一種懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作方法與流程
本發明涉及光纖光柵應用技術領域，具體而言是一種懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作方法。
背景技術：
光纖光柵傳感技術具有靈敏度高、復用簡單、抗電磁干擾、無源等特性，在加速度傳感器領域倍受青睞。目前，大多數光纖光柵加速度傳感器利用機械結構進行增敏，將加速度的變化轉化為光纖光柵上的波長變化，再通過光柵解調儀還原傳感信息。如專利“一種懸臂梁式光纖光柵加速度計”(申請號：200710065321.X)、“基于懸臂梁撓度的光纖光柵加速度計”(申請號：200710065322.X)、“雙等強度懸臂梁光纖光柵振動傳感器”(申請號：201010285791.9)、“一種雙懸臂梁光纖光柵加速度傳感器”(申請號：201310092296.X)等都采用了懸臂梁式的機械結構，將加速度或振動轉化為光柵的波長變化后再進行檢測。但相關專利多側重于加速度傳感器結構的創新，較少考慮傳感器的制作方法，而在實際工程中，更多關注的是傳感器的技術指標能否符合工程需求，以及能否根據監測對象的具體要求，靈活調節傳感器的技術參數，提供最佳的性能指標，如靈敏度、工作頻率等。例如，在泥石流地聲監測系統中，泥石流地聲的顯著頻率低于200Hz，最小振動的加速度幅度在0.2m/s2左右，屬于低頻微弱振動信號的范疇，接近傳統單光柵懸臂梁式加速度傳感器的靈敏度極限。傳統的方法是選擇確定結構方案后，先對該結構進行理論計算和軟件仿真，獲取懸臂梁結構的臂長、質量塊的大小等參數，再通過精密機械加工出各個零件，進行結構組裝。但實際制作過程中，由于光纖光柵應變誤差、機械零件的加工誤差、結構裝配誤差等的影響，裝配后傳感器的參數會偏離設計值，嚴重時甚至無法使用，需要進行返工維修。但由于光纖光柵極易損傷，且多采用環氧樹脂與機械結構粘接，維修拆卸時極容易造成光柵損壞，且傳感器多設計成半封閉結構，內部空間狹窄，維修加工和處理非常困難。因此，研究懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作新方法，對提高傳感器的性能和合格率非常關鍵。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有技術的不足，而提供一種懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作方法，該方法簡化了懸臂梁光纖光柵加速度傳感器的設計，降低了傳感器的制作難度，大幅提高傳感器的性能和合格率。
本發明所采用的技術方案是：
一種懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作方法，該加速度傳感器包括基座、彈簧片、質量塊、側蓋、光纖光柵；
制作步驟如下：
步驟1：在質量塊左右兩個側面的中心位置對稱加工有配重孔，在基座和質量塊上加工有卡槽，彈簧片的一端與基座的卡槽過盈配合連接，彈簧片的另一端與質量塊卡槽過盈配合連接，并通過激光焊接加固；；
步驟2：將帶尾纖的光纖光柵從基座的引入孔導入，所述光纖光柵的一端點膠固定在引入孔上，所述光纖光柵的另一端水平牽引到質量塊的上沿，然后點膠固定；光纖光柵的尾纖再懸空回繞到質量塊的下沿，經基座的引出孔導出并點膠固定，保持回繞尾纖的自由松弛狀態；
步驟3：將傳感裝置放置在振動臺上，光纖光柵的尾纖的一端接入解調設備，光纖光柵的尾纖的另一端浸入匹配液，實時監測振動臺的輸入和光柵反射信號的波長變化，確定傳感裝置的諧振頻率點和靈敏度；
步驟4：當傳感裝置的諧振頻率點低于設計值，通過對質量塊側面的配重孔擴孔，減輕質量塊重量，提高諧振點的頻率；當傳感裝置的諧振頻率點高于設計值，通過在配重孔點膠來增加質量塊的重量，降低諧振頻率，提高靈敏度；
步驟5：將傳感裝置老化后，裝配側蓋，點膠密封；
通過上述步驟，完成懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作。
所述步驟3中，固定設置振動臺的加速度值，在0Hz到1.5倍的最大允許工作頻率范圍內，以一定的增量調節振動臺激振信號的頻率，記錄加速度傳感器對應的波長偏移量；標定最大波長偏移對應的頻率為諧振頻率點，波長偏移/加速度的曲線擬合斜率為靈敏度。經典的懸臂梁傳感器諧振頻率一半高于工作頻率1.5～3倍，以降低傳感器自身特性對被測量影響。在光纖加速度傳感器中，考慮光纖應變幅度較小，可以適當降低加速度傳感器的諧振頻率！當振動臺加速度大小不變，而頻率逐步調節時，處于諧振點的激勵信號，由于與傳感器發生共振，在懸臂梁上產生最大作用力，從而形成最大波長變化，而其它點波長變化相對較小，因此，可以根據該規律來標定傳感器的諧振頻率點。而其他遠離諧振諧振頻率點位置上，傳感器自身影響較小，光柵波長變化與加速度直接相關，故可作為靈敏度計算的依據。
所述光纖光柵2基于G.657的抗彎光纖刻寫，裸光柵區域采用小彈性模量的高分子樹脂材料超薄涂覆，涂覆后的直徑為135um～140um，柵區長度30mm。考慮光纖粘接和回彎過程中極易導致光功率損耗，采用G.657抗彎光纖刻寫光柵，累積插入損耗小于0.3dB，提高了傳感器的可復用數量；柵區采用小彈性模量的高分子樹脂材料超薄涂覆，既有效避免了水汽的滲透，延長了傳感器的使用壽命，又確保了外力有效作用于光柵部分，提升了傳感器的靈敏度。
本發明一種懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作方法，優點在于：
⑴、簡化了加速度傳感器的設計和加工要求：
懸臂梁結構采用分體組合方式設計，彈簧片和質量塊單獨加工，避免了一體化設計導致的加工困難；懸臂采用專用的彈性金屬材料制作(如65Mn)，用料少，熱處理方便，殘余應力小；質量塊形狀規則，有利于通過精密機械加工來控制質量塊的重量。
⑵、傳感器的靈敏度高，插入損耗小：
通過精確的參數配置，優化傳感器的工作頻率，大幅提升懸臂梁光柵傳感器的靈敏度；考慮光纖粘接和回彎過程中極易導致光功率損耗，采用G.657抗彎光纖刻寫光柵，累積插入損耗小于0.3dB；柵區采用小彈性模量的高分子樹脂材料超薄涂覆，既有效避免了水汽的滲透，延長了傳感器的使用壽命，又確保了外力有效作用于光柵部分，提升了傳感器的靈敏度。
⑶、操作方法簡單靈活，實用性強：
在實際制作過程中，由于光纖光柵應變誤差、機械零件的加工誤差、結構裝配誤差等的影響，傳感器的關鍵技術指標會偏離設計值。
傳統的光纖光柵懸臂梁加速度傳感器在優化技術指標時，往往需要加工多個不同規格的質量塊，采用逐一替換的方法裝配成加速度傳感器后，再逐一進行測試，制作周期長，合格率低。而對于不合格的傳感器，由于環氧樹脂固化后剝離困難，且傳感器空間狹小，返工維修廢品率高。
而本發明通過在質量塊上設計專用的配重孔，通過簡單機械加工或注膠進行配重，可改變加速度傳感器的靈敏度和頻率范圍，為靈活調節傳感器的技術指標提供了方便。
附圖說明
圖1為本發明中懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的結構示意圖。
圖2為本發明中懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器等效原理圖。
圖3為本發明實施例中泥石流地聲監測的加速度傳感器的頻率特性圖。
圖中：1-基座，2-傳感光柵，3-彈簧片，4-質量塊。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的具體實施例作進一步的詳細描述：
本實施例所述的懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器，用于泥石流地聲監測。泥石流地聲是指泥石流爆發時，其攜帶大量泥、砂、礫石和水在運動過程中發生的碰撞與摩擦會造成地表振動。研究表明，泥石流地聲的顯著頻率在10～200Hz，典型強度在0.2m/s2左右，與火山爆發、地震等現象產生的地表振動信號有著明顯的區別。通過對泥石流地聲進行監測，在泥石流發生初期及時告警，可以有效避免或減輕泥石流災害所造成人員和財產損失。光纖光柵傳感器具有無源、抗干擾、復用能力強等特點，在地聲監測中具有明顯優勢，成為近年來研究的熱點。本實施例設計的光柵加速度傳感器應用于泥石流地聲監測，包括基座1、彈簧片3、質量塊4、側蓋和光纖光柵2。其中，基座1、彈簧片3、質量塊4通過機械配合連接和激光焊接后，構成懸臂梁結構；光纖光柵2與基座和質量塊4之間直接采用環氧樹脂點膠固定。傳感器的結構示意圖如圖1所示，理論模型如圖2所示。
彈簧片3的采用彈簧鋼制作，厚度0.2mm；基座和質量塊4上卡槽的開口大小為0.2mm，其中，彈簧片3與基座和質量塊4采用過盈配合連接，再通過激光焊接加固。
側蓋采用不銹鋼制作，與基座1側面采用間隙配合設計，側蓋和基座1裝配后，沿縫隙點環氧樹脂膠密封。
本發明所述的一種懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器，制作方法包括如下步驟：
⑴、在質量塊4的左右兩個側面的中心位置，對稱加工有配重孔，配重孔的直徑φ1.5mm，深度1mm，在基座和質量塊4上加工有卡槽。彈簧片3的一端與基座的卡槽過盈配合連接，彈簧片3的另一端與質量塊4的卡槽過盈配合連接，采用激光對連接部位加固焊接后，構成懸臂梁結構。
⑵、將帶尾纖的光纖光柵2從基座的引入孔導入，光纖光柵2的一端點膠固定在引入孔上，光纖光柵2的另一端水平牽引到質量塊4的上沿并保持50N預張力，然后點膠固定，尾纖再懸空回繞到質量塊4的下沿，經基座的引出孔導出，在點膠固定，保持回繞尾纖的自由松弛狀態。
⑶、將傳感裝置放置在振動臺上，尾纖的一端接入解調設備，解調設備為CCD快速波長解調儀，另一端侵入匹配液：無水酒精，實時監測振動臺的輸入和光柵反射信號的波長變化，確定傳感裝置的諧振頻率點和靈敏度。
固定設置振動臺的加速度值，在10Hz到400Hz的范圍內，以10Hz的增量調節振動臺激振信號的頻率，記錄加速度傳感器對應的波長偏移量。標定最大波長偏移對應的頻率為諧振頻率點，如圖3中的310Hz，波長偏移/加速度的曲線擬合斜率為靈敏度。
⑷、當傳感器的諧振頻率點低于設計值，通過對質量塊4側面的配重孔擴孔，減輕質量塊4重量，提高諧振點的頻率。
⑸、當傳感器的諧振頻率點高于設計值，通過在配重孔點膠來增加質量塊4的重量，降低懸臂梁加速度傳感器的諧振頻率，提高傳感器的靈敏度。
⑹將傳感器老化后，裝配側蓋，點膠密封。
本發明所涉及的光纖光柵基于G.657的抗彎光纖刻寫，裸光柵區域采用小彈性模量的高分子樹脂材料超薄涂覆，涂覆后的直徑為135um～140um，柵區長度30mm。由于光柵涂覆層減薄，且對應變的抵抗力小，單位應變力作用下，光纖的應變提升近2倍，光纖光柵加速度傳感器的靈敏度提升2倍左右。
光柵加速度傳感器的優化原理如下：
分析圖2中光纖光柵加速度傳感器的理論模型可知，當基座受外界振動信號作用向上運動時，質量塊4受激振力Fa的作用，使彈片產生變形，同時受光纖的拉力Ff作用。則質量塊4的受力可以簡化為垂直向上的力Fa和順時針旋轉力矩M＝Ff*d的共同作用，其中d為光纖粘接點與彈片焊接點之間的距離。
根據材料力學中等截面懸臂梁彎曲變形的分析，彈片近似變形擾度ω為：
其中，l為彈片的有效長度；E為彈性模量；I為慣性矩。
當質量塊4到達偏離水平的最遠位置，且光纖長度遠大于懸臂梁長度及質量塊4厚度時，光纖的拉伸量ΔL可以表示為：
其中，L為光纖的原始長度。由材料力學可知，在彈性變形范圍內，光纖上的軸向受力可用如下公式表示：
其中，A為光纖的有效截面積，σ為軸向應變，Ef為軸向彈性模量。
聯立(1)～(3)，帶入光柵波長偏移與應變的關系ΔλB＝(1-Pε)λBε，可得到傳感器的靈敏度S為：
其中，Pε為軸向泊松參數，λB為光柵的布拉格波長，m為質量塊的質量，d為質量塊高度的一半。
式(4)可以看出，在傳感器的結構參數確定后，加速度的大小與FBG的波長變化量有嚴格的線性關系。
根據懸臂梁加速度傳感器的理論分析可知，傳感器的一階諧振頻率為：
綜合分析(4)、(5)式可知，對于這種特定結構的光纖加速度傳感器，質量塊大小與傳感器的靈敏度成正比，與固有頻率的平方成反比；彈性體的長度與靈敏度成近似的正比，和固有頻率平方根成反比。通過調節彈性體的長度和質量塊的大小，可以優化設計加速度傳感器的靈敏度和固有頻率。
泥石流地聲的顯著頻率低于200Hz，強度約0.2m/s2，這對光纖光柵傳感器提出了很高的要求。為了獲得較高的靈敏度，傳統的方法是提高波長解調儀的解調精度，即提高光纖光柵解調設備的波長分辨率，這會導致解調設備成本的大幅度攀升，降低解調的實時性。目前，采用CCD解調的方案，波長分辨率1pm，折算成加速度傳感器的靈敏度為最低20pm/g。為了確保對地聲信號的有效監測，工程設計中傳感器的靈敏度要高于200pm/g，諧振頻率點不低于300Hz即可。通過機械設計和仿真分析后，設計出加速度傳感器的零件理論尺寸，再加工試樣。但實際加工制作時，由于光纖光柵應變誤差、機械零件的加工誤差、結構裝配誤差等的影響，裝配后傳感器的諧振頻率點會偏離設計值，即頻率或者靈敏度不能滿足傳感器的設計指標要求，造成產品不達標或者報廢。
基于本發明的制作方法，將傳感器進行組裝后，在振動臺上進行校準，如果傳感器的諧振頻率是1200Hz，而靈敏度是150pm/g，即傳感器的靈敏度低于設計指標的下限時，應該提高傳感器的靈敏度，優化傳感器的工作頻率范圍。具體而言，通過在質量塊4的配重孔中適量點膠，增加質量塊4的重量。按照公式(5)的描述，隨著質量塊4重量的增加，傳感器的諧振頻率會快速下降。因此，在點膠配重時，需要實時監控傳感器的諧振頻率。當傳感器的諧振頻率降低到310Hz附近，停止點膠增重，對配重孔的膠進行固化，穩定質量塊的重量。再對傳感器的靈敏度進行標定，實測傳感器的靈敏度在300pm/g，與理論預期基本一致。在批量生產加速度傳感器時，為了簡化操作，可將質量塊的尺寸按照下公差加工，確保質量塊的重量小于或等于設計值，使裝配后的傳感器諧振略高于設計頻率，再采取點膠的方式增加配重來調校頻率，提高靈敏度，從而避免通過機械加工減重的方法來優化傳感器。
應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。
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