一種光纖光柵加速度計的製作方法

2024-01-24 13:54:15

本發明屬於光纖傳感器技術領域，具體涉及一種光纖光柵加速度計。

背景技術：

當今各行各業對振動檢測都有著巨大需求，如機械系統的運行監測，複合材料的結構性能檢測，橋梁、大壩的安全監測，油、氣田、煤炭和各種礦藏的開採勘探，巖石、巖土結構的振動監測等。與傳統的電子類振動傳感器相比，光纖bragg光柵(fbg)振動傳感器在工作過程中無需電源驅動，適宜在易燃易爆的場合中使用(比如油、氣井)，安全可靠；fbg具有良好的化學穩定性，可在各種腐蝕環境中正常工作；fbg振動傳感過程中的光波頻率比電磁波高很多，具有良好的抗電磁幹擾特性；使用光纖傳輸信號，損耗小，可實現遠距離控制測試；利用波分復用(dwdm)、時分復用(otdm)等技術實現多點分布式測量。這些優勢使得fbg振動傳感器具有巨大的應用潛能和推廣價值。

低頻高靈敏度振動傳感器在工程應用中有廣泛需求，但隨著傳感器可測振動信號頻率的降低，以及靈敏度的提高。如何抑制傳感器的正交誤差，提高傳感器的可靠性，成為不容忽視的問題。

技術實現要素：

鑑於此，本發明的目的在於提供一種光纖光柵加速度計，以有效地改善上述問題。

本發明的實施例是這樣實現的：

本發明實施例提供了一種光纖光柵加速度計，包括：殼體和置於所述殼體內的懸臂梁、質量塊、第一基座、第一支撐柱、第二支撐柱和光纖光柵。所述第一基座與所述懸臂梁連接，用於固定懸臂梁和質量塊。所述第一支撐柱與所述懸臂梁連接，用於固定所述光纖光柵。所述第二支撐柱與所述第一基座連接，用於固定所述光纖光柵。所述懸臂梁還與所述質量塊連接，所述懸臂梁的端面開設有中空孔，所述中空孔從所述懸臂梁的一端延伸至所述懸臂梁的另一端。所述光纖光柵用於測量加速度，其兩端平行於所述懸臂梁表面延伸至所述光纖光柵加速度計的殼體外部。

在本發明較佳的實施例中，所述質量塊包括：第一凸起端，所述質量塊通過所述第一凸起端與所述懸臂梁連接。

在本發明較佳的實施例中，所述光纖光柵加速度計還包括：第二基座，所述第二基座與所述第一基座相對設置於所述質量塊的兩側，所述質量塊包括：第二凸起端，所述第二基座用於限制所述第二凸起端的位移，以限制所述質量塊的偏移量。

在本發明較佳的實施例中，所述第二基座包括：限位孔，所述限位孔的尺寸大於所述第二凸起端的尺寸，所述第二凸起端置於所述限位孔內。

在本發明較佳的實施例中，所述第二基座包括：第一限位部和第二限位部，所述第一限位部和所述第二限位部間隔相對設置，所述第二凸起端置於所述第一限位部和所述第二限位部之間。

在本發明較佳的實施例中，所述第二基座還包括：第一限位釘和第二限位釘，所述第一限位釘設置於所述第一限位部上，所述第二限位釘設置於所述第二限位部上。

在本發明較佳的實施例中，所述第一限位部和所述第二限位部相匹配。

在本發明較佳的實施例中，所述第一支撐柱和所述第二支撐柱相匹配。

在本發明較佳的實施例中，所述光纖光柵的光柵位於所述第一支撐柱與所述第二支撐柱之間。

在本發明較佳的實施例中，光纖光柵加速度計還包括：第一出纖穿越保護部和第二出纖穿越保護部，所述第一出纖穿越保護部和所述第二出纖穿越保護部相對設置於所述殼體的兩側，所述光纖光柵的一端經所述第一出纖穿越保護部引出至所述殼體的外部，所述光纖光柵的另一端經所述第二出纖穿越保護部引出至所述殼體的外部。

本發明實施例提供的光纖光柵加速度計，與現有技術相比，該光纖光柵加速度計由於採用了中空結構的懸臂梁13(即，懸臂梁的端面開設有中空孔，該中空孔從懸臂梁的一端延伸至懸臂梁的另一端)，使得該懸臂梁13可以等效於由兩個單懸臂梁並聯而成的雙懸臂梁，大大降低該光纖光柵加速度計的正交耦合誤差；同時該中空結構的懸臂梁13又解決了採用雙懸臂梁而引發的結構複雜、可靠性差的問題，進一步簡化了該光纖光柵加速度計的結構，以及提高了其可靠性。此外，該光纖光柵加速度計結構簡單，一致性好，可靠性高，可滿足低頻微弱振動信號的探測需求。

本發明的其他特徵和優點將在隨後的說明書闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明實施例而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。通過附圖所示，本發明的上述及其它目的、特徵和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。並未刻意按實際尺寸等比例縮放繪製附圖，重點在於示出本發明的主旨。

圖1示出了本發明第一實施例提供的一種光纖光柵加速度計的結構示意圖。

圖2示出了本發明第一實施例提供的圖1中的懸臂梁的結構示意圖。

圖3示出了本發明第一實施例提供的圖1中的質量塊的結構示意圖。

圖4示出了本發明第二實施例提供的一種光纖光柵加速度計的結構示意圖。

圖5示出了本發明第二實施例提供的圖4中的第二基座的結構示意圖。

圖標：10a－光纖光柵加速度計；10b－光纖光柵加速度計；11－殼體；12－第一基座；13－懸臂梁；131－中空孔；14－質量塊；141－第一凸起端；142－第二凸起端；15－第一支撐柱；16－光纖光柵；17－第二基座；171－第一限位部；172－第二限位部；173－第一限位釘；174－第二限位釘；18－第二支撐柱；19－第一出纖穿越保護部；20－第二出纖穿越保護部。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「上」、「下」、「前」、「後」、「豎直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

此外，術語「水平」、「豎直」等術語並不表示要求部件絕對水平或懸垂，而是可以稍微傾斜。如「水平」僅僅是指其方向相對「豎直」而言更加水平，並不是表示該結構一定要完全水平，而是可以稍微傾斜。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「設置」、「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

本發明實施例提供了一種光纖光柵加速度計10a，如圖1所示。該光纖光柵加速度計10a包括：殼體11和置於所述殼體11內的懸臂梁13、質量塊14、第一基座12、第一支撐柱15、第二支撐柱18和光纖光柵16。

所述殼體11用作該光纖光柵加速度計10a的支撐結構，用於固定第一基座12和懸臂梁13。所述殼體11的形狀可以有多種，例如，可以是呈「u」字型，也可以是長方形，還可以是梯形等形狀，於本實施例中，優選地，所述殼體11的形狀可以是長方形。本實施例中，優選地，該殼體11可以由熱膨脹係數較小的材料製成。

所述第一基座12安裝於所述殼體11上，其與懸臂梁13和第二支撐柱18連接，用於固定懸臂梁13和質量塊14。優選地，該第一基座12的一端安裝於所述殼體11上，另一端與懸臂梁13連接。其中，所述第一基座12的形狀可以有多種，例如，可以是圓柱體形，可以是長方體形，還可以是多稜柱形等，於本實施例中，優選地，該第一基座12的形狀可以是長方體形。

其中，第一基座12與殼體11的連接方式可以有多種，例如，可以是通過螺釘、螺杆和螺母等中間件連接，也可以是通過粘合、焊接等方式連接，還可以是通過凹槽與凸塊等組合方式連接，亦或者一體成型等。

其中，第一基座12與懸臂梁13的連接方式可以有多種，例如，可以是通過螺釘、螺杆和螺母等中間件連接，也可以是通過粘合、焊接等方式連接，還可以是通過凹槽與凸塊等組合方式連接等。於本實施例中，優選地，該懸臂梁13安裝於第一基座12另一端的側面處。

所述懸臂梁13還與所述質量塊14連接，用作彈性元件。優選地，該懸臂梁13的一端固定於第一基座12上，另一端與第一支撐柱15和質量塊14連接，用於抑制該光纖光柵加速度計10a的正交誤差。所述懸臂梁13的形狀可以有多種，例如，長方體、圓柱體、多稜柱體等形狀，本實施例中，所述懸臂梁13的形狀可以為長方體形。優選地，該懸臂梁13由彈性材質製成，以提高該光纖光柵加速度計10a的靈敏度。進一步優選地，如圖2所示，該懸臂梁13的端面開設有中空孔131，所述中空孔131從所述懸臂梁13的一端延伸至所述懸臂梁13的另一端，以使該懸臂梁13呈中空結構。

其中，所述中心孔的形狀可以有多種，例如，可以是圓形，也可以是長方形，還可以三角形等，於本實施例中，優選地，該中心孔的形狀為長方形。該中心孔使得該懸臂梁13可以等效於由四個側臂構成。假設這四個側臂分別為前側臂、後側臂、上側臂和下側臂。安裝時，優選地，該第一支撐柱15安裝於該後側臂上，質量塊14安裝於該前側臂上。則上側臂和下側臂可以等效於由兩個單懸臂梁並聯而成的雙懸臂梁。假設單懸臂梁的正交耦合剛度為kxz，根據梁剛度耦合串並聯理論，雙懸臂梁的正交耦合剛度為2kxz，為單懸臂梁正交耦合剛度的2倍，故雙懸臂梁可大大降低該光纖光柵加速度計10a的正交耦合誤差。即該中空結構的懸臂梁13可大大降低該光纖光柵加速度計10a的正交耦合誤差。

所述質量塊14與所述懸臂梁13連接，用於調整光纖光柵加速度計10a的靈敏度和自振頻率。本實施例中，優選地，所述質量塊14的形狀可以是長方體形。該質量塊14與懸臂梁13連接，優選地，如圖3所示，該質量塊14包括：第一凸起端141，該第一凸起端141與懸臂梁13連接。該第一凸起端141與懸臂梁13的連接方式可以有多種，例如，可以是通過螺釘、螺杆和螺母等中間件連接，也可以是通過粘合、焊接等方式連接。本實施例中，優選地，該第一凸起端141與懸臂梁13通過中間件連接，即第一凸起端141與質量塊14通過中間件連接。

其中，該第一凸起端141的形狀可以有多種，於本實施例中，優選地，該第一凸起端141的形狀為長方形。

所述第一支撐柱15與所述懸臂梁13連接，用於固定所述光纖光柵16。該第一支撐柱15與懸臂梁13的連接方式可以有多種，例如，可以是通過螺釘、螺杆和螺母等中間件連接，也可以是通過粘合、焊接等方式連接，還可以是一體成型等。例如，當第一支撐柱15與懸臂梁13為一體成型時，此時該懸臂梁13呈「l」狀。本實施例中，優選地，該第一支撐柱15與懸臂梁13通過中間件連接。所述第一支撐柱15的形狀可以有多種，例如，本實施例中，該第一支撐柱15的形狀可以是長方體形。當所述光纖光柵加速度計10a受到振動激勵時，該第一支撐柱15用於將質量塊14在激勵加速度方向上起振而產生的位移傳遞給光纖光柵16。

所述光纖光柵16用於測量加速度，其兩端平行於所述懸臂梁13表面延伸至所述光纖光柵加速度計10a的殼體11外部。優選地，該光纖光柵16的中間部位與第一支撐柱15連接，在第一支撐柱15的作用下，以使該光纖光柵16遠離該懸臂梁13的表面，即與懸臂梁13之間存在間隙。該光纖光柵16的兩端平行於所述懸臂梁13表面延伸至所述光纖光柵加速度計10a的殼體11外部。優選地，該殼體11上設置有於該光纖光柵16的尺寸相匹配的通孔，以使該光纖光柵16的兩端穿過該通孔延伸至所述光纖光柵加速度計10a的殼體11外部。

所述第二支撐柱18與所述第一支撐柱15共同用於固定所述光纖光柵16。優選地，該第二支撐柱18與所述第一基座12連接。該第二支撐柱18與第一基座12的連接方式可以有多種，例如，可以是通過螺釘、螺杆和螺母等中間件連接，也可以是通過粘合、焊接等方式連接，還可以是一體成型等。本實施例中，優選地，該二支撐柱與第一基座12通過中間件連接。所述第二支撐柱18的形狀可以有多種，例如，本實施例中，該第二支撐柱18的形狀可以是長方體形。

其中，當第二支撐柱18與第一支撐柱15共同用於固定所述光纖光柵16時，其光纖光柵16的光柵位於所述第一支撐柱15與所述第二支撐柱18之間。其中，第一支撐柱15的形狀尺寸與第二支撐柱18的形狀尺寸可以相同，也可以不同，例如，第一支撐柱15的形狀與第二支撐柱18的形狀相同，但是其尺寸不同，也可以是第一支撐柱15的形狀與第二支撐柱18的形狀相同，且兩者的尺寸也相同。本實施例中，優選地，所述第一支撐柱15和所述第二支撐柱18相匹配，即第一支撐柱15的形狀與第二支撐柱18的形狀相同，且兩者的尺寸也相同。

作為另一種實施方式，優選地，如圖4所示，該光纖光柵加速度計10b還包括：第二基座17、第一出纖穿越保護部19和第二出纖穿越保護部20。

為了提高該光纖光柵加速度計10b的抗衝擊性能，於本實施例中，該光纖光柵加速度計10b還包括：第二基座17。

儘管通過機械增敏可以大幅提高該光纖光柵加速度計10b的靈敏度，但由於光纖本身非常脆弱，隨著靈敏度的提高，該光纖光柵加速度計10b在受到碰撞或跌落等大幅度衝擊時，極易損壞，因此，通過限制質量塊14的振幅幅度，可以提高該光纖光柵加速度計10b的抗衝擊性能。所述第二基座17與所述第一基座12相對設置於所述質量塊14的兩側，用於限制質量塊14的偏移量，以限制其振幅幅度。於本實施中，優選地，如圖3所示，該質量塊14還包括：第二凸起端142。所述第二基座17用於限制所述第二凸起端142的位移，以限制所述質量塊14的偏移量。

其中，該第二凸起端142的形狀可以有多種，於本實施例中，優選地，該第二凸起端142的形狀為長方形。優選地，該第二凸起端142與第一凸起端141相對，即兩者的連線與懸臂梁13平行，為一條水平的平行線。

其中，作為一種實施方式，優選地，該第二基座17包括：限位孔。所述限位孔的尺寸大於所述第二凸起端142的尺寸，所述第二凸起端142置於所述限位孔內，這樣以保證該第二凸起端142可以在該限位孔內偏移，同時又限制了其偏移的位移。其中，所述限位孔的形狀可以有多種，例如，可以是圓形，也可以是長方形等。

其中，作為另一種實施方式，如圖5所示，該第二基座17包括：第一限位部171和第二限位部172。所述第一限位部171和所述第二限位部172間隔相對設置，所述第二凸起端142置於所述第一限位部171和所述第二限位部172之間。這樣以保證該第二凸起端142可以在該第一限位部171和所述第二限位部172之間活動，同時又限制了其偏移的位移。其中，該第一限位部171的形狀可以有多種，於本實施例中，優選地，該第一限位部171的形狀可以為長方體形。其中，該第二限位部172的形狀可以有多種，於本實施例中，優選地，該第二限位部172的形狀可以為長方體形。

其中，第一限位部171的形狀尺寸與第二限位部172的形狀尺寸可以相同，也可以不同，例如，第一限位部171的形狀與第二限位部172的形狀相同，但是其尺寸不同，也可以是第一限位部171的形狀與第二限位部172的形狀相同，且兩者的尺寸也相同。本實施例中，優選地，第一限位部171與第二限位部172相匹配，即第一限位部171的形狀與第二限位部172的形狀相同，且兩者的尺寸也相同。其中，為了進一步限制其第二凸起端142的偏移量，優選地，該第二基座17還包括：第一限位釘173和第二限位釘174。其中，所述第一限位釘173設置於所述第一限位部171上，所述第二限位釘174設置於所述第二限位部172上。

其中，第一限位釘173的形狀尺寸與第二限位釘174的形狀尺寸可以相同，也可以不同，例如，第一限位釘173的形狀與第二限位釘174的形狀相同，但是其尺寸不同，也可以是第一限位釘173的形狀與第二限位釘174的形狀相同，且兩者的尺寸也相同。本實施例中，優選地，第一限位釘173與第二限位釘174相匹配，即第一限位釘173的形狀與第二限位釘174的形狀相同，且兩者的尺寸也相同。為了防止光纖光柵16彎折損壞，影響甚至破壞其性能，於本實施例中，優選地，光纖光柵加速度計10b還包括：第一出纖穿越保護部19和第二出纖穿越保護部20。

所述第一出纖穿越保護部19和所述第二出纖穿越保護部20相對設置於所述殼體11的兩側，所述光纖光柵16的一端經所述第一出纖穿越保護部19引出至所述殼體11的外部，所述光纖光柵16的另一端經所述第二出纖穿越保護部20引出至所述殼體11的外部。其中，優選地，所述第一出纖穿越保護部19與第二出纖穿越保護部20相同，為了避免累贅，只對第一出纖穿越保護部19進行詳細介紹，第二出纖穿越保護部20的結構或者其原理請參閱對第一出纖穿越保護部19的結構或者其原理的介紹。

其中，優選地，該第一出纖穿越保護部19採用三段式結構，分別為穿越座、光纜固定結構和光纜抗彎折線圈。穿越座與殼體11通過螺紋固定，穿越座中空，供光纜穿越。光纜固定結構與穿越座通過螺紋連接，光纜固定結構內部有彈性光纜卡死機構，將光纜外皮固定，起到保護光纜內部光纖的作用。光纜抗彎折線圈與光纜固定結構通過螺紋連接，防止光纜彎折損壞。

綜上所述，本發明實施例提供的光纖光柵加速度計，與現有技術相比，該光纖光柵加速度計由於採用了中空結構的懸臂梁13(即，懸臂梁的端面開設有中空孔，該中空孔從懸臂梁的一端延伸至懸臂梁的另一端)，使得該懸臂梁13可以等效於由兩個單懸臂梁並聯而成的雙懸臂梁，大大降低該光纖光柵加速度計的正交耦合誤差；同時該中空結構的懸臂梁13又解決了採用雙懸臂梁而引發的結構複雜、可靠性差的問題，進一步簡化了該光纖光柵加速度計的結構，以及提高了其可靠性。加之，通過採用第二基座來限制質量塊的振幅幅度可以提高該光纖光柵加速度計的抗衝擊性能，以提高該光纖光柵加速度計的可靠性，以及延長其使用壽命。此外，還採用了第一出纖穿越保護部和所述第二出纖穿越保護部來防止光纖光柵彎折損壞，影響甚至破壞其性能。該光纖光柵加速度計結構簡單，一致性好，可靠性高，抗衝擊能力強，可滿足低頻微弱振動信號的探測需求。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。