光纖光柵振動傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖光柵振動傳感器，特別涉及一種可用于鐵路沿線危巖落石報警監(jiān)測的光纖光柵低頻振動傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖光柵傳感技術(shù)因其具有不受電磁干擾、現(xiàn)場無需供電、長期可靠性和穩(wěn)定性好，傳輸距離遠等優(yōu)點，在高陡邊坡的防護及預(yù)警中得到了普遍的應(yīng)用。危巖落石報警監(jiān)測屬于高陡邊坡防護監(jiān)測的一個分支，如果能預(yù)先監(jiān)測到危巖落石，將極大程度上減輕危巖落石對鐵路、公路等造成的經(jīng)濟損失。
[0003]國內(nèi)已經(jīng)有些高校或企業(yè)開展了光纖光柵振動傳感器或光纖光柵加速度計的研究，其中以懸臂梁結(jié)構(gòu)居多。首先，懸臂梁型光纖光柵振動傳感器的靈敏度受結(jié)構(gòu)本身限制一般不會過高；其次，該種類型的傳感器收斂性緩慢，會降低傳感器使用壽命；再者，光纖光柵的柵區(qū)直接被膠封裝在懸臂梁的表面，容易使光纖光柵產(chǎn)生啁啾，振動環(huán)境下的光纖光柵封裝也是光纖光柵振動傳感器技術(shù)的一個關(guān)鍵因素。
[0004]適用于鐵路沿線危巖落石監(jiān)測的傳感器需要具備以下特點:
1.長期安裝在惡劣的戶外環(huán)境，且無人值守，傳感器需結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，疲勞壽命高；
2.振動信號除落石引起的信號外，還有大量復(fù)雜的干擾信號，辨識度強；
3.鐵路沿線監(jiān)測范圍廣，為節(jié)約成本，增加傳感器的監(jiān)測范圍，需傳感器靈敏度高，
4.較高靈敏度的同時，有足夠的強度抵抗火車引起的大振動的破壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明提出了一種光纖光柵振動傳感器的結(jié)構(gòu)，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)強度聞、耐沖擊、壽命聞等優(yōu)點。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種光纖光柵振動傳感器，該光纖光柵振動傳感器包括:
支撐殼體；
連桿機構(gòu)，位于所述支撐殼體中，所述連桿機構(gòu)包括第一連桿、第二連桿、第三連桿、第一固定轉(zhuǎn)軸、第一活動轉(zhuǎn)軸、第二活動轉(zhuǎn)軸、以及第二固定轉(zhuǎn)軸；其中，所述第一固定轉(zhuǎn)軸、第一活動轉(zhuǎn)軸、第二活動轉(zhuǎn)軸、以及第二固定轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)軸方向相互平行并且均垂直于應(yīng)變光纖光柵的長度方向；所述第一固定轉(zhuǎn)軸和第二固定轉(zhuǎn)軸固定至支撐殼體。所述第一連桿的第一端能夠繞所述第一固定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，所述第一連桿的第二端通過第一活動轉(zhuǎn)軸與所述第二連桿的第一端連接，所述第二連桿的第二端通過第二活動轉(zhuǎn)軸與所述第三連桿的第一端連接，所述第三連桿能夠繞位于自身的兩端之間的第二固定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，所述第三連桿的第二端呈自由狀態(tài)；所述應(yīng)變光纖光柵的第一端封裝在所述支撐殼體上，應(yīng)變光纖光柵的第二端封裝在所述第一連桿上，并且所述應(yīng)變光纖光柵的長度方向垂直于所述第一連桿的長度方向；所述第一連桿的長度方向垂直于所述第二連桿的長度方向，所述第二連桿的長度方向平行于所述第三連桿的長度方向；
彈簧，所述彈簧支撐所述第三連桿，使得所述第三連桿保持在與所述應(yīng)變光纖光柵基本平行的狀態(tài)；
過載保護裝置，所述過載保護裝置固定在所述支撐殼體內(nèi)側(cè)，用于限定所述第三連桿的第二端的運動范圍。
[0007]所述應(yīng)變光纖光柵的兩端之間為柵區(qū)，在所述應(yīng)變光纖光柵產(chǎn)生應(yīng)變時，柵區(qū)將改變其透射和/或反射波長，從而給出與所述外界振動相對應(yīng)的反饋信號。
[0008]在外界振動的激勵下，所述第三連桿會產(chǎn)生與所述支撐殼體相對的位移，帶動所述連桿機構(gòu)沿預(yù)定軌跡轉(zhuǎn)動，第一連桿因此產(chǎn)生相應(yīng)角位移，從而帶動所述應(yīng)變光纖光柵，引起所述應(yīng)變光纖光柵的應(yīng)變。借助于第二連桿的傳動，第三連桿在與光纖光柵垂直的方向上的擺動可以有效地轉(zhuǎn)換成第一連桿在與光纖光柵平行的方向上的擺動，有效地避免了光纖光柵橫向方向上的剪切力。
[0009]此外，由于具有限定所述第三連桿的第二端運動范圍的過載保護裝置，所述過載保護裝置限定所述第三連桿的第二端的運動范圍，從而限制所述連桿機構(gòu)的轉(zhuǎn)動范圍。所述過載保護裝置能有效保證在火車等外界大激勵下，應(yīng)變光纖光柵不會因應(yīng)變過大而導(dǎo)致斷裂。
[0010]可選地，所述第三連桿的第二端固定有質(zhì)量塊。所述質(zhì)量塊使得能夠根據(jù)所述彈簧的k值調(diào)節(jié)所述光纖光柵振動傳感器的共振頻率相應(yīng)范圍。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，所述第三連桿本身也能夠具有一定質(zhì)量，因此也可以直接使用具有期望質(zhì)量的第三連桿，而無需所述質(zhì)量塊。所述彈簧構(gòu)成所述振動傳感器的彈簧(k)-阻尼(C)-質(zhì)量(m)單自由度運動系統(tǒng)。調(diào)節(jié)所述彈簧的k值及所述第三連桿上的質(zhì)量塊m值可調(diào)節(jié)所述光纖光柵振動傳感器的固有頻率及靈敏度。
[0011]可選地，所述光纖光柵振動傳感器還包括彈簧調(diào)節(jié)機構(gòu)，用于使得所述彈簧的整體向支撐殼體內(nèi)部伸長或縮短。調(diào)節(jié)所述彈簧調(diào)節(jié)機構(gòu)可使所述彈簧容易地將第三連桿保持在與所述應(yīng)變光纖光柵基本平行的狀態(tài)。
[0012]可選地，所述過載保護裝置是凹槽或腔。使用凹槽或腔作為過載保護裝置，能夠分別限定所述第三連桿第二端的運動上限和運動下限。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，還可以使用例如突出于所述支撐殼體內(nèi)壁的一或兩個突起，以限制所述第三連桿第二端的轉(zhuǎn)動范圍。
[0013]優(yōu)選地，所述應(yīng)變光纖光柵在封裝時施加有預(yù)拉應(yīng)力，該預(yù)拉應(yīng)力用于抵消外界環(huán)境溫度下降引起的中心波長漂移。
[0014]可選地，所述光纖光柵振動傳感器還包括光纖堵頭，所述光纖堵頭設(shè)置在所述支撐殼體上，用于固定、保護光纖以及密封所述支撐殼體。由于所述應(yīng)變光纖光柵通過光纖向外部傳遞信號，因此所述光纖堵頭能夠防止不恰當(dāng)?shù)耐獠坷Ф鴮?dǎo)致應(yīng)變光纖光柵產(chǎn)生不期望的應(yīng)變；所述光纖堵頭還能防止光纖彎折，并密封所述支撐殼體，使得所述光纖光柵振動傳感器能夠在嚴(yán)酷的室外環(huán)境下正常工作；同時，為了便于多個光纖光柵振動傳感器相互串聯(lián)，所述光纖堵頭還能接續(xù)多個光纖光柵振動傳感器之間的光纖。
[0015]可選地，所述應(yīng)變光纖光柵的第一端通過固定于所述支撐殼體的第一固定塊而封裝在所述支撐殼體上。鑒于應(yīng)變光纖光柵的長度可能較短，因此可以設(shè)置固定于所述支撐殼體的第一固定塊，以在所述支撐殼體的內(nèi)部穩(wěn)固地封裝所述應(yīng)變光纖光柵。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，在不影響應(yīng)變光纖光柵的使用的情況下，也可以將所述應(yīng)變光纖光柵的第一端直接封裝在所述支撐殼體的通孔中，并通過光纖堵頭與外部光纖連接。
[0016]優(yōu)選地，所述光纖光柵振動傳感器還包括位于所述支撐殼體內(nèi)部的光纖段，所述光纖段的第一端連接至所述應(yīng)變光纖光柵的第二端，所述光纖段的第二端連接至所述支撐殼體，并且所述光纖段的長度使得所述光纖段在所述第一連桿的轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)是松弛的。在初始狀態(tài)下或工作中，如果在所述支撐殼體和所述應(yīng)變光纖光柵的一端之間的光纖段是張緊的，就限制了所述第一連桿的轉(zhuǎn)動。在受到外界激勵時，所述第一連桿的轉(zhuǎn)動將可能導(dǎo)致該張緊的光纖段的斷裂；若該光纖段不發(fā)生斷裂，就限制了所述第一連桿的轉(zhuǎn)動，從而發(fā)生漏報的情況。因此，將所述光纖段設(shè)置為在所述第一連桿的轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)是松弛的，能夠保證所述支撐殼體不會在受到外界激勵時拉拽所述應(yīng)變光纖光柵的第二端，從而保證測量信號的真實性和光纖光柵振動傳感器的可靠性。
[0017]本發(fā)明提供的光纖光柵振動傳感器將振動信號轉(zhuǎn)化成光纖光柵的拉伸，避免剪切力的產(chǎn)生。由于光纖光柵材料非常脆，受到剪切力時會嚴(yán)重縮短疲勞壽命，因此，提高了傳感器的疲勞壽命；且封裝采用固定光纖光柵的兩端，避開柵區(qū)，能夠避免光纖光柵啁啾，提高了傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵振動傳感器尤其適合低頻振動的檢測。
【附圖說明】
[0019]圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光纖光柵振動傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。
【具體實施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、結(jié)構(gòu)和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步地進行詳細描述。
[0021]參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，光纖光柵振動傳感器包括:
支撐殼體1-2 ；
連桿機構(gòu)，位于所述支撐殼體1-2中，所述連桿機構(gòu)包括第一連桿1-6、第二連桿1-7、第三連桿1-13、第一固定轉(zhuǎn)軸1-5-1、第一活動轉(zhuǎn)軸1-5-2、第二活動轉(zhuǎn)軸1-5-3、以及第二固定轉(zhuǎn)軸1-5-4 ;其中，所述第一固定轉(zhuǎn)軸1-5-1、第一活動轉(zhuǎn)軸1-5-2、第二活動轉(zhuǎn)軸1-5-3、以及第二固定轉(zhuǎn)軸1-5-4的轉(zhuǎn)軸方向相互平行并且均垂直于應(yīng)變光纖光柵1-4的長度方向；所述第一固定轉(zhuǎn)軸1-5-1和第二固定轉(zhuǎn)軸1-5-4固定至支撐殼體1-2 ;所述第一連桿1-6的第一端能夠繞所述第一固定轉(zhuǎn)軸1-5-1轉(zhuǎn)動，所述第一連桿1-6的第二端通過第一活動轉(zhuǎn)軸1-5-2與所述第二連桿1-7的第一端連接，所述第二連桿1-7的第二端通過第二活動轉(zhuǎn)軸1-5-3與所述第三連桿1-13的第一端連接，所述第三連桿1-13能夠繞位于自身的兩端之間的第二固定轉(zhuǎn)軸1-5-4轉(zhuǎn)動，所述第三連桿1-13的第二端呈自由狀態(tài)；所述應(yīng)變光纖光柵1-4的第一端封裝在所述支撐殼體1-2上，應(yīng)變光纖光柵1-4的第二端封裝在所述第一連桿1-6上，并且所述應(yīng)變光纖光柵1-4的長度方向垂直于所述第一連桿1-6的長度方向；所述第一連桿1-6的長度方向垂直于所述第二連桿1-7的長度方向，所述第二連桿1-7的長度方向平行于所述第三連桿1-13的長度方向； 彈簧1-10，所述彈簧1-10支撐所述第三連桿1-13，使得所述第三連桿1-13保持在與所述應(yīng)變光纖光柵1-4基本平行的狀態(tài)；
過載保護裝置1-12，所述過載保護裝置1-12固定在所述支撐殼體1-2內(nèi)側(cè)，用于限定所述第三連桿1-13的第二端的運動范圍。
[0022]所述應(yīng)變光纖光柵1-4的兩端之間為柵區(qū)，在所述應(yīng)變光纖光柵1-4產(chǎn)生應(yīng)變時，柵區(qū)將改變其透射和/或反射波長，從而給出與所述外界振動相對應(yīng)的反饋信號。
[0023]由于具有限定所述第三連桿1-13自由端的運動范圍的過載保護裝置1-12，所述過載保護裝置1-12限定所述第三連桿1-13自由端的運動范圍，從而限制所述連桿機構(gòu)的轉(zhuǎn)動范圍。所述過載保護裝置1-12能有效保證在火車等外界大激勵下，應(yīng)變光纖光柵1-4不會因應(yīng)變過大而導(dǎo)致斷裂。