一種差動式雙光柵結構的光纖加速度計的製作方法

2023-05-21 16:13:16 3

一種差動式雙光柵結構的光纖加速度計的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種差動式雙光柵結構的光纖加速度計，包括外殼、質量塊、可調諧螺釘、固定底板、固定塊、彈性片和光纖光柵，其中兩個質量塊上均開有固定槽且上下對稱放置，兩個固定塊上也均開有固定槽且上下對稱放置，兩根光纖光柵的一端分別固定於兩個質量塊的固定槽中，另一端分別固定於兩個固定塊的固定槽中並從固定槽中穿出；固定塊和質量塊通過彈性片連接，固定塊安裝於固頂底板上，質量塊懸空，外殼與固頂底板固定連接進行密封，兩個可調諧螺釘分別穿過外殼和固定底板對質量塊進行限位，該光纖加速度計有效避免受壓光柵無應變輸出的情況，提高了光纖加速度計的測量準確性，同時避免光纖加速度計的損壞，增強了光纖光柵的強度。
【專利說明】一種差動式雙光柵結構的光纖加速度計
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用光纖光柵作為敏感元件的光纖加速度計，尤其是涉及一種差動式雙光柵結構的光纖加速度計。
【背景技術】
[0002]光纖加速度計是基於光學信號檢測位移原理的新型加速度計。光纖加速度計可以實現光電分離，即敏感頭和信號檢測電路完全分開，具有抗電磁幹擾和遠程測量的特點。除了加速度測量，光纖加速度計還可用於結構振動的網絡化監測，以及入侵監控和遠程預警。
[0003]利用光纖光柵作為敏感元件的光纖加速度計，採用懸臂梁和質量塊將待測加速度轉換成質量塊的位移，通過光纖光柵敏感位移造成的應變，具有信號檢測方法簡單、精度較高的優點。針對環境溫度對加速度測量的影響，發展了差動式光纖加速度計。採用兩隻對稱安裝的光纖光柵來測量質量塊的位移；當加速度作用下質量塊產生位移時，對稱固定安裝的兩個光纖光柵的應變和波長變化大小相等、方向相反；當環境溫度變化時，兩個光纖光柵的波長變化大小相等、方向相同；通過測量對稱固定安裝的兩個光纖光柵之間的波長相對變化就可以測量出加速度的大小，同時還可以抑制環境溫度變化的影響。
[0004]現有的利用光纖光柵作為敏感元件的光纖加速度計，光纖加速度計的量程受限於光纖光柵可承受的拉伸強度的能力，若要得到較大量程的光纖加速度計就要提高光纖光柵的抗拉伸能力；如果所加載的加速度過大，會對安裝在質量塊上的光纖光柵產生較大應變，一旦超過光纖光柵能承受的應變極限，會導致光纖光柵被拉斷和光纖加速度計損壞。同時，目前採用的兩點固定的光纖光柵的安裝方式會在有加速度加載時出現被壓的光纖光柵無應變輸出的情況，這給準確測量帶來了較大問題。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於克服現有技術的上述不足，提供一種差動式雙光柵結構的光纖加速度計，該光纖加速度計有效避免受壓光柵無應變輸出的情況，提高了光纖加速度計的測量準確性，同時避免光纖加速度計的損壞，增強了光纖光柵的強度，並提高了光纖加速度計的可靠性。
[0006]本發明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現的:
[0007]—種差動式雙光柵結構的光纖加速度計，包括外殼、兩個質量塊、兩個可調諧螺釘、固定底板、兩個固定塊、彈性片和兩根光纖光柵，其中兩個質量塊上均開有固定槽，且上下對稱放置，兩個固定塊上也均開有固定槽，且上下對稱放置，兩根光纖光柵的一端分別固定於兩個質量塊的固定槽中，另一端分別固定於兩個固定塊的固定槽中並從所述固定槽中穿出；固定塊和質量塊通過彈性片連接，固定塊安裝於固頂底板上，質量塊懸空，外殼與固頂底板固定連接將質量塊、固定塊和彈性片密封其中，兩根光纖光柵的一端穿過外殼並向外伸出，兩個可調諧螺釘分別穿過外殼和固定底板對質量塊進行限位。
[0008]在上述差動式雙光柵結構的光纖加速度計中，兩根光纖光柵的外表面設有塗敷層，塗敷層的厚度為50~100 μ m。
[0009]在上述差動式雙光柵結構的光纖加速度計中，兩根光纖光柵外表面的塗敷層為聚醯亞胺材料。
[0010]在上述差動式雙光柵結構的光纖加速度計中，兩個可調諧螺釘分別固定在外殼和固定底板上對應於質量塊的位置，且可調諧螺釘的直徑大於質量塊上安裝光纖光柵的固定槽的寬度。
[0011]在上述差動式雙光柵結構的光纖加速度計中，可調諧螺釘與質量塊之間的間距範圍為O~0.5mm。
[0012]在上述差動式雙光柵結構的光纖加速度計中，光纖光柵在安裝時進行了預應變加載，並採用粘接膠在光纖光柵的兩端進行固定。
[0013]本發明與現有技術相比具有如下有益效果:
[0014](I)、本發明設計了一種全新的差動式雙光柵結構的光纖加速度計，通過利用可調節螺釘限制光纖加速度計中質量塊上下位移幅度，避免光纖光柵應變超過允許的工作應變範圍而導致光纖加速度計損壞，提高了光纖加速度計的可靠性；此外通過調節螺釘端頭與質量塊之間的間距，使得操作方法簡單，技術難度較小，降低了設計複雜機械結構帶來的技術難度；
[0015](2)、本發明的 差動式雙光柵結構的光纖加速度計通過在光纖光柵表面進行聚醯亞胺塗覆，並對塗敷厚度進行優化，使得其抗拉伸能力得到增強，進一步增強了光纖光柵的強度，並大大提高了光纖加速度計的量程和安全性；
[0016](3)、本發明的差動式雙光柵結構的光纖加速度計通過在光纖光柵安裝時對其加載一定量的預應變，有效避免的受壓光柵無應變輸出的情況，提高了光纖加速度計的測量準確性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發明差動式雙光柵結構的光纖加速度計的側視圖；
[0018]圖2為本發明差動式雙光柵結構的光纖加速度計的結構正視圖；
[0019]圖3為本發明差動式雙光柵結構的光纖加速度計去掉底板和外殼後可調諧螺釘對質量塊限位作用示意圖；
[0020]圖4為本發明差動式雙光柵結構的光纖加速度計中的敏感光纖光柵進行聚醯亞胺塗覆的不意圖；
[0021]圖5為本發明差動式雙光柵結構的光纖加速度計中的敏感光纖光柵的安裝及預應變的加載不意圖；
[0022]附圖標記說明:
[0023]I...外殼,2...質量塊,3...可調諧螺釘,4...固頂底板,5...固定塊,6...彈性片,7…光
纖光柵，8…聚醯亞胺塗覆層，9…粘接膠
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述:
[0025]如圖1所示為本發明差動式雙光柵結構的光纖加速度計的側視圖，圖2所示為本發明差動式雙光柵結構的光纖加速度計的結構正視圖，由圖可知本發明差動式雙光柵結構的光纖加速度計包括外殼1、兩個質量塊2、兩個可調諧螺釘3、固定底板4、兩個固定塊5、彈性片6和兩根光纖光柵7，其中兩個質量塊2上均開有固定槽且上下對稱放置，兩個固定塊5上也均開有固定槽且上下對稱放置，兩根光纖光柵7的一端分別固定於兩個質量塊2的固定槽中，另一端分別固定於兩個固定塊5的固定槽中並從固定槽中穿出。固定塊5和質量塊2通過彈性片6連接，固定塊5安裝於固頂底板4上，質量塊2自由懸空。
[0026]外殼I與固頂底板4機械連接將質量塊2、固定塊5和彈性片6密封其中,兩根光纖光柵7的一端穿過外殼I並向外伸出，兩個可調諧螺釘3分別穿過外殼I和固定底板4對質量塊2進行限位。
[0027]如圖3所示為本發明差動式雙光柵結構的光纖加速度計去掉底板和外殼後可調諧螺釘對質量塊限位作用示意圖，在固定底板4和外殼I對應於質量塊2的位置分別設置一個螺紋孔，為避免壓斷光柵，擰入螺紋孔的可調諧螺釘3的直徑大於質量塊2上安裝光纖光柵7的固定槽的寬度，且可調諧螺釘3與質量塊2之間的間距範圍為O?0.5mm。通過可調諧螺釘3端頭與質量塊2端面之間的間距，控制質量塊2能夠上下位移的幅度，限制光纖光柵7的應變不超過其工作應變範圍而導致光纖加速度計損壞，同時也實現了光纖加速度計量程的可調諧。
[0028]例如本發明光纖加速度計採用工作應變範圍O?5000 μ ε的光纖光柵7作為敏感元件，在加速度IOg的情況下質量塊2的位移為0.25mm、光纖光柵7的應變為2500 μ ε ；通過可調諧螺釘3將質量塊的位移幅度限制在0.25mm,即保了 IOg的量程，又將光纖光柵7的應變限制在O?2500 μ ε，保證了光纖光柵7的安全工作。
[0029]如圖4所示為本發明差動式雙光柵結構的光纖加速度計中的敏感光纖光柵進行聚醯亞胺塗覆的示意圖，兩根光纖光柵7的外表面設有塗敷層8，例如塗敷層8為聚醯亞胺材料，塗敷層8的厚度為50-100 μ m。本發明採用浸蘸法或沉降法在未塗覆的普通光纖光柵表面均勻塗覆一層聚醯亞胺材料，經過塗覆的光纖光柵7的抗拉伸性能比未塗覆或普通塗覆的光纖光柵會有很大提高，其可承受的應變能提高到了 ΙΟΟΟΟμ ε，工作應變範圍為O?5000 μ ε，這既增加了光纖加速度計的安全性也同時提高了光纖加速度計的量程。
[0030]如圖5所不為本發明差動式雙光柵結構的光纖加速度計中的敏感光纖光柵的安裝及預應變的加載示意圖，光纖光柵7在安裝時進行了預應變加載，並採用粘貼膠9在光纖光柵7的兩端進行固定。
[0031]本發明光纖加速度計中的敏感光纖光柵7安裝在質量塊2和固定塊5的固定槽中，在安裝光纖光柵7時，對光纖光柵7施加了固定值的預應變以保證在一定測量範圍內光纖光柵7都能有效正常工作。安裝過程為:首先採用高彈性模量和高粘接性能的粘接膠9把光纖光柵7的一端固定；待粘接膠9凝固完成後，再通過拉伸光纖光柵7的另一端對其加載預應變，所加載預應變的大小與光纖光柵7承受應變強度有關；在加載應變的同時，用粘接膠9對光纖光柵的另一端進行固定粘貼；待粘接膠9凝固後卸除所加載的應變，為了提高可靠性，粘貼點進行了冗餘設計，即光纖光柵的每端都有兩個固定點，如圖5所示。因為光纖光柵7在受應變拉伸的情況下進行了固定，所以即使所加載應變去除，兩固定點之間也保留了所施加的預應變，這樣就成功實現了對光纖光柵7的安裝和預應變加載。
[0032]以上所述，僅為本發明最佳的【具體實施方式】，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
[0033]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員的公知技術。
【權利要求】
1.一種差動式雙光柵結構的光纖加速度計，其特徵在於:包括外殼(I)、兩個質量塊(2)、兩個可調諧螺釘(3)、固定底板(4)、兩個固定塊(5)、彈性片(6)和兩根光纖光柵(7)，其中兩個質量塊(2)上均開有固定槽，且上下對稱放置，兩個固定塊(5)上也均開有固定槽，且上下對稱放置，兩根光纖光柵(7)的一端分別固定於兩個質量塊(2)的固定槽中，另一端分別固定於兩個固定塊(5)的固定槽中並從所述固定槽中穿出；固定塊(5)和質量塊(2)通過彈性片(6)連接，固定塊(5)安裝於固頂底板(4)上，質量塊(2)懸空，外殼(I)與固頂底板(4 )固定連接將質量塊(2 )、固定塊(5 )和彈性片(6 )密封其中，兩根光纖光柵(7 )的一端穿過外殼(I)並向外伸出，兩個可調諧螺釘(3)分別穿過外殼(I)和固定底板(4)對質量塊(2)進行限位。
2.根據權利要求1所述的一種差動式雙光柵結構的光纖加速度計，其特徵在於:所述兩根光纖光柵(7)的外表面設有塗敷層(8)，塗敷層(8)的厚度為50?100 μ m。
3.根據權利要求2所述的一種差動式雙光柵結構的光纖加速度計，其特徵在於:所述兩根光纖光柵(7)外表面的塗敷層(8)為聚醯亞胺材料。
4.根據權利要求1所述的一種差動式雙光柵結構的光纖加速度計，其特徵在於:所述兩個可調諧螺釘(3)分別固定在外殼(I)和固定底板(4)上對應於質量塊(2)的位置，且可調諧螺釘(3)的直徑大於質量塊(2)上安裝光纖光柵(7)的固定槽的寬度。
5.根據權利要求1?4任一權利要求所述的一種差動式雙光柵結構的光纖加速度計，其特徵在於:所述可調諧螺釘(3)與質量塊(2)之間的間距範圍為O?0.5mm。
6.根據權利要求1所述的一種差動式雙光柵結構的光纖加速度計，其特徵在於:所述光纖光柵(7 )在安裝時進行了預應變加載，並採用粘接膠(9 )在光纖光柵(7 )的兩端進行固定。
【文檔編號】G01P15/03GK103675340SQ201310712441
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月20日 優先權日:2013年12月20日
【發明者】唐才傑, 李保勇, 崔留住, 王學鋒, 卞賀明 申請人:北京航天時代光電科技有限公司