一种多方向检测的光纤光栅加速度传感器

摘要

本发明公开了一种多方向检测的光纤光栅加速度传感器，该传感器可同时检测x、y、z三种不同方向的加速度大小。本发明是以一种封闭式直立壳体作为传感器外壳，壳体内设有x、y、z三个不同方向的加速度传感装置。通过高速波长解调仪来检测x、y、z三个不同方向上光纤光栅的中心波长偏移，从而计算出x、y、z方向上的加速度大小。这种多个光纤光栅的结构能够同时考虑振动和温度变化给加速度带来的影响，故具有良好的温度自补偿功能。本发明的光纤光栅加速度传感器结构新颖、易于集成、测量精度高，且应用领域广泛。

权利要求

1.一种多方向检测的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，包括封闭式直立壳体，所述壳体内设有x方向加速度传感装置、y方向加速度传感装置和z方向加速度传感装置，x方向加速度传感装置包括第一光纤光栅、第一弹簧、第一尾纤、第一轻质木杆，第一光纤光栅沿x方向设置，第一光纤光栅与第一尾纤连接，第一尾纤穿出壳体左壁，第一弹簧紧紧缠绕在第一光纤光栅上，第一弹簧一端与壳体左壁连接，另一端与第一轻质木杆连接，第一轻质木杆与第一光纤光栅位于同一直线且能够沿x方向来回移动；y方向加速度传感装置包括第二光纤光栅、第二弹簧、第二尾纤、第二轻质木杆，第二光纤光栅沿y方向设置，第二光纤光栅与第二尾纤连接，第二尾纤穿出壳体前壁，第二弹簧紧紧缠绕在第二光纤光栅上，第二弹簧一端与壳体前壁连接，另一端与第二轻质木杆连接，第二轻质木杆与第二光纤光栅位于同一直线且能够沿y方向来回移动；z方向加速度传感装置包括第三光纤光栅、第三弹簧、第三尾纤和质量块，第三光纤光栅沿z方向设置，第三光纤光栅与第三尾纤连接，第三尾纤穿出壳体底壁，第三弹簧紧紧缠绕在第三光纤光栅上，第三弹簧一端与壳体底壁连接，另一端与质量块连接，质量块与第三光纤光栅位于同一直线且能够沿z方向来回移动。

2.根据权利要求1所述的多方向检测的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述壳体内还设置有用于限制第一轻质木杆沿x方向移动的第一限位机构、用于限制第二轻质木杆沿y方向移动的第二限位机构，以及用于限制质量块沿z方向移动的第三限位机构。

3.根据权利要求2所述的多方向检测的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述第一限位机构包括沿x方向设置的第一单向滑轨和与第一单向滑轨两端连接的两个第一阻挡块，两个第一阻挡块固定在所述壳体的顶壁，所述第一轻质木杆与所述第一单向滑轨连接且能够沿着第一单向滑轨运动。

4.根据权利要求2所述的多方向检测的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述第二限位机构包括沿y方向设置的第二单向滑轨和与第二单向滑轨两端连接的两个第二阻挡块，两个第二阻挡块固定在所述壳体的顶壁，所述第二轻质木杆与所述第二单向滑轨连接且能够沿着第二单向滑轨运动。

5.根据权利要求2所述的多方向检测的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述第三限位机构包括对称设置在壳体左、右壁的两个限位组件，每个限位组件包括平行的上悬梁臂、下悬梁臂以及与上悬梁臂、下悬梁臂连接的沿z方向设置的竖直细杆，所述质量块两端分别与两个竖直细杆相连接且能够沿着竖直细杆运动。

6.根据权利要求5所述的多方向检测的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述质量块为T型质量块，T型质量块的两端设有允许竖直细杆穿过的通孔。

7.根据权利要求1所述的多方向检测的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，还包括基底，所述壳体通过四个支柱支撑固定在所述基底上。

8.根据权利要求7所述的多方向检测的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述支柱由多孔硅材料制成。

9.根据权利要求1所述的多方向检测的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述壳体左壁设置有第一光纤通孔，壳体前壁设置有第二光纤通孔，壳体底壁设置有第三光纤通孔，所述第一尾纤通过第一光纤通孔引出到壳体外，所述第二尾纤通过第二光纤通孔引出到壳体外，所述第三尾纤通过第三光纤通孔引出到壳体外。

10.根据权利要求9所述的多方向检测的光纤光栅加速度传感器，其特征在于，所述壳体外设置有三个光纤保护管，三个光纤保护管分别位于第一光纤通孔、第二光纤通孔和第三光纤通孔处，第一尾纤、第二尾纤和第三尾纤分别从对应的光纤保护管引出。

说明书

一种多方向检测的光纤光栅加速度传感器

技术领域

[0001] 本发明属于光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种多方向检测的光纤光栅加速度传感器。

背景技术

[0002] 目前，在航空、航海以及市场工程应用等领域，对于振动加速度信号的精确测量提出了更高的要求。加速度信号测量的主要原理是：利用物体运动的惯性，进行间接性测量。
传统的电学加速度传感器主要有：压阻式加速度传感器、压电式加速度传感器以及电容式
加速度传感器等。这类传统的电学加速度传感器技术在物体进行高速运动时，其电学性能
不能保持稳定，易受电磁干扰，且仅适合于短距离传输。同时，传统的电学加速度传感器在
加速度的测量精度上也存在着一定的局限性。而基于光纤光栅的传感器利用光纤作为信号
载体，能够进行长远距离的信号传输，且不产生电磁干扰，是一种低损耗的优良敏感元件。
基于光纤光栅的传感器的出现，为加速度的精确测量提供了新的思路。

[0003] 现有技术的基于光纤光栅的加速度传感器，均是利用质量块在惯性作用下，压缩或伸展弹簧/悬臂梁，从而引起光纤中传输信号的中心波长发生变化。通过监测这种变化，
来得到物体此时运动的加速度大小。但上述技术存在着下列问题：（1）仅能测量某一方向上
的加速度，对于多个不同方向上的加速度不能同时测得；（2）未能考虑到环境温度对光纤中
传输信号中心波长偏移的影响；（3）当物体运动的加速度过大时，容易对传感光纤造成损
坏，因此对传感器加速度的测量范围应加以限制，而现有技术均未考虑到加速度过大对光
纤光栅传感器造成的不良影响。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种多方向检测的光纤光栅加速度传感器，以解决现有技术中存在的不能同时测得多个不同方向上的加速度的技术问题。该光纤光栅加速度传感器
通过实时检测光纤中光的中心波长的变化情况来了解物体运动的加速度大小，具有较高的
稳定性和精准度。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：

[0006] 一种多方向检测的光纤光栅加速度传感器，包括封闭式直立壳体，所述壳体内设有x方向加速度传感装置、y方向加速度传感装置和z方向加速度传感装置，x方向加速度传
感装置包括第一光纤光栅、第一弹簧、第一尾纤、第一轻质木杆，第一光纤光栅沿x方向设
置，第一光纤光栅与第一尾纤连接，第一尾纤穿出壳体左壁，第一弹簧紧紧缠绕在第一光纤
光栅上，第一弹簧一端与壳体左壁连接，另一端与第一轻质木杆连接，第一轻质木杆与第一
光纤光栅位于同一直线且能够沿x方向来回移动；y方向加速度传感装置包括第二光纤光
栅、第二弹簧、第二尾纤、第二轻质木杆，第二光纤光栅沿y方向设置，第二光纤光栅与第二
尾纤连接，第二尾纤穿出壳体前壁，第二弹簧紧紧缠绕在第二光纤光栅上，第二弹簧一端与
壳体前壁连接，另一端与第二轻质木杆连接，第二轻质木杆与第二光纤光栅位于同一直线
且能够沿y方向来回移动；z方向加速度传感装置包括第三光纤光栅、第三弹簧、第三尾纤和
质量块，第三光纤光栅沿z方向设置，第三光纤光栅与第三尾纤连接，第三尾纤穿出壳体底
壁，第三弹簧紧紧缠绕在第三光纤光栅上，第三弹簧一端与壳体底壁连接，另一端与质量块
连接，质量块与第三光纤光栅位于同一直线且能够沿z方向来回移动。

[0007] 进一步地，所述壳体内还设置有用于限制第一轻质木杆沿x方向移动的第一限位机构、用于限制第二轻质木杆沿y方向移动的第二限位机构，以及用于限制质量块沿z方向
移动的第三限位机构。

[0008] 进一步地，所述第一限位机构包括沿x方向设置的第一单向滑轨和与第一单向滑轨两端连接的两个第一阻挡块，两个第一阻挡块固定在所述壳体的顶壁，所述第一轻质木
杆与所述第一单向滑轨连接且能够沿着第一单向滑轨运动。

[0009] 进一步地，所述第二限位机构包括沿y方向设置的第二单向滑轨和与第二单向滑轨两端连接的两个第二阻挡块，两个第二阻挡块固定在所述壳体的顶壁，所述第二轻质木
杆与所述第二单向滑轨连接且能够沿着第二单向滑轨运动。

[0010] 进一步地，所述第三限位机构包括对称设置在壳体左、右壁的两个限位组件，每个限位组件包括平行的上悬梁臂、下悬梁臂以及与上悬梁臂、下悬梁臂连接的竖直细杆，所述
质量块两端分别与两个竖直细杆相连接且能够沿着竖直细杆运动。

[0011] 进一步地，所述质量块为T型质量块，T型质量块的两端设有允许竖直细杆穿过的通孔。

[0012] 进一步地，所述光纤光栅加速度传感器，还包括基底，所述壳体通过四个支柱支撑固定在所述基底上。

[0013] 进一步地，所述支柱由多孔硅材料制成。

[0014] 进一步地，所述壳体左壁设置有第一光纤通孔，壳体前壁设置有第二光纤通孔，壳体底壁设置有第三光纤通孔，所述第一尾纤通过第一光纤通孔引出到壳体外，所述第二尾
纤通过第二光纤通孔引出到壳体外，所述第三尾纤通过第三光纤通孔引出到壳体外。

[0015] 进一步地，所述壳体外设置有三个光纤保护管，三个光纤保护管分别位于第一光纤通孔、第二光纤通孔和第三光纤通孔处，第一尾纤、第二尾纤和第三尾纤分别从对应的光
纤保护管引出。

[0016] 相比于现有技术，本发明的一种多方向检测的光纤光栅加速度传感器具有以下有益技术效果：

[0017] 1、壳体内设有x、y、z三个不同方向的加速度传感装置。通过检测三个不同方向上尾纤中返回的光的中心波长的变化量来判断物体运动的方向，以及沿该方向运动的加速度
大小，从而实现多方向检测功能；

[0018] 2、具有良好的温度自补偿功能。当物体运动在温度较高的环境中时，温度对于光纤光栅中心波长的漂移作用不可忽略。当物体沿x方向运动时，第一光纤光栅的波长受振动
和温度两者影响，而第二、第三光纤光栅仅受温度影响。因此可通过测量第二、第三光纤光
栅中温度对波长的影响，来推导出第一光纤光栅中振动所带来的波长影响；

[0019] 3、采用阻挡块以及平行的上、下悬臂梁结构对于x、y、z方向的加速度大小进行合理限制，避免因加速度过大损害传感器正常工作的情形发生；

[0020] 4、采用多孔硅材料制成的底部支撑柱，减少了与基底的接触面积，同时由于多孔硅材料具有良好的绝热性能，因此很大程度上降低了基底上的热传导现象。

附图说明

[0021] 图1是本发明实施例的光纤光栅加速度传感器的xoz面图；

[0022] 图2是本发明实施例的光纤光栅加速度传感器的yoz面图；

[0023] 图3是本发明实施例的光纤光栅加速度传感器中z方向加速度传感装置的结构说明图。

[0024] 其中：1‑壳体；2‑支柱；3‑基底；4A‑第一光纤光栅；4B‑第二光纤光栅；4C‑第三光纤光栅；5A‑第一尾纤；5B‑第二尾纤；5C‑第三尾纤；6A‑第一弹簧；6B‑第二弹簧；6C‑第三弹簧；
7A‑第一光纤保护管；7B‑第二光纤保护管；7C‑第三光纤保护管；8A‑第一阻挡块；8B‑第二阻
挡块；9A‑第一单向滑轨；9B‑第二单向滑轨；10A‑第一轻质木杆；10B‑第二轻质木杆；11A‑第
一光纤通孔；11B‑第二光纤通孔；11C‑第三光纤通孔；12‑T型质量块；13A‑上悬臂梁；13B‑下
悬臂梁；14‑竖直细杆；15‑固定块；16‑连接通孔。

具体实施方式

[0025] 下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

[0026] 本发明实施例的一种多方向检测的光纤光栅加速度传感器的结构如图1、2所示。传感器以一封闭式直立壳体1作为传感器外壳，在壳体1底端设置有四个由多孔硅材料制成
的支柱2，并通过粘合剂将支柱2固定在基底3上。传感器内部设有x、y、z三个不同方向的加
速度传感装置，通过这3个不同方向的传感装置来实现多个不同方向上的加速度的测量。

[0027] x方向的加速度传感装置包括第一光纤光栅4A、第一尾纤5A、第一弹簧6A、第一光纤保护管7A和第一轻质木杆10A。

[0028] 第一光纤光栅4A沿x方向设置，第一光纤光栅4A与第一尾纤5A连接，第一尾纤5A通过壳体1上的第一光纤通孔11A引出到壳体1外，第一弹簧6A紧紧缠绕在第一光纤光栅4A上，
第一弹簧6A一端与壳体1左壁连接，另一端通过粘合剂等方式与第一轻质木杆10A固定连
接。

[0029] 壳体1内设置有第一限位机构，所述第一限位机构包括两个木质的第一阻挡块8A和第一单向滑轨9A。

[0030] 两个第一阻挡块8A固定在壳体1顶壁，第一单向滑轨9A两端分别与两个第一阻挡块8A固定连接，第一单向滑轨9A沿x方向设置，第一轻质木杆10A与第一单向滑轨9A活动连
接，能够沿着第一单向滑轨9A运动，第一轻质木杆10A与第一光纤光栅4A位于同一直线。其
中，两个第一阻挡块8A和第一单向滑轨9A用于限制x方向上检测的加速度大小和运动方向，
从而起到保护传感器正常运行的作用。

[0031] 第一光纤保护管7A设置在壳体1外、第一光纤通孔11A处，第一尾纤5A从第一光纤保护管7A穿出，第一光纤保护管7A对第一尾纤5A起到固定作用，且能够保证光的正常传播。

[0032] 当物体未发生x方向运动时，第一弹簧6A处于自然状态，没有发生压缩或延伸运动，此时的第一轻质木杆10A处于第一单向滑轨9A中央位置。若物体沿x正方向运动，则第一
轻质木杆10A也向x正方向运动，从而引起第一弹簧6A的拉伸。这时，被第一弹簧6A紧绕的第
一光纤光栅4A中传输的光的中心波长发生偏移。

[0033] y方向的加速度传感装置的组成以及连接方式与x方向的加速度传感装置相同，故仅做简单描述。y方向的加速度传感装置包括第二光纤光栅4B、第二尾纤5B、第二弹簧6B、第
二光纤保护管7B和第二轻质木杆10B。

[0034] 壳体1内设置有第二限位机构，第二限位机构包括两个木质的第二阻挡块8B和第二单向滑轨9B，用于限制y方向上检测的加速度大小和运动方向。

[0035] z方向的加速度传感装置包括第三光纤光栅4C、第三尾纤5C、第三弹簧6C、第三光纤保护管7C和T型质量块12。

[0036] 第三光纤光栅4C沿z方向设置，第三光纤光栅4C与第三尾纤5C连接，第三尾纤5C通过壳体1上的第三光纤通孔11C引出到壳体1外，第三弹簧6C紧紧缠绕在第三光纤光栅4C上，
第三弹簧6C一端与壳体1底壁连接，另一端通过粘合剂等方式与T型质量块12固定连接。

[0037] 壳体1内设置有第三限位机构，第三限位机构包括两个对称的z方向加速度的限位组件。两个限位组件对称设置在壳体1的左右壁，每个限位组件包括平行的上悬梁臂13A、下
悬梁臂13B以及与上悬梁臂13 A、下悬梁臂13B连接的竖直细杆14。T型质量块12两端分别与
两个竖直细杆14活动连接，能够沿着竖直细杆14上下运动。所述限位组件能够限制z方向加
速度的大小和运动方向，以保护传感器的正常运行。

[0038] 具体的，如图3所示，上悬梁臂13A、下悬梁臂13B上设置有对应的连接通孔16，竖直细杆14穿设在两个连接通孔16中，并通过上、下固定块15（如图1所示）将竖直细杆14固定在
上悬臂梁13A和下悬臂梁13B上。T型质量块12两端设有通孔，T型质量块12通过其两端的通
孔与竖直细杆14活动连接。由此。T型质量块12的z方向的运动被由上悬臂梁13A、下悬臂梁
13B和竖直细杆14所组成的限位组件所限制。

[0039] 当物体未发生z方向运动时，z方向上的第三弹簧6C受T型质量块12的重力作用，其初始状态处于压缩状态。当物体在z方向运动时，T型质量块12也会沿z方向发生运动，从而
带动第三弹簧6C运动。这时，被第三弹簧6C紧紧包围的第三光纤光栅4C中传输的光的中心
波长将发生偏移。

[0040] 本发明实施例的一种多方向检测的光纤光栅加速度传感器的工作原理如下：

[0041] 将第一尾纤、第二尾纤、第三尾纤分别接入到高速波长解调仪上，运行程序进行检测。首先通过检测三根尾纤上中心波长是否发生变化来判断物体运动的方向，其次根据该
方向上光纤光栅中心波长的变化量来推算出物体沿该方向运动的加速度大小。当物体在x
方向运动时，第一轻质木杆10A会在第一单向轨道9A上运动，从而带动第一弹簧6A的运动，
此时被第一弹簧6A紧紧包围的第一光纤光栅4A的中心波长发生变化。同时，第一单向轨道
9A两侧的阻挡块8A能够有效地限制x方向运动加速度的范围。当物体在y方向运动时，工作
机制与x方向一致。当物体在z方向运动时，T型质量块12也会沿z方向发生运动，从而带动第
三弹簧6C的运动。而被第三弹簧6C紧紧包围的第三光纤光栅4C的中心波长也会相应发生变
化。此时，由上悬臂梁13A、下悬臂梁13B组成的限制结构起到了限制z方向加速度范围的作
用，从而保障了传感器能够高效、平稳的正常工作。

[0042] 当温度过高时，温度对于光纤光栅中心波长的影响不能忽略。因为三根光纤光栅均在传感器内部且材质、结构完全相同，所以它们对于温度的感应能力相同。假使物体沿x
方向运动，则第一光纤光栅4A的波长受振动和温度两者影响，而第二光纤光栅4B、第三光纤
光栅4C仅受温度影响。因此可通过测量第二光纤光栅4B、第三光纤光栅4C温度对波长的影
响，来推导出第一光纤光栅4A中振动所带来的波长影响。这种多个光纤光栅的结构使得加
速度传感器具有良好的温度自补偿功能。

[0043] 以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。