專利名稱：一種溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種溫度不敏感的光纖光 柵加速度傳感器。
背景技術(shù)：
光纖傳感器與對應(yīng)的常規(guī)傳感器相比，在靈敏度、動態(tài)范圍、可靠性 等方面也具有明顯的優(yōu)勢，在國防、軍事應(yīng)用領(lǐng)域顯得尤為突出，被許多 國家列為重點發(fā)展的國防技術(shù)。
光纖加速度計是利用光纖的傳光特性以及它與周圍環(huán)境相互作用產(chǎn) 生的種種調(diào)制效應(yīng)，探測地面、空氣中或者海底的振動等信號的儀器。它 與傳統(tǒng)的壓電類加速度計相比，有以下主要優(yōu)勢頻帶寬、聲壓靈敏度高、 不受電磁干擾、重量輕、可設(shè)計成任意形狀，以及兼具信息傳感及光信息 傳輸于一身等優(yōu)點。
鑒于光纖加速度計的如上技術(shù)優(yōu)勢，可滿足各發(fā)達國家在石油、軍事 等領(lǐng)域的要求，目前已經(jīng)在此方面積極展開研究。
在常見的強度調(diào)制型、數(shù)字式、光纖光柵式光纖加速度計中，光纖光 柵式加速度計由于其體積小、易于復用的特點得到了廣泛的關(guān)注。
田珂珂等人報道了一種光纖光柵加速度計，是采用在將光纖光柵粘接 在懸臂梁表面的方法。當懸臂梁發(fā)生振動時，其表面會有周期性的壓拉應(yīng) 變，光纖光柵通過檢測懸臂梁表面的應(yīng)變來實現(xiàn)振動的測量。該種技術(shù)方 案一方面光纖光柵的柵區(qū)直接被膠封裝，容易使光纖光柵產(chǎn)生啁啾；另一 方面為了使加速度和傳感器的輸出保持線性關(guān)系，懸臂梁的撓度不能過 大，從而限制了傳感器的靈敏度。此外，由于懸臂梁由金屬加工而成，對 溫度變化比較敏感，需要額外的溫度補償技術(shù)。
因此，如何改進光纖光柵加速度計的封裝形式以及提高光纖光柵加速 度計的靈敏度，降低傳感器的溫度敏感性是光纖光柵加速度計大規(guī)模應(yīng)用必需解決的重要技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種溫度不敏感的光纖光柵加 速度傳感器，以提高光纖光柵加速度傳感器的靈敏度并改進光纖光柵加速 度傳感器的封裝工藝。
(二) 技術(shù)方案
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的
一種溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器，該光纖光柵加速度傳感器 包括
作為該光纖光柵加速度傳感器支撐結(jié)構(gòu)的外殼1;
用于測量加速度的光纖光柵2，該光纖光柵2的一端固定于所述光纖
光柵加速度傳感器一端的內(nèi)壁，另一端平行穿過所述光纖光柵加速度傳感 器另一端上的小孔并延伸到所述光纖光柵加速度傳感器外部，且該光纖光
柵2在穿過所述光纖光柵加速度傳感器另一端上的小孔時經(jīng)過L型杠桿3 豎直方向端部，與L型杠桿3豎直方向垂直并與L型杠桿3的豎直方向端 部固定連接；
固定于光纖光柵加速度傳感器前后兩側(cè)壁上的軸4;
安裝于軸4上的L型杠桿3，用于將振動信號傳遞給與自身連接的光 纖光柵3;所述L型杠桿3豎直方向部分與水平方向部分相交的折點處與 軸4活動連接，并可繞軸4旋轉(zhuǎn)；
固定于杠桿3水平方向端部的質(zhì)量塊5，用于調(diào)整傳感器的靈敏度和 自振頻率。
該光纖光柵加速度傳感器在具有用于穿過光纖光柵2小孔的一端的內(nèi) 壁上進一步固定連接有一個彈簧6，該彈簧6的另一端連接于L型杠桿3 的豎直方向部分，該彈簧6處于被拉伸狀態(tài)，使得光纖光柵2具有一定的 初始拉應(yīng)力。
上述方案中，當所述光纖光柵振動傳感器受到振動激勵時，所述光纖光柵2，彈簧6和質(zhì)量塊5構(gòu)成一個彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，質(zhì)量塊5在激勵加速 度的方向起振并產(chǎn)生一定的位移，該位移通過L型杠桿3通過軸4傳遞給 光纖光柵2。
上述方案中，所述質(zhì)量塊5的質(zhì)量遠大于L型杠桿3的質(zhì)量，用于減
小光纖光柵加速度傳感器的非線性效應(yīng)。
上述方案中，所述軸4上L型杠桿3的兩側(cè)進一步安裝有螺母7，用
于限制L型杠桿3沿軸4軸向的位移，使L型杠桿3只有一個繞軸4旋轉(zhuǎn)
的自由度，以降低光纖光柵加速度傳感器的橫向靈敏度。
上述方案中，該光纖光柵加速度傳感器通過調(diào)節(jié)質(zhì)量塊5的質(zhì)量或改
變彈簧6的剛度來改變傳感器的靈敏度和自振頻率。
上述方案中，所述外殼l由熱膨脹系數(shù)小的材料制作。
上述方案中，所述熱膨脹系數(shù)小的材料為聚合物材料，或為復合材料。
上述方案中，所述彈簧6的熱膨脹系數(shù)遠大于外殼1的熱膨脹系數(shù)。
(三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果
1、 本發(fā)明提供的這種溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器，通過在 光纖光柵的兩端進行固定的方式，在避免光纖光柵產(chǎn)生啁啾的同時簡化了 封裝的工藝，制作工藝簡單。
2、 本發(fā)明提供的這種溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器，質(zhì)量塊 在振動過程中的位移轉(zhuǎn)化為光纖光柵的軸向位移，相比于粘貼在懸臂梁表 面通過應(yīng)變傳遞的方式，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)極大的提高了傳感器的靈敏度。
3、 本發(fā)明提供的這種溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器，由于可 以方便的通過調(diào)節(jié)質(zhì)量塊5的質(zhì)量或改變彈簧6的剛度來改變傳感器的靈 敏度和自振頻率，靈敏度和自振頻率易于調(diào)節(jié)。


圖1為本發(fā)明提供的溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器的結(jié)構(gòu)側(cè)視
圖''
圖2為本發(fā)明提供的溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器的結(jié)構(gòu)俯視圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實 施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
如圖1和圖2所示，圖1為本發(fā)明提供的溫度不敏感的光纖光柵加速 度傳感器的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，圖2為本發(fā)明提供的溫度不敏感的光纖光柵加速 度傳感器的結(jié)構(gòu)俯視圖。
該溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器包括作為該光纖光柵加速度
傳感器支撐結(jié)構(gòu)的外殼1;用于測量加速度的光纖光柵2，該光纖光柵2 的一端固定于所述光纖光柵加速度傳感器一端的內(nèi)壁，另一端平行穿過所 述光纖光柵加速度傳感器另一端上的小孔并延伸到所述光纖光柵加速度 傳感器外部，且該光纖光柵2在穿過所述光纖光柵加速度傳感器另一端上 的小孔時經(jīng)過L型杠桿3豎直方向端部，與L型杠桿3豎直方向垂直并與 L型杠桿3的豎直方向端部固定連接；固定于光纖光柵加速度傳感器前后 兩側(cè)壁上的軸4;安裝于軸4上的L型杠桿3，用于將振動信號傳遞給與 自身連接的光纖光柵3;所述L型杠桿3豎直方向部分與水平方向部分相 交的折點處與軸4活動連接，并可繞軸4旋轉(zhuǎn)；固定于杠桿3水平方向端 部的質(zhì)量塊5，用于調(diào)整傳感器的靈敏度和自振頻率。
該溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器在具有用于穿過光纖光柵2小 孔的一端的內(nèi)壁上進一步固定連接有一個彈簧6，該彈簧6的另一端連接 于L型杠桿3的豎直方向部分，該彈簧6處于被拉伸狀態(tài)，使得光纖光柵 2具有一定的初始拉應(yīng)力。
當該光纖光柵振動傳感器受到如圖l所示方向的振動激勵時，上述光 纖光柵2，彈簧6和質(zhì)量塊5構(gòu)成一個彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，質(zhì)量塊5在激勵加 速度的方向起振并產(chǎn)生一定的位移，該位移通過L型杠桿3通過軸4傳遞 給光纖光柵2。由于光纖光柵2的一端固定在傳感器外殼1上，另一端固 定在L型杠桿3上，從而質(zhì)量塊5的振動使得光纖光柵中產(chǎn)生和振動頻率 一致的周期性變化的軸向應(yīng)力。對于光纖光柵，其反射波長的變化量與所 受軸向應(yīng)力成正比，故通過檢測波長的變化量可以得到外界振動加速度的大小。
上述軸4上L型杠桿3的兩側(cè)進一步安裝有螺母7，用于限制L型杠 桿3沿軸4軸向的位移，使L型杠桿3只有一個繞軸4旋轉(zhuǎn)的自由度，以 降低光纖光柵加速度傳感器的橫向靈敏度。由于L型杠桿3被螺母7限制 只有一個自由度，故本發(fā)明顯著的降低了傳感器的橫向靈敏度。
在設(shè)計傳感器時需要使L型杠桿3的質(zhì)量相對于質(zhì)量塊5很小，可以 忽略，以減小系統(tǒng)的非線性效應(yīng)。
由于質(zhì)量塊5的質(zhì)量將對加速度計的靈敏度和自振頻率產(chǎn)生顯著的影 響，故可以通過調(diào)節(jié)質(zhì)量塊5的質(zhì)量來改變傳感器的靈敏度和自振頻率。 彈簧6的剛度同樣可以決定傳感器的靈敏度和自振頻率，故改變彈簧6的 剛度亦可以改變傳感器的靈敏度和自振頻率。因此，光纖光柵加速度傳感 器通過調(diào)節(jié)質(zhì)量塊5的質(zhì)量或改變彈簧6的剛度來改變傳感器的靈敏度和 自振頻率。
外殼l由熱膨脹系數(shù)較小的材料如聚合物、復合材料等制作。彈簧6 的熱膨脹系數(shù)遠大于外殼1的熱膨脹系數(shù)。當外界溫度發(fā)生變化時， 一方 面，由于外殼1的熱膨脹系數(shù)較小，軸4與外殼1固定光纖光柵2的一側(cè) 的內(nèi)壁之間的距離變化很小，因此由溫度變化引起的光纖光柵2中的附加 應(yīng)變很小。另一方面，由于彈簧6的熱膨脹系數(shù)較大，并遠大于外殼l的 熱膨脹系數(shù)，當外界溫度發(fā)生變化時，彈簧6的伸長量大于軸4與外殼1 用于穿過光纖光柵2小孔的一端的內(nèi)壁之間的伸長量，因此彈簧6相對松 弛，從而補償了外界溫度的變化。
本發(fā)明對外界溫度變化的補償還體現(xiàn)在另外一方面，由于光纖光柵2 與L型杠桿3豎直方向垂直，所以當L型杠桿3受到外界溫度波動的影響 而在長度上發(fā)生變化時，其伸長(或縮短)量垂直于光纖光柵2，因此對 光纖光柵2軸向應(yīng)變的影響可以忽略。故本發(fā)明提供的這種光纖光柵加速 度傳感器具有溫度自補償?shù)淖饔谩?br> 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行 了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而 己，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、 一種溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器，其特征在于，該光纖光柵加速度傳感器包括作為該光纖光柵加速度傳感器支撐結(jié)構(gòu)的外殼(1)；用于測量加速度的光纖光柵(2)，該光纖光柵(2)的一端固定于所述光纖光柵加速度傳感器一端的內(nèi)壁，另一端平行穿過所述光纖光柵加速度傳感器另一端上的小孔并延伸到所述光纖光柵加速度傳感器外部，且該光纖光柵(2)在穿過所述光纖光柵加速度傳感器另一端上的小孔時經(jīng)過L型杠桿(3)豎直方向端部，與L型杠桿(3)豎直方向垂直并與L型杠桿(3)的豎直方向端部固定連接；固定于光纖光柵加速度傳感器前后兩側(cè)壁上的軸(4)；安裝于軸(4)上的L型杠桿(3)，用于將振動信號傳遞給與自身連接的光纖光柵(3)；所述L型杠桿(3)豎直方向部分與水平方向部分相交的折點處與軸(4)活動連接，并可繞軸(4)旋轉(zhuǎn)；固定于杠桿(3)水平方向端部的質(zhì)量塊(5)，用于調(diào)整傳感器的靈敏度和自振頻率。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器，其 特征在于，該光纖光柵加速度傳感器在具有用于穿過光纖光柵(2)小孔 的一端的內(nèi)壁上進一步固定連接有一個彈簧(6)，該彈簧(6)的另一端 連接于L型杠桿(3)的豎直方向部分，該彈簧(6)處于被拉伸狀態(tài)，使 得光纖光柵(2)具有一定的初始拉應(yīng)力。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器，其 特征在于，當所述光纖光柵振動傳感器受到振動激勵時，所述光纖光柵(2)，彈簧(6)和質(zhì)量塊(5)構(gòu)成一個彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，質(zhì)量塊(5)在 激勵加速度的方向起振并產(chǎn)生一定的位移，該位移通過L型杠桿(3)通 過軸(4)傳遞給光纖光柵(2)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器，其 特征在于，所述質(zhì)量塊(5)的質(zhì)量遠大于L型杠桿(3)的質(zhì)量，用于減 小光纖光柵加速度傳感器的非線性效應(yīng)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器，其特征在于，所述軸(4)上L型杠桿(3)的兩側(cè)進一步安裝有螺母(7)， 用于限制L型杠桿(3)沿軸(4)軸向的位移，使L型杠桿(3)只有一 個繞軸(4)旋轉(zhuǎn)的自由度，以降低光纖光柵加速度傳感器的橫向靈敏度。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器，其 特征在于，該光纖光柵加速度傳感器通過調(diào)節(jié)質(zhì)量塊(5)的質(zhì)量或改變 彈簧(6)的剛度來改變傳感器的靈敏度和自振頻率。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器，其 特征在于，所述外殼(1)由熱膨脹系數(shù)小的材料制作。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器，其 特征在于，所述熱膨脹系數(shù)小的材料為聚合物材料，或為復合材料。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器，其 特征在于，所述彈簧(6)的熱膨脹系數(shù)遠大于外殼(1)的熱膨脹系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種溫度不敏感的光纖光柵加速度傳感器，包括作為光纖光柵加速度傳感器支撐結(jié)構(gòu)的外殼；用于測量加速度的光纖光柵，該光纖光柵的一端固定于所述光纖光柵加速度傳感器一端的內(nèi)壁，另一端平行穿過所述光纖光柵加速度傳感器另一端上的小孔并延伸到所述光纖光柵加速度傳感器外部；固定于光纖光柵加速度傳感器前后兩側(cè)壁上的軸；安裝于軸上的L型杠桿，用于將振動信號傳遞給與自身連接的光纖光柵；所述L型杠桿豎直方向部分與水平方向部分相交的折點處與軸活動連接；固定于杠桿水平方向端部的質(zhì)量塊，用于調(diào)整傳感器的靈敏度和自振頻率。本發(fā)明提高了光纖光柵加速度傳感器的靈敏度，改進了光纖光柵加速度傳感器的封裝工藝。
文檔編號B81B7/02GK101285847SQ20071006532
公開日2008年10月15日 申請日期2007年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月11日
發(fā)明者劉育梁, 張文濤, 芳 李 申請人:中國科學院半導體研究所