專利名稱：一種懸臂梁式光纖光柵加速度計的制作方法
技術領域：
本發明涉及光纖傳感器技術領域，尤其涉及一種懸臂梁式光纖光柵加 速度計。
背景技術：
光纖傳感器與對應的常規傳感器相比，在靈敏度、動態范圍、可靠性 等方面也具有明顯的優勢，在國防、軍事應用領域顯得尤為突出，被許多 國家列為重點發展的國防技術。
光纖加速度計是利用光纖的傳光特性以及它與周圍環境相互作用產 生的種種調制效應，探測地面、空氣中或者海底的振動等信號的儀器。它 與傳統的壓電類加速度計相比，有以下主要優勢頻帶寬、聲壓靈敏度高、 不受電磁干擾、重量輕、可設計成任意形狀，以及兼具信息傳感及光信息 傳輸于一身等優點。
鑒于光纖加速度計的如上技術優勢，可滿足各發達國家在石油、軍事 等領域的要求，目前已經在此方面積極展開研究。
在常見的強度調制型、數字式、光纖光柵式光纖加速度計中，光纖光 柵式加速度計由于其體積小、易于復用的特點得到了廣泛的關注。
余有龍等人報道了一種光纖光柵加速度計，是采用在將光纖光柵粘接 在懸臂梁表面的方法。當懸臂梁發生振動時，其表面會有周期性的壓拉應 變，光纖光柵通過檢測懸臂梁表面的應變來實現振動的測量。該種技術方 案一方面光纖光柵的柵區直接被膠封裝，容易使光纖光柵產生啁啾，另一 方面為了使加速度和傳感器的輸出保持線性關系，懸臂梁的撓度不能過 大，從而限制了傳感器的靈敏度。
因此，如何改進光纖光柵加速度計的封裝形式以及提高光纖光柵加速 度計的靈敏度，是光纖光柵加速度計大規模應用必需解決的重要技術問 題。
發明內容
(一) 要解決的技術問題
有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種懸臂梁式光纖光柵加速度 計，以提高光纖光柵加速度計的靈敏度并改進光纖光柵加速度計的封裝工 藝。
(二) 技術方案
為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的 一種懸臂梁式光纖光柵加速度計，該光纖光柵加速度計包括 作為該光纖光柵加速度計支撐結構的外殼1;
用于固定懸臂梁3的支撐柱2，該支撐柱2 —端固定連接于懸臂梁3， 另一端固定連接于所述光纖光柵加速度計的底側面； 懸臂梁3，用作彈性原件；
安裝于懸臂梁3上側兩端的第一凸臺和第二凸臺4，用于水平固定光 纖光柵5，且使光纖光柵5與懸臂梁3具有一定的間隔；
用于測量加速度的光纖光柵5，該光纖光柵5的兩端分別固定于懸臂 梁3上的第一凸臺和第二凸臺4上，其中一端平行于懸臂梁3表面延伸穿 過所述光纖光柵加速度計側壁上的孔7至所述光纖光柵加速度計的外部；
安裝于懸臂梁3下側一端或兩端的質量塊6，用于調整光纖光柵加速 度計的靈敏度和自振頻率。
上述方案中，所述孔7位于光纖光柵加速度計的側壁上，用于引出和 固定光纖光柵5的尾纖。
上述方案中，所述光纖光柵5平行于懸臂梁3，具有有一定的初始拉 應力。
上述方案中，所述質量塊6、第一凸臺或第二凸臺4的質量遠大于懸 臂梁3的質量，用于減小光纖光柵加速度計的非線性效應。
上述方案中，當該光纖光柵加速度計受到振動激勵時，所述懸臂梁3 和質量塊6構成一個彈簧-質量系統，質量塊6在垂直于懸臂梁3表面的方 向起振，帶動懸臂梁3產生一定的撓度，引起第一凸臺與第二凸臺之間的 距離發生變化，懸臂量3的振動使得光纖光柵5中產生和振動頻率一致的周期性變化的軸向應力。
上述方案中，所述光纖光柵加速度計通過調節質量塊6的質量或改變 懸臂梁3的材料和結構參數來改變光纖光柵加速度計的靈敏度和自振頻率。
(三)有益效果 從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果
1、 本發明提供的懸臂梁式光纖光柵加速度計，通過在光纖光柵的兩 端進行固定的方式，在避免光纖光柵產生啁啾的同時簡化了封裝的工藝， 制作工藝簡單。
2、 本發明提供的這種懸臂梁式光纖光柵加速度計，光纖光柵5的兩 端可以采用焊接或其它固定方式，避免在柵區用膠而造成的老化和蠕變等 負面影響，提高了光纖光柵加速度計的可靠性。
3、 本發明提供的這種懸臂梁式光纖光柵加速度計，由于可以方便的 通過調節質量塊6的質量或改變懸臂梁3的材料和結構參數來改變傳感器 的靈敏度和自振頻率，靈敏度和自振頻率易于調節。
圖1為依照本發明第一個實施例提供的懸臂梁式光纖光柵加速度計結 構的側視圖-，
圖2為依照本發明第一個實施例提供的懸臂梁式光纖光柵加速度計結 構的俯視圖3為依照本發明第二個實施例提供的懸臂梁式光纖光柵加速度計結 構的側視圖4為依照本發明第二個實施例提供的懸臂梁式光纖光柵加速度計結 構的俯視圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實 施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。如圖1和圖2所示，圖1為依照本發明第一個實施例提供的懸臂梁式 光纖光柵加速度計結構的側視圖，圖2為依照本發明第一個實施例提供的 懸臂梁式光纖光柵加速度計結構的俯視圖。
從圖1和圖2可以看出，該懸臂梁式光纖光柵加速度計包括作為該
光纖光柵加速度計支撐結構的外殼1;用于固定懸臂梁3的支撐柱2，該 支撐柱2 —端固定連接于懸臂梁3，另一端固定連接于所述光纖光柵加速 度計的底側面；懸臂梁(3)，用作彈性原件；安裝于懸臂梁3上側兩端的 第一凸臺和第二凸臺4，用于水平固定光纖光柵5，且使光纖光柵5與懸 臂梁3具有一定的間隔；用于測量加速度的光纖光柵5，該光纖光柵5的 兩端分別固定于懸臂梁3上的第一凸臺和第二凸臺4上，其中一端平行于 懸臂梁3表面延伸穿過所述光纖光柵加速度計側壁上的孔7至所述光纖光 柵加速度計的外部；安裝于懸臂梁3下側一端的質量塊6，用于調整光纖 光柵加速度計的靈敏度和自振頻率。
如圖3和圖4所示，圖3為依照本發明第二個實施例提供的懸臂梁式 光纖光柵加速度計結構的側視圖，圖4為依照本發明第二個實施例提供的 懸臂梁式光纖光柵加速度計結構的俯視圖。懸臂梁3可以進一步作成相對 于支撐柱2對稱的結構，以提高傳感器的靈敏度，在這種結構中，懸臂梁 3的兩端分別固定有質量相同的質量塊6，用以調節光纖光柵加速度計的
靈敏度和自振頻率。
在上述兩種實施例提供的光纖光柵加速度計中，孔7位于光纖光柵加 速度計的側壁上，用于引出和固定光纖光柵5的尾纖。光纖光柵5平行于 懸臂梁3，不與懸臂梁3接觸，通過第一凸臺和第二凸臺4固定在懸臂梁 3上。光纖光柵5中具有一定的初始拉應力。
質量塊6、第一凸臺或第二凸臺4的質量遠大于懸臂梁3的質量，使 懸臂梁3和凸臺4的質量相對于質量塊6很小，可以忽略，用于減小光纖 光柵加速度計的非線性效應。
當該光纖光柵加速度計受到振動激勵時，所述懸臂梁3和質量塊6構 成一個彈簧-質量系統，質量塊6在垂直于懸臂梁3表面的方向起振，帶動 懸臂梁3產生一定的撓度，從而引起引起第一凸臺與第二凸臺之間的距離 發生變化。由于光纖光柵5的兩端分別固定在兩個凸臺4上，從而懸臂量3的振動使得光纖光柵5中產生和振動頻率一致的周期性變化的軸向應 力。對于光纖光柵，其反射波長的變化量與所受軸向應力成正比，故通過 檢測波長的變化量可以得到外界振動加速度的大小
另外，由于質量塊6的質量將對加速度計的靈敏度和自振頻率產生顯
著的影響，故可以通過調節質量塊6的質量來改變傳感器的靈敏度和自振 頻率。懸臂梁3的剛度同樣可以決定傳感器的靈敏度和自振頻率，故改變 懸臂梁3的材料和結構參數亦可以改變傳感器的靈敏度和自振頻率。因此， 光纖光柵加速度計通過調節質量塊6的質量或改變懸臂梁3的材料和結構 參數來改變光纖光柵加速度計的靈敏度和自振頻率。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行 了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而 己，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1、 一種懸臂梁式光纖光柵加速度計，其特征在于，該光纖光柵加速度計包括作為該光纖光柵加速度計支撐結構的外殼(1)；用于固定懸臂梁(3)的支撐柱(2)，該支撐柱(2)一端固定連接于懸臂梁(3)，另一端固定連接于所述光纖光柵加速度計的底側面；懸臂梁(3)，用作彈性原件；安裝于懸臂梁(3)上側兩端的第一凸臺和第二凸臺(4)，用于水平固定光纖光柵(5)，且使光纖光柵(5)與懸臂梁(3)具有一定的間隔；用于測量加速度的光纖光柵(5)，該光纖光柵(5)的兩端分別固定于懸臂梁(3)上的第一凸臺和第二凸臺(4)上，其中一端平行于懸臂梁(3)表面延伸穿過所述光纖光柵加速度計側壁上的孔(7)至所述光纖光柵加速度計的外部；安裝于懸臂梁(3)下側一端或兩端的質量塊(6)，用于調整光纖光柵加速度計的靈敏度和自振頻率。
2、 根據權利要求1所述的懸臂梁式光纖光柵加速度計，其特征在于， 所述孔(7)位于光纖光柵加速度計的側壁上，用于引出和固定光纖光柵(5)的尾纖。
3、 根據權利要求1所述的懸臂梁式光纖光柵加速度計，其特征在于， 所述光纖光柵(5)平行于懸臂梁(3)，具有有一定的初始拉應力。
4、 根據權利要求1所述的懸臂梁式光纖光柵加速度計，其特征在于， 所述質量塊(6)、第一凸臺或第二凸臺(4)的質量遠大于懸臂梁(3)的 質量，用于減小光纖光柵加速度計的非線性效應。
5、 根據權利要求1所述的懸臂梁式光纖光柵加速度計，其特征在于， 當該光纖光柵加速度計受到振動激勵時，所述懸臂梁(3)和質量塊(6) 構成一個彈簧-質量系統，質量塊(6)在垂直于懸臂梁(3)表面的方向起 振，帶動懸臂梁(3)產生一定的撓度，引起第一凸臺與第二凸臺之間的 距離發生變化，懸臂量(3)的振動使得光纖光柵(5)中產生和振動頻率 一致的周期性變化的軸向應力。
6、根據權利要求1所述的懸臂梁式光纖光柵加速度計，其特征在于， 所述光纖光柵加速度計通過調節質量塊(6)的質量或改變懸臂梁(3)的 材料和結構參數來改變光纖光柵加速度計的靈敏度和自振頻率。
全文摘要
本發明涉及光纖傳感器技術領域，公開了一種懸臂梁式光纖光柵加速度計，包括作為該光纖光柵加速度計支撐結構的外殼；用于固定懸臂梁的支撐柱，該支撐柱一端固定連接于懸臂梁，另一端固定連接于所述光纖光柵加速度計的底側面；懸臂梁；安裝于懸臂梁上側兩端的第一凸臺和第二凸臺，用于水平固定光纖光柵，且使光纖光柵與懸臂梁具有一定的間隔；用于測量加速度的光纖光柵，其兩端分別固定于懸臂梁上的第一凸臺和第二凸臺上，其中一端平行于懸臂梁表面延伸穿過所述光纖光柵加速度計側壁上的孔至所述光纖光柵加速度計的外部；安裝于懸臂梁下側一端或兩端的質量塊，用于調整光纖光柵加速度計的靈敏度和自振頻率。本發明提高了靈敏度，改進了封裝工藝。
文檔編號G01P15/00GK101285845SQ20071006532
公開日2008年10月15日 申請日期2007年4月11日 優先權日2007年4月11日
發明者劉育梁, 張文濤, 芳 李 申請人:中國科學院半導體研究所