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    重庆时时彩杀号chexu: 基于U型悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器.pdf

    关 键 词:
    基于 悬臂梁 结构 光纤 光栅 加速度 传感器
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    摘要
    申请专利号:

    CN201110088846.1

    申请日:

    2011.04.08

    公开号:

    CN102230820A

    公开日:

    2011.11.02

    当前法律状态:

    终止

    有效性:

    无权

    法律详情: 未缴年费专利权终止IPC(主分类):G01H 9/00申请日:20110408授权公告日:20120704终止日期:20150408|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01H 9/00申请日:20110408|||公开
    IPC分类号: G01H9/00 主分类号: G01H9/00
    申请人: 西北大学
    发明人: 乔学光; 翁银燕; 忽满利; 冯忠耀; 张敬花; 张菁; 周锐; 杨杨
    地址: 710069 陕西省西安市太白北路229号
    优先权:
    专利代理机构: 西安永生专利代理有限责任公司 61201 代理人: 申忠才
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201110088846.1

    授权公告号:

    |||102230820B||||||

    法律状态公告日:

    2016.06.01|||2012.07.04|||2011.12.14|||2011.11.02

    法律状态类型:

    专利权的终止|||授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    一种基于U型悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器,在壳体内的底板左侧设置有左支座、右侧设置有右支座,壳体的左端壁上加工有左通孔a、右端壁上加工有右通孔b,左支座上部和右支座上部设置有上端面与左通孔a和右通孔b的中心在同一平面内的杠杆,杠杆上端设置有光纤布拉格光栅,壳体内杠杆下方底板上设置有左支柱和右支柱,左支柱和右支柱之间设置有平膜片,平膜片上设置有上端与杠杆相联的质量块。本发明具有可视化观测里面的振动、体积小、频响范围宽、灵敏度高等优点,将本发明安装在管道上,结合光纤传感网络,可实现多个传感器的多点实时永久测量,可在油气管线上推广使用。

    权利要求书

    1.一种基于U型悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器,其特征在于:在壳体(1)
    内的底板(3)左侧设置有左支座(2)、右侧设置有右支座(10),壳体(1)的左
    端壁上加工有左通孔(a)、右端壁上加工有右通孔(b),左支座(2)上部和右支
    座(10)上部设置有上端面与左通孔(a)和右通孔(b)的中心在同一平面内的杠
    杆,杠杆上端设置有光纤布拉格光栅(11),壳体(1)内杠杆下方底板(3)上设
    置有左支柱(5)和右支柱(8),左支柱(5)和右支柱(8)之间设置有平膜片(7),
    平膜片(7)上设置有上端与杠杆相联的质量块(6)。
    2.按照权利要求1所述的基于U型悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器,其
    特征在于所说的杠杆为:在左支座(2)上端设置有左L形刚性悬臂梁(4),右支
    座(10)上部设置有右L形刚性悬臂梁(9),光纤布拉格光栅(11)的左端设置在
    左L形刚性悬臂梁(4)短臂上端面、右端设置在右L形刚性悬臂梁(9)短臂上端
    面,左L形刚性悬臂梁(4)的右端与右L形刚性悬臂梁(9)的左端通过设置在质
    量块(6)上端面的铰轴相联接。
    3.按照权利要求2所述的基于U型悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器,其
    特征在于:所说的左L形刚性悬臂梁(4)的短臂位于竖直平面内、长臂位于水平
    平面内,长臂与短臂在同一个平面内相垂直;所说的右L形刚性悬臂梁(9)的短
    臂位于竖直平面内、长臂位于水平平面内,长臂与短臂在同一个平面内相垂直。
    4.按照权利要求2或3所述的基于U型悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器,
    其特征在于:所说的左L形刚性悬臂梁(4)的短臂与长臂的长度比为1∶2~4;所
    说的右L形刚性悬臂梁(9)与左L形刚性悬臂梁(4)的形状相同、几何尺寸相同。
    5.按照权利要求1所述的基于U型悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器,其
    特征在于:所说的平膜片(7)为316L不锈钢平膜片,平膜片(7)的直径为15~
    25mm,厚度为0.02~0.06mm。
    6.按照权利要求1所述的基于U型悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器,其
    特征在于:所说的光纤布拉格光栅(11)的中心波长为1530~1550nm。

    说明书

    基于U型悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器

    技术领域

    本发明属于光纤传感器技术领域,具体涉及到一种用于对石油勘探中地震波加
    速度的幅值和振动频率实时检测的光纤光栅加速度传感器。

    背景技术

    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。作为一种新型的光无源器件,光纤光栅加速度传感器
    具有许多电磁类加速度传感器无法比拟的优点,如:用波长编码信号,便于构成分
    布式传感网络;能实现对现场的实时在线绝对测量;能在强电磁场中正常工作等。
    自1989年Morey首次报道将光纤光栅应用于传感器中以来,光纤光栅传感器受到
    了世界范围内的广泛重视,并且已经取得了持续和快速的发展。随着光纤光栅传感
    技术的发展以及人们在振动测试领域的不断探索,光纤光栅加速度传感器也成为了
    一个新的研究和发展的方向,并且已经成功应用于地震勘探、民用建筑、医疗、环
    保以及航空测试等方面。

    固有频率和灵敏度是加速度传感器的两个重要指标。灵敏度决定了加速度传感
    器分辨能力的大小,而固有频率则决定其适用的频率范围,这两个指标就决定了加
    速度传感器的使用领域,在设计加速度传感器时必须要加以充分考虑。但固有频率
    和灵敏度是一对矛盾的关系,固有频率的增加通常以牺牲灵敏度为代价,反之亦然,
    因此优化固有频率和灵敏度的关系一直是国内外研究者们关注的核心问题。1996
    年Berkoff等人提出的光纤光栅嵌入式加速度传感器的固有频率达到2000Hz,灵
    敏度系数为112με/g,但横向抗干扰能力差;2010年李川等人提出的基于等强度
    悬臂梁的光纤布拉格光栅低频加速度传感器的固有频率为16.96Hz,灵敏度系数为
    347.5pm/g,显然频率响应范围太狭窄,使用上受到限制。

    发明内容

    本发明所要解决的技术问题在于克服上述光纤光栅加速度传感器的缺点,提供
    一种设计合理、结构简单、固有频率和灵敏度优化的基于U型悬臂梁结构的光纤光
    栅加速度传感器。

    解决上述技术问题所采用的技术方案是:在壳体内的底板左侧设置有左支座、
    右侧设置有右支座,壳体的左端壁上加工有左通孔a、右端壁上加工有右通孔b,
    左支座上部和右支座上部设置有上端面与左通孔a和右通孔b的中心在同一平面内
    的杠杆,杠杆上端设置有光纤布拉格光栅,壳体内杠杆下方底板上设置有左支柱和
    右支柱,左支柱和右支柱之间设置有平膜片,平膜片上设置有上端与杠杆相联的质
    量块。

    本发明的杠杆为:在左支座上端设置有左形刚性悬臂梁,右支座上部设置有右
    L形刚性悬臂梁,光纤布拉格光栅的左端设置在左L形刚性悬臂梁短臂上端面、右
    端设置在右L形刚性悬臂梁短臂上端面,左L形刚性悬臂梁的右端与右L形刚性悬
    臂梁的左端通过设置在质量块上端面的铰轴相联接。

    本发明的左L形刚性悬臂梁的短臂位于竖直平面内、长臂位于水平平面内,长
    臂与短臂在同一个平面内相垂直。本发明的右L形刚性悬臂梁的短臂位于竖直平面
    内、长臂位于水平平面内,长臂与短臂在同一个平面内相垂直。

    本发明的左L形刚性悬臂梁的短臂与长臂的长度比为1∶2~4。本发明的右L
    形刚性悬臂梁与左L形刚性悬臂梁的形状相同、几何尺寸相同。

    本发明的平膜片为316L不锈钢平膜片,平膜片的直径为15~25mm,厚度为
    0.02~0.06mm。

    本发明的光纤布拉格光栅4的中心波长为1530~1550nm。

    本发明在粘贴光纤布拉格光栅时采取两点粘贴的方式,避免了完全粘贴光纤光
    栅时可能造成的光谱的啁啾化,当外界振动时质量块产生轴向振动并传递给平膜
    片,使平膜片中心产生挠度变化,同时由于U形杠杆的转动使光纤布拉格光栅产生
    轴向应变,导致布拉格波长发生漂移,根据杠杆原理光纤布拉格光栅的应力又会给
    平膜片传递一个反作用力使其产生挠度形变,从而建立光纤布拉格光栅应变量与平
    膜片的实际挠度之间的关系。由于光纤光栅的应变会导致布拉格波长的漂移,通过
    动态解调仪还原出振动信号得出光纤光栅中心波长的漂移量,从而可以得出外界振
    动信号的频率和加速度幅值的信息。经实验室实验表明,本发明的频率响应范围为
    0~80Hz,灵敏度系数为91.6pm/g,与同等尺寸的普通悬臂梁加速度传感器相比,
    具有可视化观测里面的振动、体积小、频响范围宽、灵敏度高等优点,将本发明安
    装在管道上,结合光纤传感网络,可实现多个传感器的多点实时永久测量,可在油
    气管线上推广使用。

    附图说明

    图1是本发明实施例1的结构示意图。

    图2是本发明实施例1的频谱图。

    图3是本发明实施例1的线性响应图。

    图4是本发明实施例1在输入的正弦波加速度为15m/s2频率为30Hz时的输出
    响应图。

    图5是本发明实施例1在输入的正弦波加速度为12m/s2频率为50Hz时的输出
    响应图。

    具体实施方式

    下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明,但本发明不限于这些实施
    例。

    实施例1

    在图1中,本实施例的基于U型悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器由壳体1、
    左支座2、底板3、左L型悬臂梁4、左支柱5、质量块6、平膜片7、右支柱8、
    右L型悬臂梁9、右支座10、光纤布拉格光栅11联接构成。

    本实施例的壳体1为圆筒形,在壳体1内的底板3上左侧用螺纹紧固件联接安
    装有左支座2、右侧用螺纹紧固件联接安装有右支座10,左支座2和右支座10的
    中心线垂直于底板3,左支座2和右支座10的高度相同,壳体1的左端壁上加工
    有供光纤布拉格光栅11穿过的左通孔a,壳体1的右端壁上加工有供光纤布拉格
    光栅11穿过的右通孔b,左通孔a和右通孔b的孔径相等,左通孔a和右通孔b
    在同一条与底板3平行的直线上。在左支座2顶部和右支座10顶部通过轴承安装
    有杠杆,杠杆的形状为U形,杠杆用于放大振动信号,本实施例的杠杆由安装在左
    支座2上端的左L形刚性悬臂梁4和安装在右支座10上端的右L形刚性悬臂梁9
    通过铰轴联接构成,左L形刚性悬臂梁4的短臂与右L形刚性悬臂梁9的短臂长度
    相等,为5mm,位于竖直平面内;左L形刚性悬臂梁4的长臂与右L形刚性悬臂
    梁9的长臂长度相等,为15mm,位于水平平面内;左L形刚性悬臂梁4长臂与短
    臂在同一个平面内相垂直,右L形刚性悬臂梁9的长臂与短臂在同一个平面内相垂
    直,左L形刚性悬臂梁4和右L形刚性悬臂梁9可绕铰轴转动,左L形刚性悬臂
    梁4和右L形刚性悬臂梁9的竖截面形状是长度大于宽度的长方形,杠杆上端面与
    左通孔a、右通孔b的中心线在同一水平直线上。光纤布拉格光栅11的左端用502
    胶粘贴在左L形刚性悬臂梁4短臂上端面,光纤布拉格光栅11的右端用502胶粘
    贴在右L形刚性悬臂梁9短臂上端面,也可用353ND胶粘贴光纤布拉格光栅11,
    还可用383胶粘贴光纤布拉格光栅11,本实施例的光纤布拉格光栅11由深圳太辰
    光通信有限公司生产,502胶由广东爱必达胶粘剂有限公司销售,353ND胶由深圳
    金润泽科技有限公司销售,383胶由深圳实力乐泰胶水有限公司销售,光纤布拉格
    光栅11的中心波长为1538.147nm,对光纤布拉格光栅11施加一定的预应力后,
    采取两点粘贴的方式,即将光纤布拉格光栅11的一端粘贴在左L形刚性悬臂梁4
    短臂的上端面,另一端粘接在右L形刚性悬臂梁9短臂的上端面,本实施例中光栅
    粘贴两点间的距离为30mm。由于本发明采用了U型结构的杠杆,大大提高了本发
    明的灵敏度。

    壳体1内左支座2与右支座10之间杠杆下方用螺纹紧固联接件固定联接有左
    支柱5和右支柱8,左支柱5和右支柱8的高度相等,本实施例的左支座2、右支
    座10、左支柱5、右支柱8、底板3以及壳体1均由金属铝制成。在左支柱5与右
    支柱8之间上部固定安装有平膜片7,本实施例的平膜片7为316L不锈钢平膜片,
    平膜片7的直径为20mm,厚度为0.05mm,平膜片7上用螺纹紧固联接件固定联接
    有质量块6,质量块6上端与左L形刚性悬臂梁4的右端和右L形刚性悬臂梁9的
    左端用绞轴相联,质量块6由黄铜制成,质量为5g,质量块6用于联接杠杆和平
    膜片7,起配重的作用,振动时质量块6受到的惯性力使平膜片7中心产生挠度,
    同时由于杠杆转动使得光纤布拉格光栅11的应变量变化,通过质量块6的振动以
    及杠杆的转动引起平膜片7的挠度变化,建立平膜片7的中心挠度与光纤布拉格光
    栅11应变的关系,通过解调光纤布拉格光栅11中心波长的变化量即可得出外界振
    动信号的频率和振动加速度幅值的信息。

    实施例2

    在本实施例中,左L形刚性悬臂梁4的短臂与长臂的长度比为1∶2,右L形刚
    性悬臂梁9的短臂与长臂的长度比为1∶2。其他零部件以及零部件的联接关系与实
    施例1相同。

    实施例3

    在本实施例中,左L形刚性悬臂梁4的短臂与长臂的长度比为1∶4,右L形刚
    性悬臂梁9的短臂与长臂的长度比为1∶4。其他零部件以及零部件的联接关系与实
    施例1相同。

    实施例4

    在以上的实施例1~3中,在左支柱5与右支柱8之间上部固定安装有平膜
    片7,平膜片7为316L不锈钢平膜片,平膜片7的直径为15mm,厚度为0.02mm。
    其他零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

    实施例5

    在以上的实施例1~3中,在左支柱5与右支柱8之间上部固定安装有平膜
    片7,平膜片7为316L不锈钢平膜片,平膜片7的直径为25mm,厚度为0.06mm。
    其他零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

    实施例6

    在以上的实施例1~5中,光纤布拉格光栅11的中心波长为1530nm,其他零
    部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

    实施例7

    在以上的实施例1~5中,光纤布拉格光栅11的中心波长为1550nm,其他零
    部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

    为了验证本发明的有益效果,发明人采用实施例1制备的基于U型悬臂梁结构
    的光纤光栅加速度传感器进行实验室研究试验,实验情况如下:

    实验仪器:振动台,型号为JZ-40,由北京波普公司生产;解调仪,型号为
    SM-130,由美国微光公司生产。

    1、频谱分析实验

    将本发明和标准电荷加速度传感器(型号为24108)采用螺杆固定在振动台上,
    控制输入正弦波的加速度为1g不变,采用逐步增加频率法,频率由10Hz升至400Hz。
    用动态解调仪测得每个输入频率下对应的传感器的正弦输出并找出波长峰峰值,实
    验结果见表1,用Excel软件进行拟合,表1中数据的拟合图见图2,由图2可得
    0Hz~80Hz为幅值平坦区域,80Hz~240Hz为共振区,240Hz以后为衰减区,故本
    发明的频率响应范围为0Hz~80Hz。

    表1本发明的光栅波长峰峰值随频率增加变化情况

    ??频率(Hz)
    ??波长峰峰值(nm)
    ??10
    ??1538.233
    ??30
    ??1538.233
    ??50
    ??1538.233
    ??70
    ??1538.233
    ??90
    ??1538.234
    ??110
    ??1538.235
    ??130
    ??1538.237
    ??150
    ??1538.24
    ??170
    ??1538.252
    ??180
    ??1538.262
    ??190
    ??1538.248
    ??200
    ??1538.238
    ??210
    ??1538.234
    ??230
    ??1538.231
    ??250
    ??1538.23
    ??300
    ??1538.23
    ??350
    ??1538.23
    ??400
    ??1538.23

    2、灵敏度分析实验

    将本发明和标准电荷加速度传感器(型号为24108)用螺杆固定在振动台上,
    控制输入正弦波的频率为50Hz不变,采用逐步增加加速度法,加速度由1m/s2升至
    30m/s2。用动态解调仪测得每个输入加速度下对应的传感器的正弦输出并找出波
    长峰峰值的漂移量,实验结果见表2,用Excel软件进行拟合,表2中数据的线性
    拟合图见图3,图3的拟合直线的斜率为9.16。由图3可知本发明的灵敏度为
    91.6pm/g。

    当输入的正弦波加速度为15m/s2频率为30Hz时,本发明的输出响应图见图4,
    由图4可知本发明的输出响应为正弦波,输出频率为30Hz,与输入频率一致。

    当输入的正弦波加速度为12m/s2频率为50Hz时,本发明的输出响应图见图5,
    由图5可知本发明的输出响应为正弦波,输出频率为50Hz,与输入频率一致。

    表2本发明的光栅波长峰峰值的漂移量随加速度增加变化情况

    ??加速度(m/s2)
    ??波长漂移量(pm)
    ??1
    ??7
    ??2
    ??15
    ??3
    ??20
    ??4
    ??31
    ??5
    ??38

    ??6

    ??50
    ??7
    ??57
    ??8
    ??61
    ??9
    ??80
    ??10
    ??91
    ??12
    ??102
    ??14
    ??127
    ??15
    ??136
    ??16
    ??140
    ??18
    ??165
    ??20
    ??180

    ??22

    ??192
    ??24
    ??220
    ??26
    ??225
    ??28
    ??258
    ??30
    ??265

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