构上屏蔽了其他方向的振动信号，滑块只能沿着轨道运动，这样限制了传感器只能感知沿着轨道方向的振动信号，保证了传感器的方向性，大幅度增强了传感器抗横向干扰能力，但是滑块必然有与一维轨道匹配的凹槽，当有横向振动时，会造成滑块与一维轨道之间的摩擦力增大而导致灵敏度减小。

4、武汉理工大学的魏莉等人发明了一种小型化具有温度补偿的光纤光栅加速度传感器及其测量方法（公开号为cn110531111a），包括上壳、下壳，位于上下壳之间的质量块，质量块两侧对称设置有两块矩形弹性板，质量块中部开设有螺纹孔，用于与螺杆连接，螺杆底部连接弹性主体，所述弹性主体包括两侧柱状外壁，柱状外壁之间设有一对支柱和位于中部的连接块，外壁与支柱之间、支柱与连接块之间均通过铰链连接，螺杆底部穿过弹性主体中部的连接块，弹性主体的两个支柱下表面均开设有光纤槽，弹性主体两侧外壁底部开设有光纤槽，传感器内设置有两根光纤。上述光纤光栅加速度传感器采用矩形弹性板有利于减小横向的振动干扰，但是受限于上壳和下壳的尺寸，矩形弹性板抗横向振动干扰的程度有效，并且为了减小横向的振动干扰，矩形弹性板的宽度较大，同时矩形弹性板的变形量需要通过铰链传递给支柱后再引起光纤光栅中心波长的漂移，受力部件过多，会导致传感器灵敏度降低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种光纤光栅振动传感器及其测量方法，本发明将光纤光栅水平设置在壳体上，在光纤光栅下方设置第一质量块，通过在第一质量块左右两侧对称设置水平弹性板，并在水平弹性板上方中心处竖直设置光纤支柱，将光纤支柱上端与光纤光栅相连，水平弹性板远离第一质量块的一端与固定在壳体上的正交耦合抑制模块相连，由于光纤支柱设置在水平弹性板中心处，可放大第一质量块对光纤光栅的拉伸和压缩作用，从而增大传感器灵敏度。而正交耦合抑制模块中抑制弹性板沿x轴和z轴方向的刚度小于沿y轴方向的刚度，能够抑制由沿x轴方向或者z轴方向输入的加速度产生的水平弹性板变形，起到减小交叉耦合误差的效果。

2、本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种光纤光栅振动传感器，包括光纤光栅、壳体、第一质量块、水平弹性板、光纤支柱和正交耦合抑制模块；

3、所述光纤光栅水平设置在壳体上，所述第一质量块设置在光纤光栅下方，所述第一质量块左右两侧对称设置有水平弹性板，所述水平弹性板上方竖直设置有光纤支柱，所述光纤支柱位于水平弹性板中心处，所述光纤支柱上端与光纤光栅相连；将光纤支柱设置在水平弹性板中心处，当有外界加速度输入，由于惯性作用第一质量块沿y轴运动，此时水平弹性板在沿x轴中间位置处的转角 θ最大，将光纤支柱设置在水平弹性板中心处，可放大第一质量块对光纤光栅的拉伸和压缩作用，增大传感器灵敏度；

4、所述水平弹性板远离第一质量块的一端与正交耦合抑制模块相连，所述正交耦合抑制模块固定设置在壳体上；

5、所述正交耦合抑制模块包括第二质量块、抑制弹性板和固定块，所述水平弹性板与第二质量块相连，所述第二质量块上下两端对称设置有抑制弹性板，所述抑制弹性板竖直设置在第二质量块上；

6、所述抑制弹性板远离第二质量块的一端与固定块相连，所述固定块与壳体固定连接；

7、所述抑制弹性板沿y轴方向的刚度大于沿x轴和z轴方向的刚度，所述抑制弹性板沿y轴方向的刚度大于水平弹性板沿y轴方向的刚度，所述抑制弹性板沿x轴和z轴方向的刚度分别小于水平弹性板沿x轴和z轴方向的刚度。

8、抑制弹性板的作用是，在敏感轴y轴方向，刚度大，而x和z轴方向刚度小，当外界有沿x或z轴方向的加速度输入时，光纤光栅、第一质量块、水平弹性板和光纤支柱作为整体沿x轴或者z轴平行移动，从而保证水平弹性板不会产生变形，起到减小交叉耦合误差的效果。

9、本发明的技术方案还有：所述第一质量块的质量为第二质量块的质量的3倍以上。第一质量块的作用是将外界加速度转化为惯性力，第一质量块的质量跟传感器灵敏度直接相关，第二质量块主要是起连接作用，由于第一质量块的质量为第二质量块的质量的3倍以上，因此第一质量块能够将惯性力有效传递到水平弹性板上，保证传感器的灵敏度。

10、本发明的技术方案还有：所述水平弹性板沿z轴的尺寸为水平弹性板沿y轴尺寸的5倍以上。根据弹性理论，水平弹性板沿y轴的刚度 ky可表示为：

11、（1）

12、式中， ky为传感器敏感模态的刚度， ly为水平弹性板沿y轴的尺寸， lz为水平弹性板沿z轴的尺寸。

13、同理，水平弹性板沿z轴的刚度 kz可表示为：

14、（2）

15、式中， kz为干扰模态的刚度， kz/ ky值越大，则传感器正交耦合系数越小。假如 lz至少是 ly的5倍，则根据（1）、（2）以上两式可得， kz至少为 ky的54倍，从而保证传感器有较低的正交耦合误差。

16、本发明的技术方案还有：所述抑制弹性板沿z轴的尺寸等于抑制弹性板沿y轴的尺寸。同理，抑制弹性板沿x轴和z轴的刚度 kcx和 kcz分别表示为：

17、（3）

18、（4）

19、式中， lcx、 lcz分别为抑制弹性板沿x轴和z轴的尺寸。当抑制弹性板在x轴方向和z轴方向有相同的刚度时，传感器抵抗沿x轴和z轴振动信号的能力相当，因此设置抑制弹性板沿z轴的尺寸等于沿y轴尺寸。

20、本发明的技术方案还有：所述光纤支柱的yz横截面为梯形。为了保证传感器有良好的动态响应能力，应在保证光纤支柱刚度的前提下尽可能减小光纤支柱的质量，故优选地可将光纤支柱的yz截面设计为梯形。

21、本发明的技术方案还有：所述第二质量块与固定块之间设置有两个相互平行的抑制弹性板。抑制弹性板与第二质量块构成u型梁结构，两个抑制弹性板的长度相等，u型梁的正交耦合刚度为零，这样能够减小由于抑制弹性板的加工误差或装配误差引入的正交耦合误差。

22、一种利用上述光纤光栅振动传感器的测量方法，包括如下步骤：

23、步骤s1、测量时，将传感器的壳体固定在被测物体上，保持壳体的底面与待测物体的表面安装在一起，使传感器的底面保持水平即保证光纤光栅水平设置，当被测物体产生振动时，第一质量块在惯性力作用下，沿y轴运动；此时，两个左右对称的水平弹性板产生弯曲变形；由于正交耦合抑制模块在y轴方向刚度较大，因此在此过程中正交耦合抑制模块固定不运动；水平弹性板的弯曲变形通过光纤支柱的放大作用传递给光纤光栅，造成光纤光栅的拉伸或者压缩，使得光纤光栅的中心波长发生漂移；

24、步骤s2、建立被测物体加速度与光纤光栅波长漂移量之间的关系模型；

25、在传感器结构中，光纤光栅与各弹性板的刚度相比较小，因此为了简化计算过程，忽略光纤光栅刚度对传感器结构的影响；当外界有沿y轴的加速度 a输入时，第一质量块在惯性力 m1 a作用下，引起水平弹性板产生弯曲变形；

26、根据弹性理论，水平弹性板横截面转角 θ为：

27、（5）

28、式中， m1为第一质量块的质量， e为水平弹性板的杨氏模量， i为水平弹性板的截面惯性矩， l为水平弹性板的长度， x为沿水平弹性板长度方向的可变参量；从式（5）能够得出，光纤支柱设置在水平弹性板的中间位置，即 x= l/2时截面转角达到最大值，这也是光纤支柱设置在水平弹性板中间位置的原因；

29、其中当 x=1/2 l，得到水平弹性板最大的横截面转角 θmax：

30、（6）

31、光纤支柱近似为刚性体，则光纤光栅单端的变形量为：

32、（7）

33、式中， h为光纤支柱的高度；

34、根据光纤光栅传感机理，光纤光栅的中心波长变化量与应变的关系为：

35、（8）

36、式中，为光纤光栅的中心波长变化量， pe为光纤光栅的光弹系数， λ为光纤光栅中心波长， lf为未发生变形时的光纤光栅与光纤支柱两个连接点间的长度；联立式（6）~式（8），得到外界输入加速度 a与光纤光栅中心波长变化量的关系：

37、（9）

38、依据式（9）即可由光纤光栅中心波长的变化量得到外界的振动信息。

39、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将光纤光栅水平设置在壳体上，在光纤光栅下方设置第一质量块，通过在第一质量块左右两侧对称设置水平弹性板，并在水平弹性板上方中心处竖直设置光纤支柱，将光纤支柱上端与光纤光栅相连。水平弹性板远离第一质量块的一端与固定在壳体上的正交耦合抑制模块相连。当有外界加速度输入，由于惯性作用第一质量块沿y轴运动，此时水平弹性板在沿x轴中间位置处的转角 θ最大，将光纤支柱设置在水平弹性板中心处，可放大第一质量块对光纤光栅的拉伸和压缩作用，增大传感器灵敏度。

40、而正交耦合抑制模块包括与水平弹性板相连的第二质量块，并在第二质量块上下两端对称设置竖直抑制弹性板，弹性板竖直设置在第二质量块上并通过固定块与壳体相连。由于抑制弹性板沿y轴方向的刚度大于抑制弹性板沿x轴和z轴方向的刚度，抑制弹性板沿x轴和z轴方向的刚度分别小于水平弹性板沿x轴和z轴方向的刚度，当有沿x轴或者z轴方向的横向振动时，水平弹性板在x轴、z轴方向刚度大，而抑制弹性板在x轴、z轴方向刚度小。所以光纤光栅、第一质量块、水平弹性板和光纤支柱作为一个整体沿x轴、z轴向整体平行移动，从而保证水平弹性板不会产生x轴方向或者z轴方向的变形，水平弹性板无形变，光纤光栅不受拉压左右，从而能够抵抗横向干扰，起到减小交叉耦合误差的效果。

41、而由于抑制弹性板沿y轴方向的刚度大于水平弹性板沿y轴方向的刚度，当有沿y轴方向的竖向振动时，抑制弹性板不会发生沿y轴方向的变形，第二质量块不会发生移动，因此不影响传感器的灵敏度。