一種光纖光柵加速度傳感器及其制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種光纖光柵加速度傳感器及其制作方法，尤其涉及一種光纖光柵加 速度傳感器及其制作方法。
【背景技術】
[0002] 近幾年來，越來越多的工業應用中要求對振動加速度信號進行測量。加速度信號 的測量通常是利用慣性原理，通過感知慣性力所產生的位移或者應變而測得相應的加速 度。針對目前一些特殊應用領域，例如航空航天的制導系統、石油勘探的地震檢波系統、橋 梁建筑的結構檢測系統、交通情況監測系統等，急需具有抗電磁干擾、高靈敏度、大動態范 圍、易復用的高性能加速度傳感裝置。而基于光調制機理的光纖加速度傳感器在這些方面 展現了良好的應用前景，因此相對基于機電、壓電方法的傳統加速度傳感器，正在受到越來 越多的重視。
[0003] 一般地，光纖加速度傳感器主要包括強度調制型、相位調制型和波長調制型等幾 種調制類型。常見地，基于光纖懸臂梁結構的強度調制型加速度傳感器具有結構簡單、解調 易于實現、制作成本低等優點，但是通過懸臂梁的微彎變化進行光強度的調制，其檢測精度 和動態范圍不高。而基于光纖順變柱體結構的相位調制型加速度傳感器，利用順變柱體作 為彈性媒介，將加速度應變轉化為傳感光纖中光波的相位變化，因此能夠實現高精度、大動 態范圍的加速度信號檢測，但是由于順變柱體橡膠材料性能穩定性比較差，容易老化變形 且不耐高溫，導致傳感器的靈敏度一致性不好，此外，順變柱體的體積質量較大，不宜于傳 感器的小型化發展。光纖光柵波長調制型加速度傳感器是近幾年快速發展起來的一種加速 度傳感器，它具有靈敏度高、動態范圍大、體積小、結構簡單等特點，并且通過波長調制解調 方式，不僅可以避免光強起伏的影響，而且能夠在一根光纖上實現多個傳感器的復用，形成 分布式傳感網絡。
[0004] 光纖光柵波長調制型加速度傳感器的傳感機理是利用光柵作為核心元器件，通 過適當的信號轉換裝置，將加速度信號轉變為光纖光柵的應變信號，此應變信號會改變光 纖光柵的折射率調制周期和纖芯有效折射率，從而引起光纖光柵的反射或透射中心波長變 化，因此通過對光柵中心波長的檢測就能得出外界加速度信號。
[0005] 目前，光纖光柵波長調制型加速度傳感器主要有基于順變體和彈性梁兩種結構類 型，對于順變體結構的光柵加速度傳感器，由于傳感光柵是完全地包裹在順變體內，因此光 柵不僅對軸向應變很敏感，而且對橫向應變也很敏感，而橫向應變將導致光纖中的雙折射 現象，并使得傳感光柵的反射峰發生分裂，從而影響測量精度。對于彈性梁結構的光柵加速 度傳感器，為了避免彈性梁在受力振動時其上各處應變分布不均勻，所導致的埋在梁上的 光柵出現啁嗽現象，因此需要復雜的設計加工以保證彈性梁為等強度梁，此外，順變體和彈 性梁結構體積比較大，不易于小型化封裝。
[0006] 鑒于以上技術問題，有必要提供一種精度高、結構簡單、體積小的光纖光柵加速度 傳感器以克服以上技術缺陷。
【發明內容】
[0007] 本發明所要解決的技術問題是提供一種光纖光柵加速度傳感器及其制作方法，具 有結構緊湊、體積小、靈敏度一致性好、測量精度高的特點。
[0008] 本發明為解決上述技術問題而采用的技術方案是提供一種光纖光柵加速度傳感 器，包括質量塊、彈簧、光纖光柵以及固定底板，所述質量塊與固定底板上均開有安裝槽和 光纖通孔，所述安裝槽分別位于質量塊下表面與固定底板上表面的邊沿位置，所述光纖通 孔位于質量塊與固定底板的中心位置，且質量塊上表面與固定底板下表面的光纖通孔處分 別開有填膠槽；所述彈簧兩端分別安裝固定在質量塊與固定底板的安裝槽上；所述光纖光 柵位于彈簧的內部且其尾纖部分從質量塊和固定底板的光纖通孔中引出，所述填膠槽內灌 設有密封膠將光纖光柵兩端與質量塊和底板固定。
[0009] 上述的光纖光柵加速度傳感器，其中，所述質量塊、彈簧、光纖光柵外設有套筒，使 得質量塊與彈簧僅沿套筒軸線方向振動，所述套筒上端與頂蓋固定相連，所述套筒下端與 固定底板相連；所述頂蓋中心開設有光纖通孔，所述光纖光柵的尾纖由頂蓋中心處的光纖 通孔引出，并與外部高速波長解調單元相連。
[0010] 上述的光纖光柵加速度傳感器，其中，所述彈簧由碳素彈簧鋼絲繞制而成，所述質 量塊的形狀為圓柱體，材料為黃銅。
[0011] 上述的光纖光柵加速度傳感器，其中，所述圓柱體質量塊的直徑為12mm、厚度為 6mm ;所述套筒內徑為14mm、外徑為18mm、高度為30mm ;所述碳素彈簧鋼絲直徑為I. 6mm，彈 簧中徑為8mm，自由高度為18mm，有效圈數為5. 5圈，彈簧剛度為23N/mm〇
[0012] 上述的光纖光柵加速度傳感器，其中，所述光纖光柵包括普通單模光纖，所述普 通單模光纖上刻有切趾光柵，所述切趾光柵具有裸露包層，所述裸露包層的長度為20~ 30mm〇
[0013] 上述的光纖光柵加速度傳感器，其中，所述安裝槽的形狀為圓環形，其內徑為6_、 外徑為10mm、深度為1mm0
[0014] 上述的光纖光柵加速度傳感器，其中，所述光纖通孔直徑為1_，所述填膠槽的直 徑為5_、深度為I. 5_。
[0015] 本發明為解決上述技術問題還提供一種上述光纖光柵加速度傳感器的制造方法， 包括如下步驟：首先將彈簧的兩端分別安裝在質量塊與固定底板的安裝槽上，并在安裝槽 處灌入密封膠進行固化；然后將光纖光柵的尾纖，由下向上依次穿過固定底板、質量塊的光 纖通孔，使得光纖光柵中心大致位于彈簧的中心位置，并在固定底板、質量塊的填膠槽處灌 入密封膠進行固化，使得光纖光柵的兩端與質量塊和固定底板固定連接，從而整體形成一 個光纖光柵彈簧振子結構；接著剪去固定底板下端多余的光纖部分，將頂蓋和套筒上端相 連，構成光纖光柵加速度傳感器外殼；最后將光纖光柵的尾纖，從頂蓋的光纖通孔中引出， 并將上述光纖光柵彈簧振子裝入傳感器外殼內，將套筒下端與固定底板相連，從而完成整 個光纖光柵加速度傳感器的制作。
[0016] 上述的光纖光柵加速度傳感器的制造方法，其中，所述密封膠為環氧密封膠，在固 化過程中，光纖光柵始終加載有預應變，固化溫度為80°C，固化時間為30分鐘。
[0017] 上述的光纖光柵加速度傳感器的制造方法，其中，所述頂蓋通過螺紋方式擰入到 套筒內，所述套筒下端也通過螺紋與固定底板連接，螺紋上均涂覆有螺紋緊固膠。
[0018] 本發明對比現有技術有如下的有益效果：本發明提供的光纖光柵加速度傳感器及 其制作方法，由質量塊、彈簧、光纖光柵以及固定底板四部分組成彈簧振子結構，所述光纖 光柵位于彈簧的內部且其尾纖部分從質量塊和固定底板的光纖通孔中引出，從而整體形成 一個光纖光柵彈簧振子結構，具有結構緊湊、體積小、靈敏度一致性好、測量精度高的特點。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發明光纖光柵加速度傳感器結構示意圖；
[0020] 圖2為本發明的光纖光柵加速度傳感器中質量塊的結構示意圖；
[0021] 圖3為本發明的光纖光柵加速度傳感器中固定底板的結構示意圖；
[0022] 圖4為本發明的光纖光柵加速度傳感器波長變化曲線圖；
[0023] 圖5為本發明的光纖光柵加速度傳感器的加速度線性響應特性圖。
[0024] 圖中：
[0025] 1質量塊 2彈簧 3光纖光柵
[0026] 4固定底板 5套筒 6頂蓋
[0027] 7尾纖 8、9、10光纖通孔 11、12密封膠
[0028] 101、201 填膠槽 102、202 安裝槽
【具體實施方式】
[0029] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述。
[0030] 圖1為本發明光纖光柵加速度傳感器結構示意圖。
[0031] 請參見圖1，本發明提供的光纖光柵加速度傳感器，該彈簧振子結構由質量塊1、 彈簧2、光纖光柵3以及固定底板4四部分組成。所述質量塊1與固定底板4上均開有彈簧 安裝槽和光纖通孔，彈簧安裝槽分別位于質量塊1下表面與固定底板4上表面的邊沿位置。 如圖2所示，質量塊1上表面的中心位置開有光纖通孔9,質量塊上表面的光纖通孔9處開 有填膠槽101，質量塊1下表面的邊沿處開有彈簧安裝槽102。如圖3所示，固定底板4下 表面的中心位置開有光纖通孔10,固定底板下表面的光纖通孔10處開有填膠槽201，固定 底板4上表面的邊沿處開有安裝槽202。所述彈簧2為碳素彈簧鋼絲繞制而成，也可是根據 設計需要通過機械加工而成，彈簧2兩端分別安裝固定在質量塊1與固定底板4的安裝槽 上；所述光纖光柵3種類不限，包括均勻光纖光柵、相移光纖光柵、變跡光纖光柵、超結構光 纖光柵，光纖光柵3的尾纖部分從質量塊1和固定底板4的光纖通孔中引出，使得光纖光柵 3位于彈簧2的內部，通過在填膠槽處灌封膠的方式將光纖光柵3兩端與質量塊1和底板4 固定，從而整體形成一個光纖光柵彈簧振子結構。
[0032] 本發明提供的光纖光柵加速度傳感器，所述光纖光柵加速度傳感器進一步包括有 傳感器套筒5和頂蓋6,所述套筒5內壁光滑，其內徑比質量塊1外徑稍大，保證彈