基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及到一种基于柔性铰链的三维光纤光 栅加速度传感器。
【背景技术】
[0002] 光纤光栅加速度传感器的基本传感原理是利用弹性元件的受力把加速度量转换 为光纤布拉格光栅的应变量，从而转化为布拉格波长的变化，通过检测波长的变化实现对 加速度幅值的测量。光纤光栅加速度传感器本质安全，抗电磁干扰能力强，因此在易燃易 爆，强电磁等特殊环境中独具优势。
[0003] 目前，光纤光栅加速度传感器大多只能检测单分量加速度值，但是实际中，需要得 到被检测物体空间三个方向的加速度值，如果使用传统的单分量加速度传感器需要安装至 少三个，这样就增加了安装成本和现场施工的复杂度，而且由于安装空间的限制，安装的多 个传感器并不能安装在同一个监测点上，最终导致检测到的数据不能真实反映监测点的不 同方向上的加速度值。
[0004] 多维光纤光栅加速度传感器主要有组合式的多维加速度传感器和一体化的多维 加速度传感器。专利号200710151178. 6的中国专利"光纤光栅三维加速度/振动传感器"采 用三个悬臂梁组合实现三维测量，这种组合式结构由于使用等强度悬臂梁粘接光纤光栅， 容易使光纤光栅产生啁嗽，进而导致无法测量。专利号ZL200720021749. X的实用新型"三 分量光纤光栅振动传感器"，将三个光纤光栅分别粘贴于三个橡胶块上，通过质量块对橡胶 的作用力来改变光栅波长，该结构橡胶材料受温度影响较大，不具备温度自补偿功能，且被 测物体的各个方向上的振动不能很好的传递给传感器，传感器输出信号容易失真。2002年 S. R. K. Morikawa等人设计了一种中心悬挂型三分量加速度传感器，将6根光纤光栅直接作 为弹性元件正交放置，质量块悬挂于元件几何中心，该结构可以测量50~IOOHz的三维振 动。这种结构传感器工作时直接对光纤光栅进行拉压，灵敏度高但光栅易断。2012年郭永 兴等提出一种基于"钢管-质量块"弹性结构体的光纤光栅二维加速度传感器。该设计通 过处于钢管表面圆周方向呈90°分布的四根光纤光栅的波长变化来测量加速度，该传感 器的灵敏度为8. 6pm/g，加速度测量范围为1. 5~7. 6g，灵敏度较低，且光纤光栅直接粘贴 在钢管上，受力不均时，光纤光栅容易产生啁嗽。 【实用新型内容】
[0005] 为了解决现有技术的缺点，本实用新型提供一种具有三轴柔性铰链结构且结构简 单的基于柔性铰链的三维光纤光栅加速度传感器。该传感器具有较高的频率响应范围、较 高的灵敏度和较少的维间耦合。
[0006] 为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
[0007] -种基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器，包括：
[0008] 壳体，在壳体内设置有L形基座和三个单轴柔性铰链，其中两个单轴柔性铰链固 定于L形基座的长臂上，另一个单轴柔性铰链固定于L形基座的短臂上，三个单轴柔性铰链 的敏感轴均互相垂直；
[0009] 每个所述单轴柔性铰链的一端均为固定端，其固定在L形基座上，另一端均为自 由端；每个所述单轴柔性铰链垂直于敏感轴方向的上表面开设有光纤沟槽，光纤沟槽内固 定有光纤；每个所述单轴柔性铰链的固定端和自由端之间的上表面和下表面均开设有凹 槽，凹槽内设有光纤布拉格光栅；每个所述单轴柔性铰链的凹槽包括两个对称的矩形切口 及与其相连的半椭圆形切口。
[0010] 每个所述单轴柔性铰链的特征参数一致。
[0011] 所述光纤布拉格光栅栅区长度小于8mm，光纤光栅中心波长为1530_1560nm。
[0012] 所述光纤外设有传感器外壳。
[0013] 所述单轴柔性铰链的薄壁厚度在0. 2-lmm之间。
[0014] 每个所述单轴柔性铰链的自由端在振源激励作用下围绕各自单轴柔性铰链微幅 振动，促使布拉格光栅两端拉伸运动。
[0015] 所述壳体为中空的立方体。
[0016] 本实用新型的有益效果为：
[0017] (1)本实用新型的基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器结构非常简单，仅 由三个柔性铰链和三根光纤光栅构成，传感器组装方便，长期可靠性好；
[0018] (2)本实用新型采用柔性铰链代替弹簧、悬臂梁或其他弹性体与，柔性铰链的自由 端等效于惯性质量块，组成了质量-弹簧系统，以检测被测物体的振动，传感器体积小、灵 敏度高、频响范围宽；
[0019] (3)本实用新型采用的柔性铰链的凹槽包括两个对称的矩形切口及与两个对称的 矩形切口分别相连的半椭圆形切口，其中，矩形切口起到增敏作用，比普通的单独双半圆形 切口铰链、椭圆形切口铰链、弓形切口铰链、倒圆角直梁型铰链灵敏度高且频率范围不变。
【附图说明】
[0020] 图1是本实用新型的基于柔性铰链的三维光纤光栅加速度传感器的整体结构示 意图；
[0021] 图2是本实用新型的柔性铰链的结构示意图；
[0022] 图3是本实用新型的X方向光纤光栅加速度传感器的频谱图；
[0023] 图4是本实用新型的Y方向光纤光栅加速度传感器的频谱图；
[0024] 图5是本实用新型的Z方向光纤光栅加速度传感器的频谱图；
[0025] 图6是本实用新型的X轴方向的传感器的线性度曲线；
[0026] 图7是本实用新型的Y轴方向的传感器的线性度曲线；
[0027] 图8是本实用新型的Z轴方向的传感器的线性度曲线；
[0028] 图9是X轴方向在输入的正弦波加速度为200mm/s2,频率为240Hz时的输出响应 图；
[0029] 图10是Y轴方向在输入的正弦波加速度为200mm/s2,频率为240Hz时的输出响应 图；
[0030] 图11是Z轴方向在输入的正弦波加速度为200mm/s2,频率为240Hz时的输出响应 图。
[0031] 其中，1、壳体；2、L形基座；3、X方向柔性铰链；4、X方向光纤光栅；5、Y方向柔性铰 链；6、Y方向光纤光栅；7、Z方向柔性铰链；9、光纤沟槽；10、上凹槽；11、光纤；12、下凹槽。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明：
[0033] 实施例1
[0034] 在图1中，本实施例的基于柔性铰链的光纤光栅三维加速度传感器由壳体I、L形 基座2、X方向柔性铰链3、X方向光纤光栅4、Y方向柔性铰链5、Y方向光纤光栅6、Z方向 柔性铰链7、Z方向光纤光栅构成。
[0035] 本实施例的壳体1为中空的立方形，L形基座2与壳体1为一个整体，采用304不 锈钢材料。L形基座2的长臂上通过螺丝固定X方向柔性铰链3和Z方向柔性铰链7, L形 基座2的短臂上固定Y方向柔性铰链5。
[0036] X方向柔性铰链3、Υ方向柔性铰链5和Z方向柔性铰链7均是单轴柔性铰链。每 个单轴柔性铰链的一端均为固定端，其固定在L形基座上，另一端均为自由端；每个单轴柔 性铰链垂直于敏感轴方向的上表面开设有光纤沟槽9,光纤沟槽9内固定有光纤11 ;每个单 轴柔性铰链的固定端和自由端之间的上表面和下表面均开设有凹槽，凹槽上有光纤布拉格 光栅。
[0037] 其中，每个单轴柔性铰链的固定端和自由端之间的上表面开设的凹槽为上凹槽 10 ;每个单轴柔性铰链的固定端和自由端之间的下表面开设的凹槽为下凹槽12。
[0038] 本实用新型的单轴柔性铰链为单轴对称的矩形切口加椭圆型切口铰链，也就是柔 性铰链的上凹槽10和下凹槽12是带矩形加半椭圆形切口，即上凹槽10和下凹槽12均包 括两个对称的矩形切口及与两个对称的矩形切口分别相连的半椭圆形切口。
[0039] 柔性铰链的总长度为32mm，上凹槽10的矩形切口高度为7mm，下凹槽12的矩形切 口高度为3mm，上凹槽10和下凹槽12的椭圆形切口尺寸一致，短轴半径R为3mm，长轴半径 R为6mm，铰链薄壁厚度t为0· 5mm，厚壁厚度h为16. 5mm，铰链宽度b为10mm。
[0040] 柔性铰链材料选用304高韧性不锈弹簧钢。柔性铰链的垂直于敏感轴方向的上面 开设有光纤沟槽，沟槽的深度为〇. 5mm。将X方向光纤光栅4栅区两端光纤的涂覆层剥掉， 长度为6_左右，不要超过涂胶的长度，便于更牢靠的粘接。
[0041] 将剥好的光纤光栅穿过传感器外壳放置于光纤沟槽内，光纤光栅的栅区正好位于 铰链的凹槽10处，避免粘接栅区。采用353ND胶粘接光纤光栅的一端，固化后再粘接另一 端，另一端预拉伸光纤光栅后采用502胶快速固化，粘好后的光纤光栅反射波长增加0. 5个 nm左右。采用相同的方式依次粘接Y方向光纤光栅6和Z方向光纤光栅。
[0042] 本实施例的X方向光纤光栅4、Y方向光纤光栅6和Z方向光纤光栅由深圳畅格光 通信有限公司生产，353ND胶由深圳金润泽科技有限公司销售，X方向光纤光栅4、Y方向光 纤光栅6和Z方向光纤光栅的中心波长为1548. 5nm左右，对X方向光纤光栅4、Y方向光纤 光栅6和Z方向光纤光栅施加一定的预应力后，中心波长变为1549nm左右，这样光纤光栅 就能在铰链的作用下伸长或缩短了。
[0043] 本实用新型属于悬臂梁-质量块结构，假设Ic1为光纤的弹性系数，k 2为结构的弹 性系数;m为质量块的质量，a为柔性铰链薄壁到光纤的高度，b为质量块中心到柔性铰链固 定端的距离。则系统总的弹性系数k为：
[0045] 系统的谐振频率为：
[0047] 假设外界激励为ag= A ，系统相对阻尼系数为δ，则光纤光栅受激励产生的 应变为：
[0049] 当阻尼比为
时，本实用新型的应变灵敏度为
由于每变化一 个微应变，光纤光栅变化I. 2pm，因此，本实用新型的波长灵敏度为：
[0051] 从上式可以看出，柔性铰链薄壁到光纤的高度越高