伺服式光纤布拉格光栅加速度传感器

摘要

本发明涉及一种伺服式加速度传感器。伺服式光纤布拉格光栅加速度传感器，其特征在于：外壳由软磁材料制成，圆筒形检测质量块套在圆柱形永久磁体外，圆筒形检测质量块由弹性悬臂梁固定在外壳上；圆筒形检测质量块的外面缠绕有多匝磁力驱动线圈，磁力驱动线圈的两端与设在外壳上的反馈电流输入端口相连；弹性悬臂梁的表面牢固地粘贴有一个光纤布拉格光栅，光纤的一端与设置在外壳上的光纤接头相连，光纤的另一端与光纤布拉格光栅的输入端相连。通过光纤布拉格光栅测量悬臂梁应变，获得检测质量的位移信息，然后，利用伺服控制技术，平衡惯性力，测量物体运动的加速度。本发明结构简单、低频特性好、测试精度和灵敏度高、不易受电磁辐射干扰。

权利要求

1.伺服式光纤布拉格光栅加速度传感器，其特征在于：它包括振动位移传感器和伺服反馈控制装置；振动位移传感器包括外壳(1)、圆筒形检测质量块(3)、光纤(6)、光纤接头(7)、光纤布拉格光栅(8)、弹性悬臂梁(9)；

伺服反馈控制装置包括圆柱形永久磁体(2)、磁力驱动线圈(4)、下永久磁体调整螺栓(5)、上永久磁体调整螺栓(11)；

外壳(1)由软磁材料制成，圆筒形检测质量块(3)套在圆柱形永久磁体(2)外，圆柱形永久磁体(2)和圆筒形检测质量块(3)位于外壳(1)内；下永久磁体调整螺栓(5)的上端部穿过外壳(1)上的下螺栓孔后旋入圆柱形永久磁体(2)下端的螺纹孔中，上永久磁体调整螺栓(11)的下端部穿过外壳(1)上的上螺栓孔后旋入圆柱形永久磁体(2)上端的螺纹孔中，圆筒形检测质量块(3)由弹性悬臂梁(9)固定在外壳(1)上；圆筒形检测质量块的外面缠绕有多匝磁力驱动线圈(4)，磁力驱动线圈的两端与设在外壳(1)上的反馈电流输入端口(10)相连；弹性悬臂梁(9)的表面牢固地粘贴有一个光纤布拉格光栅(8)，光纤(6)的一端与设置在外壳(1)上的光纤接头(7)相连，光纤(6)的另一端与光纤布拉格光栅(8)的输入端相连；

通过加载反馈电流到磁力驱动线圈中，使质量块在惯性力和磁力的作用下保持平衡，通过对反馈电流的测量得到固定于传感器外壳上物体运动的加速度。

2.根据权利要求1所述的伺服式光纤布拉格光栅加速度传感器，其特征在于：所述弹性悬臂梁(9)的个数为四个，四个弹性悬臂梁(9)分别对应与圆筒形检测质量块(3)的左上端、右上端、左下端、右下端相连，且四个弹性悬臂梁(9)位于同一铅直平面内。

说明书

伺服式光纤布拉格光栅加速度传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的伺服式加速度传感器。

背景技术

[0002] 加速度传感器是用于测量物体运动加速度的一种装置，广泛地应用于地球物理勘探、地震测量、交通运输、航空航天等领域。

[0003] 加速度传感器是利用惯性原理进行工作的。通常有两种测量物体运动加速度的方法：

[0004] (1)通过测量物体相对于惯性检测质量的位移或速度，并对其进行导数运算而得到加速度。

[0005] (2)通过测量随被测物体一起运动的惯性检测质量所受到的惯性力的大小来获得物体运动的加速度。

[0006] 加速度传感器的种类繁多，从纯机械式逐渐发展到液浮、磁悬浮和气浮式，以及后来的挠性、激光、压电晶体谐振式等。不同类型的加速度计具有各自的优点和不足，如电容式的加速度计，具有温度系数小、稳定性好、灵敏度高的优点，但是缺点是加工精度要求太高且信号处理电路复杂；压电式加速度计具有频带响应宽和灵敏度高的特点，但是压电材料极化产生的是直流电荷，在低频的时候难以进行压电测量，影响传感器的低频特性。总体来看，加速度传感器性能的优劣，关键要看其在低频段的响应情况，然而，要获取物体作低频运动时的加速度是非常困难的，必须采用新的原理、特殊的方法和技术，保证其在低频段有良好的加速度响应曲线。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种结构简单、低频特性好、测试精度和灵敏度高、不易受电磁辐射干扰的伺服式光纤布拉格光栅加速度传感器。

[0008] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是：伺服式光纤布拉格光栅加速度传感器，其特征在于：它包括振动位移传感器和伺服反馈控制装置；振动位移传感器包括外壳1、圆筒形检测质量块3、光纤6、光纤接头7、光纤布拉格光栅8、弹性悬臂梁9；

[0009] 伺服反馈控制装置包括圆柱形永久磁体2、磁力驱动线圈4、下永久磁体调整螺栓5、上永久磁体调整螺栓11；

[0010] 外壳1由软磁材料制成，圆筒形检测质量块3套在圆柱形永久磁体2外，圆柱形永久磁体2和圆筒形检测质量块3位于外壳1内；下永久磁体调整螺栓5的上端部穿过外壳1上的下螺栓孔后旋入圆柱形永久磁体2下端的螺纹孔中，上永久磁体调整螺栓11的下端部穿过外壳1上的上螺栓孔后旋入圆柱形永久磁体2上端的螺纹孔中，圆筒形检测质量块
3由弹性悬臂梁9固定在外壳1上；圆筒形检测质量块的外面缠绕有多匝磁力驱动线圈4，磁力驱动线圈的两端与设在外壳1上的反馈电流输入端口10相连；弹性悬臂梁9的表面牢固地粘贴有一个光纤布拉格光栅8，光纤6的一端与设置在外壳1上的光纤接头7相连，光纤6的另一端与光纤布拉格光栅8的输入端相连。

[0011] 所述弹性悬臂梁9的个数为四个，四个弹性悬臂梁9分别对应与圆筒形检测质量块3的左上端、右上端、左下端、右下端相连，且四个弹性悬臂梁9位于同一铅直平面内。

[0012] 本发明的有益效果是：1、结构简单；利用悬臂梁的隔振作用使圆筒形检测质量块3成为一个绝对静止的参考系，当传感器外壳沿轴向振动时，由于质量块的惯性，悬臂梁弯曲产生应变，使牢固地粘贴在悬臂梁表面的光纤布拉格光栅的光纤常数发生变化，这样反射光的中心波长漂移就与圆筒形检测质量块的轴向位移建立了关系；与此同时测量轴向位移的大小和方向，并输出反馈电流，产生一个作用于圆筒形检测质量块上与惯性力方向相反的力，使得圆筒形检测质量块与外界振动物体保持相对静止。通过测量反馈控制电流的大小就可以确定外壳振动加速度的大小。

[0013] 2、采用光纤布拉格光栅进行位移传感可提高圆筒形检测质量块相对位移的测量精度和灵敏度，其次，由于加入了反馈控制环节，圆筒形检测质量块始终与外壳基本保持相对静止状态，与其它类型的加速度传感器相比，本发明动态响应范围大，低频特性好、测试精度和灵敏度高、不易受电磁辐射干扰，适用于铁路、桥梁、核电站、水坝和大型建筑物的振动测量。

附图说明

[0014] 图1是本发明伺服式光纤布拉格光栅加速度传感器的结构示意图。

[0015] 图2是位移信号提取与处理和反馈控制系统的原理框图。

[0016] 图中：1-外壳，2-圆柱形永久磁体，3-圆筒形检测质量块，4-磁力驱动线圈，5-下永久磁体调整螺栓，6-光纤，7-光纤接头(FC/APC)，8-光纤布拉格光栅(FBG)，9-弹性悬臂梁，10-反馈电流输入端口，11-上永久磁体调整螺栓。

具体实施方式

[0017] 如图1所示，伺服式光纤布拉格光栅加速度传感器，它包括振动位移传感器和伺服反馈控制装置(在单片机或DSP智能控制下，完成光纤光栅解调、位移测量和力平衡控制任务)；振动位移传感器包括外壳1、圆筒形检测质量块3、光纤6、光纤接头(FC/APC)7、光纤布拉格光栅(FBG)8、弹性悬臂梁9；

[0018] 伺服反馈控制装置包括圆柱形永久磁体2、磁力驱动线圈(或称线圈)4、下永久磁体调整螺栓5、上永久磁体调整螺栓11；

[0019] 外壳1由软磁材料制成(框架结构)，圆筒形检测质量块3套在圆柱形永久磁体2外(圆筒形检测质量块3可在圆柱形永久磁体2外沿轴线上下运动)，圆柱形永久磁体2和圆筒形检测质量块3位于外壳1内(在外壳1、圆柱形永久磁体2之间产生沿圆柱体径向的磁场，在一定的半径处的圆周上磁场是均匀的)；下永久磁体调整螺栓5的上端部穿过外壳1上的下螺栓孔后旋入圆柱形永久磁体2下端的螺纹孔中，上永久磁体调整螺栓11的下端部穿过外壳1上的上螺栓孔后旋入圆柱形永久磁体2上端的螺纹孔中(圆柱形永久磁体2的上下两端开有对称的螺纹孔；通过调节下永久磁体调整螺栓5、上永久磁体调整螺栓11，可调整圆柱形永久磁体2相对圆筒形检测质量块3的位置，即圆柱形永久磁体2的上下位置可调整，调整高度)，圆筒形检测质量块3由弹性悬臂梁9固定(如焊接)在外壳1上；
圆筒形检测质量块的外面缠绕有多匝磁力驱动线圈4(具体匝数根据需要确定，如300-400匝)，磁力驱动线圈的两端与设在外壳1上的反馈电流输入端口10相连；弹性悬臂梁9的表面固定粘贴有一个光纤布拉格光栅(FBG)8，光纤6的一端与设置在外壳1上的光纤接头(FC/APC)7相连，光纤6的另一端与光纤布拉格光栅8的输入端相连(一束宽频激光从光纤布拉格光栅的输入端注入)；反馈电流输入端口10与位移信号提取与处理和反馈控制系统的反馈电流驱动器相连，光纤接头7通过光纤耦合器与位移信号提取与处理和反馈控制系统的内置宽频激光器及光纤解调器相连。

[0020] 所述弹性悬臂梁9的个数为四个，四个弹性悬臂梁9分别对应与圆筒形检测质量块3的左上端、右上端、左下端、右下端相连，且四个弹性悬臂梁9位于同一铅直平面内(如图1所示，四个弹性悬臂梁9对称分布，相对于圆筒形检测质量块3的轴线对称分布，分别为左上弹性悬臂梁、右上弹性悬臂梁、左下弹性悬臂梁、右下弹性悬臂梁，大小、规格、材质相同；弹性悬臂梁9不仅起支撑圆筒形检测质量块3的作用，更重要的是它们相当于四根弹簧，起着隔振作用)。四个弹性悬臂梁9要求规格一致，材质均匀，弹性好，安装时要使四根悬臂梁保持在一个铅直平面内，圆筒形检测质量块3对四根悬臂梁成对称分布，保证四根悬臂梁应力和应变的变化基本一致。弹性悬臂梁9的宽度和厚度依据圆筒形检测质量块3和磁力驱动线圈4的质量而定。

[0021] 为了保证均匀磁场分布，要求圆柱形永久磁体2与外壳1之间的距离要小，仅需保证磁力驱动线圈4在其中能够自由运动即可。两个永久磁体调整螺栓可以上下调整永久磁体的位置，保证磁场均匀分布，减小漏磁和边缘效应。

[0022] 如图2所示，位移信号提取与处理和反馈控制系统包括反馈电流驱动器、输出电流控制器、单片机(或DSP)、液晶显示器、宽频激光器、光纤、光纤耦合器、光纤光栅解调器、前置放大器、AD转换器，反馈电流驱动器的输出端与外壳1上的反馈电流输入端口10相连，反馈电流驱动器的输入端与输出电流控制器的输出端相连，输出电流控制器的输入端与单片机(或DSP)的电流控制端口相连，单片机(或DSP)上设有RS232接口，单片机(或DSP)上的显示输出端口与液晶显示器相连；宽频激光器的电路控制端与单片机(或DSP)的一个输出端口相连，宽频激光器的输出端由光纤经光纤耦合器后与外壳1上的光纤接头7相连，光纤耦合器的另一端口与光纤光栅解调器的输入端相连，光纤光栅解调器的输出端与前置放大器的输入端相连，前置放大器的输出端与AD转换器的输入端相连，AD转换器的输出端与单片机(或DSP)的一个输入端口相连。

[0023] 加速度传感器的位移测量是通过悬臂梁和光纤来实现的。采用四个弹性悬臂梁支撑一个圆筒形检测质量块，使其能够沿圆筒轴线上下自由运动，四个弹性悬臂梁起着四个柔软弹簧作用，它们和圆筒形检测质量块一起构成一个弹簧振子系统；在圆筒形检测质量块的外面缠绕有多匝磁力驱动线圈，圆筒形检测质量块和磁力驱动线圈一起被置于一个由永久磁体产生的均匀磁场中。在其中一个弹性悬臂梁的表面的适当位置上固定粘贴一个光纤布拉格光栅(FBG)，一束宽频激光从光纤布拉格光栅的输入端注入，并在光纤布拉格光栅处形成一个特定波长(称为中心波长)光的反射。当传感器的磁性外壳(框架)和圆柱形永久磁体一起随被测量的物体运动时，由于惯性和四根弹性悬臂梁9的隔振作用，圆筒形检测质量块3对外界保持静止；此时，弹性悬臂梁9将发生了弯曲形变，固结在弹性悬臂梁9表面的光纤布拉格光栅的将会受到拉伸(或压缩)而产生应变，导致其光栅常数发生变化，从而使注入激光经光纤光栅反射后的中心波长产生漂移。由于圆筒形检测质量块3固定在悬臂梁的末端，其在竖直方向位移量与悬臂梁上光纤布拉格光栅粘贴处的应变有确定的关系，由于牢固粘结，悬臂梁与光纤布拉格光栅的应变相同，因此，经过定标，反射光的中心波长漂移量与圆筒形检测质量块3位移量之间有一一对应关系。采用光纤光栅解调仪测量反射激光中心波长的漂移量就可以获得圆筒形检测质量块3相对于外壳(传感器框架)1的位移量。

[0024] 其次，根据相对位移量的大小和方向，单片机或DSP进行自动的分析和计算，通过输出电流控制器和反馈电流驱动器，产生一个适当的反馈电流，经反馈电流输入端口10送入磁力驱动线圈4，产生一个与圆筒形检测质量块3运动相反的磁力，并让磁力的大小与圆筒形检测质量块3受到的惯性力相等，保持圆筒形检测质量块3与外壳(传感器框架)1之间相对静止。通过测量反馈电流大小，即可间接求出圆筒形检测质量块的受力，从而得到物体(固定于传感器框架上)运动的加速度。

[0025] 为了测量物体运动的加速度，可将加速度传感器固定在物体上，以运动物体作为参照系(非惯性系)，由惯性定律，传感器框架相对于检测质量块的加速度就是物体运动的加速度，此时，质量块受到一个与物体(传感器框架)运动方向相反、其大小与物体运动加速度成正比的惯性力作用，测出惯性力即可得到物体运动的加速度。本发明采用伺服控制技术和力平衡的方法获得物体所受到的惯性力，即通过上述光纤布拉格光栅位移测量装置，实时获得检测质量块相对于传感器框架的位移，然后，通过一系列的信号处理和自动控制电路，加载一个反馈电流到缠绕在质量块上的线圈中，形成一个与惯性力大小相等、方向相反的磁力，使质量块在惯性力和磁力的作用下保持平衡，即质量块与传感器框架之间保持相对静止；质量块受到的磁力大小和方向是由反馈电流决定的，通过对反馈电流的测量就可以得到固定于传感器框架上物体运动的加速度。

[0026] 采用光纤布拉格光栅位移测量装置实时测量质量块的相对位移，并通过测量反馈电流来获得物体运动的加速度，这使该加速度传感器具有良好的线性度和很高的灵敏度。伺服控制技术和力平衡方法的应用保证质量块基本处于静止状态，从而保证该加速度传感器具有很好的低频特性和很宽的频带范围。