本發(fā)明涉及光纖光柵應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體而言是一種懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作方法。

背景技術(shù)：

光纖光柵傳感技術(shù)具有靈敏度高、復(fù)用簡(jiǎn)單、抗電磁干擾、無(wú)源等特性，在加速度傳感器領(lǐng)域倍受青睞。目前，大多數(shù)光纖光柵加速度傳感器利用機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行增敏，將加速度的變化轉(zhuǎn)化為光纖光柵上的波長(zhǎng)變化，再通過(guò)光柵解調(diào)儀還原傳感信息。如專(zhuān)利“一種懸臂梁式光纖光柵加速度計(jì)”(申請(qǐng)?zhí)枺?00710065321.X)、“基于懸臂梁撓度的光纖光柵加速度計(jì)”(申請(qǐng)?zhí)枺?00710065322.X)、“雙等強(qiáng)度懸臂梁光纖光柵振動(dòng)傳感器”(申請(qǐng)?zhí)枺?01010285791.9)、“一種雙懸臂梁光纖光柵加速度傳感器”(申請(qǐng)?zhí)枺?01310092296.X)等都采用了懸臂梁式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將加速度或振動(dòng)轉(zhuǎn)化為光柵的波長(zhǎng)變化后再進(jìn)行檢測(cè)。但相關(guān)專(zhuān)利多側(cè)重于加速度傳感器結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，較少考慮傳感器的制作方法，而在實(shí)際工程中，更多關(guān)注的是傳感器的技術(shù)指標(biāo)能否符合工程需求，以及能否根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象的具體要求，靈活調(diào)節(jié)傳感器的技術(shù)參數(shù)，提供最佳的性能指標(biāo)，如靈敏度、工作頻率等。例如，在泥石流地聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，泥石流地聲的顯著頻率低于200Hz，最小振動(dòng)的加速度幅度在0.2m/s²左右，屬于低頻微弱振動(dòng)信號(hào)的范疇，接近傳統(tǒng)單光柵懸臂梁式加速度傳感器的靈敏度極限。傳統(tǒng)的方法是選擇確定結(jié)構(gòu)方案后，先對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算和軟件仿真，獲取懸臂梁結(jié)構(gòu)的臂長(zhǎng)、質(zhì)量塊的大小等參數(shù)，再通過(guò)精密機(jī)械加工出各個(gè)零件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)組裝。但實(shí)際制作過(guò)程中，由于光纖光柵應(yīng)變誤差、機(jī)械零件的加工誤差、結(jié)構(gòu)裝配誤差等的影響，裝配后傳感器的參數(shù)會(huì)偏離設(shè)計(jì)值，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法使用，需要進(jìn)行返工維修。但由于光纖光柵極易損傷，且多采用環(huán)氧樹(shù)脂與機(jī)械結(jié)構(gòu)粘接，維修拆卸時(shí)極容易造成光柵損壞，且傳感器多設(shè)計(jì)成半封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空間狹窄，維修加工和處理非常困難。因此，研究懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作新方法，對(duì)提高傳感器的性能和合格率非常關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作方法，該方法簡(jiǎn)化了懸臂梁光纖光柵加速度傳感器的設(shè)計(jì)，降低了傳感器的制作難度，大幅提高傳感器的性能和合格率。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作方法，該加速度傳感器包括基座、彈簧片、質(zhì)量塊、側(cè)蓋、光纖光柵；

制作步驟如下：

步驟1：在質(zhì)量塊左右兩個(gè)側(cè)面的中心位置對(duì)稱(chēng)加工有配重孔，在基座和質(zhì)量塊上加工有卡槽，彈簧片的一端與基座的卡槽過(guò)盈配合連接，彈簧片的另一端與質(zhì)量塊卡槽過(guò)盈配合連接，并通過(guò)激光焊接加固；；

步驟2：將帶尾纖的光纖光柵從基座的引入孔導(dǎo)入，所述光纖光柵的一端點(diǎn)膠固定在引入孔上，所述光纖光柵的另一端水平牽引到質(zhì)量塊的上沿，然后點(diǎn)膠固定；光纖光柵的尾纖再懸空回繞到質(zhì)量塊的下沿，經(jīng)基座的引出孔導(dǎo)出并點(diǎn)膠固定，保持回繞尾纖的自由松弛狀態(tài)；

步驟3：將傳感裝置放置在振動(dòng)臺(tái)上，光纖光柵的尾纖的一端接入解調(diào)設(shè)備，光纖光柵的尾纖的另一端浸入匹配液，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)臺(tái)的輸入和光柵反射信號(hào)的波長(zhǎng)變化，確定傳感裝置的諧振頻率點(diǎn)和靈敏度；

步驟4：當(dāng)傳感裝置的諧振頻率點(diǎn)低于設(shè)計(jì)值，通過(guò)對(duì)質(zhì)量塊側(cè)面的配重孔擴(kuò)孔，減輕質(zhì)量塊重量，提高諧振點(diǎn)的頻率；當(dāng)傳感裝置的諧振頻率點(diǎn)高于設(shè)計(jì)值，通過(guò)在配重孔點(diǎn)膠來(lái)增加質(zhì)量塊的重量，降低諧振頻率，提高靈敏度；

步驟5：將傳感裝置老化后，裝配側(cè)蓋，點(diǎn)膠密封；

通過(guò)上述步驟，完成懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作。

所述步驟3中，固定設(shè)置振動(dòng)臺(tái)的加速度值，在0Hz到1.5倍的最大允許工作頻率范圍內(nèi)，以一定的增量調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)激振信號(hào)的頻率，記錄加速度傳感器對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)偏移量；標(biāo)定最大波長(zhǎng)偏移對(duì)應(yīng)的頻率為諧振頻率點(diǎn)，波長(zhǎng)偏移/加速度的曲線擬合斜率為靈敏度。經(jīng)典的懸臂梁傳感器諧振頻率一半高于工作頻率1.5～3倍，以降低傳感器自身特性對(duì)被測(cè)量影響。在光纖加速度傳感器中，考慮光纖應(yīng)變幅度較小，可以適當(dāng)降低加速度傳感器的諧振頻率！當(dāng)振動(dòng)臺(tái)加速度大小不變，而頻率逐步調(diào)節(jié)時(shí)，處于諧振點(diǎn)的激勵(lì)信號(hào)，由于與傳感器發(fā)生共振，在懸臂梁上產(chǎn)生最大作用力，從而形成最大波長(zhǎng)變化，而其它點(diǎn)波長(zhǎng)變化相對(duì)較小，因此，可以根據(jù)該規(guī)律來(lái)標(biāo)定傳感器的諧振頻率點(diǎn)。而其他遠(yuǎn)離諧振諧振頻率點(diǎn)位置上，傳感器自身影響較小，光柵波長(zhǎng)變化與加速度直接相關(guān)，故可作為靈敏度計(jì)算的依據(jù)。

所述光纖光柵2基于G.657的抗彎光纖刻寫(xiě)，裸光柵區(qū)域采用小彈性模量的高分子樹(shù)脂材料超薄涂覆，涂覆后的直徑為135um～140um，柵區(qū)長(zhǎng)度30mm?？紤]光纖粘接和回彎過(guò)程中極易導(dǎo)致光功率損耗，采用G.657抗彎光纖刻寫(xiě)光柵，累積插入損耗小于0.3dB，提高了傳感器的可復(fù)用數(shù)量；柵區(qū)采用小彈性模量的高分子樹(shù)脂材料超薄涂覆，既有效避免了水汽的滲透，延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命，又確保了外力有效作用于光柵部分，提升了傳感器的靈敏度。

本發(fā)明一種懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的制作方法，優(yōu)點(diǎn)在于：

⑴、簡(jiǎn)化了加速度傳感器的設(shè)計(jì)和加工要求：

懸臂梁結(jié)構(gòu)采用分體組合方式設(shè)計(jì)，彈簧片和質(zhì)量塊單獨(dú)加工，避免了一體化設(shè)計(jì)導(dǎo)致的加工困難；懸臂采用專(zhuān)用的彈性金屬材料制作(如65Mn)，用料少，熱處理方便，殘余應(yīng)力小；質(zhì)量塊形狀規(guī)則，有利于通過(guò)精密機(jī)械加工來(lái)控制質(zhì)量塊的重量。

⑵、傳感器的靈敏度高，插入損耗小：

通過(guò)精確的參數(shù)配置，優(yōu)化傳感器的工作頻率，大幅提升懸臂梁光柵傳感器的靈敏度；考慮光纖粘接和回彎過(guò)程中極易導(dǎo)致光功率損耗，采用G.657抗彎光纖刻寫(xiě)光柵，累積插入損耗小于0.3dB；柵區(qū)采用小彈性模量的高分子樹(shù)脂材料超薄涂覆，既有效避免了水汽的滲透，延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命，又確保了外力有效作用于光柵部分，提升了傳感器的靈敏度。

⑶、操作方法簡(jiǎn)單靈活，實(shí)用性強(qiáng)：

在實(shí)際制作過(guò)程中，由于光纖光柵應(yīng)變誤差、機(jī)械零件的加工誤差、結(jié)構(gòu)裝配誤差等的影響，傳感器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)會(huì)偏離設(shè)計(jì)值。

傳統(tǒng)的光纖光柵懸臂梁加速度傳感器在優(yōu)化技術(shù)指標(biāo)時(shí)，往往需要加工多個(gè)不同規(guī)格的質(zhì)量塊，采用逐一替換的方法裝配成加速度傳感器后，再逐一進(jìn)行測(cè)試，制作周期長(zhǎng)，合格率低。而對(duì)于不合格的傳感器，由于環(huán)氧樹(shù)脂固化后剝離困難，且傳感器空間狹小，返工維修廢品率高。

而本發(fā)明通過(guò)在質(zhì)量塊上設(shè)計(jì)專(zhuān)用的配重孔，通過(guò)簡(jiǎn)單機(jī)械加工或注膠進(jìn)行配重，可改變加速度傳感器的靈敏度和頻率范圍，為靈活調(diào)節(jié)傳感器的技術(shù)指標(biāo)提供了方便。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器等效原理圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中泥石流地聲監(jiān)測(cè)的加速度傳感器的頻率特性圖。

圖中：1-基座，2-傳感光柵，3-彈簧片，4-質(zhì)量塊。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)描述：

本實(shí)施例所述的懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器，用于泥石流地聲監(jiān)測(cè)。泥石流地聲是指泥石流爆發(fā)時(shí)，其攜帶大量泥、砂、礫石和水在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的碰撞與摩擦?xí)斐傻乇碚駝?dòng)。研究表明，泥石流地聲的顯著頻率在10～200Hz，典型強(qiáng)度在0.2m/s²左右，與火山爆發(fā)、地震等現(xiàn)象產(chǎn)生的地表振動(dòng)信號(hào)有著明顯的區(qū)別。通過(guò)對(duì)泥石流地聲進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在泥石流發(fā)生初期及時(shí)告警，可以有效避免或減輕泥石流災(zāi)害所造成人員和財(cái)產(chǎn)損失。光纖光柵傳感器具有無(wú)源、抗干擾、復(fù)用能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在地聲監(jiān)測(cè)中具有明顯優(yōu)勢(shì)，成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。本實(shí)施例設(shè)計(jì)的光柵加速度傳感器應(yīng)用于泥石流地聲監(jiān)測(cè)，包括基座1、彈簧片3、質(zhì)量塊4、側(cè)蓋和光纖光柵2。其中，基座1、彈簧片3、質(zhì)量塊4通過(guò)機(jī)械配合連接和激光焊接后，構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)；光纖光柵2與基座和質(zhì)量塊4之間直接采用環(huán)氧樹(shù)脂點(diǎn)膠固定。傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，理論模型如圖2所示。

彈簧片3的采用彈簧鋼制作，厚度0.2mm；基座和質(zhì)量塊4上卡槽的開(kāi)口大小為0.2mm，其中，彈簧片3與基座和質(zhì)量塊4采用過(guò)盈配合連接，再通過(guò)激光焊接加固。

側(cè)蓋采用不銹鋼制作，與基座1側(cè)面采用間隙配合設(shè)計(jì)，側(cè)蓋和基座1裝配后，沿縫隙點(diǎn)環(huán)氧樹(shù)脂膠密封。

本發(fā)明所述的一種懸臂梁式光纖光柵加速度傳感器，制作方法包括如下步驟：

⑴、在質(zhì)量塊4的左右兩個(gè)側(cè)面的中心位置，對(duì)稱(chēng)加工有配重孔，配重孔的直徑φ1.5mm，深度1mm，在基座和質(zhì)量塊4上加工有卡槽。彈簧片3的一端與基座的卡槽過(guò)盈配合連接，彈簧片3的另一端與質(zhì)量塊4的卡槽過(guò)盈配合連接，采用激光對(duì)連接部位加固焊接后，構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)。

⑵、將帶尾纖的光纖光柵2從基座的引入孔導(dǎo)入，光纖光柵2的一端點(diǎn)膠固定在引入孔上，光纖光柵2的另一端水平牽引到質(zhì)量塊4的上沿并保持50N預(yù)張力，然后點(diǎn)膠固定，尾纖再懸空回繞到質(zhì)量塊4的下沿，經(jīng)基座的引出孔導(dǎo)出，在點(diǎn)膠固定，保持回繞尾纖的自由松弛狀態(tài)。

⑶、將傳感裝置放置在振動(dòng)臺(tái)上，尾纖的一端接入解調(diào)設(shè)備，解調(diào)設(shè)備為CCD快速波長(zhǎng)解調(diào)儀，另一端侵入匹配液：無(wú)水酒精，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)臺(tái)的輸入和光柵反射信號(hào)的波長(zhǎng)變化，確定傳感裝置的諧振頻率點(diǎn)和靈敏度。

固定設(shè)置振動(dòng)臺(tái)的加速度值，在10Hz到400Hz的范圍內(nèi)，以10Hz的增量調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)激振信號(hào)的頻率，記錄加速度傳感器對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)偏移量。標(biāo)定最大波長(zhǎng)偏移對(duì)應(yīng)的頻率為諧振頻率點(diǎn)，如圖3中的310Hz，波長(zhǎng)偏移/加速度的曲線擬合斜率為靈敏度。

⑷、當(dāng)傳感器的諧振頻率點(diǎn)低于設(shè)計(jì)值，通過(guò)對(duì)質(zhì)量塊4側(cè)面的配重孔擴(kuò)孔，減輕質(zhì)量塊4重量，提高諧振點(diǎn)的頻率。

⑸、當(dāng)傳感器的諧振頻率點(diǎn)高于設(shè)計(jì)值，通過(guò)在配重孔點(diǎn)膠來(lái)增加質(zhì)量塊4的重量，降低懸臂梁加速度傳感器的諧振頻率，提高傳感器的靈敏度。

⑹將傳感器老化后，裝配側(cè)蓋，點(diǎn)膠密封。

本發(fā)明所涉及的光纖光柵基于G.657的抗彎光纖刻寫(xiě)，裸光柵區(qū)域采用小彈性模量的高分子樹(shù)脂材料超薄涂覆，涂覆后的直徑為135um～140um，柵區(qū)長(zhǎng)度30mm。由于光柵涂覆層減薄，且對(duì)應(yīng)變的抵抗力小，單位應(yīng)變力作用下，光纖的應(yīng)變提升近2倍，光纖光柵加速度傳感器的靈敏度提升2倍左右。

光柵加速度傳感器的優(yōu)化原理如下：

分析圖2中光纖光柵加速度傳感器的理論模型可知，當(dāng)基座受外界振動(dòng)信號(hào)作用向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊4受激振力F_a的作用，使彈片產(chǎn)生變形，同時(shí)受光纖的拉力F_f作用。則質(zhì)量塊4的受力可以簡(jiǎn)化為垂直向上的力F_a和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)力矩M＝F_f*d的共同作用，其中d為光纖粘接點(diǎn)與彈片焊接點(diǎn)之間的距離。

根據(jù)材料力學(xué)中等截面懸臂梁彎曲變形的分析，彈片近似變形擾度ω為：

其中，l為彈片的有效長(zhǎng)度；E為彈性模量；I為慣性矩。

當(dāng)質(zhì)量塊4到達(dá)偏離水平的最遠(yuǎn)位置，且光纖長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于懸臂梁長(zhǎng)度及質(zhì)量塊4厚度時(shí)，光纖的拉伸量ΔL可以表示為：

其中，L為光纖的原始長(zhǎng)度。由材料力學(xué)可知，在彈性變形范圍內(nèi)，光纖上的軸向受力可用如下公式表示：

其中，A為光纖的有效截面積，σ為軸向應(yīng)變，E_f為軸向彈性模量。

聯(lián)立(1)～(3)，帶入光柵波長(zhǎng)偏移與應(yīng)變的關(guān)系Δλ_B＝(1-P_ε)λ_Bε，可得到傳感器的靈敏度S為：

其中，P_ε為軸向泊松參數(shù)，λ_B為光柵的布拉格波長(zhǎng)，m為質(zhì)量塊的質(zhì)量，d為質(zhì)量塊高度的一半。

式(4)可以看出，在傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，加速度的大小與FBG的波長(zhǎng)變化量有嚴(yán)格的線性關(guān)系。

根據(jù)懸臂梁加速度傳感器的理論分析可知，傳感器的一階諧振頻率為：

綜合分析(4)、(5)式可知，對(duì)于這種特定結(jié)構(gòu)的光纖加速度傳感器，質(zhì)量塊大小與傳感器的靈敏度成正比，與固有頻率的平方成反比；彈性體的長(zhǎng)度與靈敏度成近似的正比，和固有頻率平方根成反比。通過(guò)調(diào)節(jié)彈性體的長(zhǎng)度和質(zhì)量塊的大小，可以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)加速度傳感器的靈敏度和固有頻率。

泥石流地聲的顯著頻率低于200Hz，強(qiáng)度約0.2m/s²，這對(duì)光纖光柵傳感器提出了很高的要求。為了獲得較高的靈敏度，傳統(tǒng)的方法是提高波長(zhǎng)解調(diào)儀的解調(diào)精度，即提高光纖光柵解調(diào)設(shè)備的波長(zhǎng)分辨率，這會(huì)導(dǎo)致解調(diào)設(shè)備成本的大幅度攀升，降低解調(diào)的實(shí)時(shí)性。目前，采用CCD解調(diào)的方案，波長(zhǎng)分辨率1pm，折算成加速度傳感器的靈敏度為最低20pm/g。為了確保對(duì)地聲信號(hào)的有效監(jiān)測(cè)，工程設(shè)計(jì)中傳感器的靈敏度要高于200pm/g，諧振頻率點(diǎn)不低于300Hz即可。通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)和仿真分析后，設(shè)計(jì)出加速度傳感器的零件理論尺寸，再加工試樣。但實(shí)際加工制作時(shí)，由于光纖光柵應(yīng)變誤差、機(jī)械零件的加工誤差、結(jié)構(gòu)裝配誤差等的影響，裝配后傳感器的諧振頻率點(diǎn)會(huì)偏離設(shè)計(jì)值，即頻率或者靈敏度不能滿(mǎn)足傳感器的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，造成產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)或者報(bào)廢。

基于本發(fā)明的制作方法，將傳感器進(jìn)行組裝后，在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行校準(zhǔn)，如果傳感器的諧振頻率是1200Hz，而靈敏度是150pm/g，即傳感器的靈敏度低于設(shè)計(jì)指標(biāo)的下限時(shí)，應(yīng)該提高傳感器的靈敏度，優(yōu)化傳感器的工作頻率范圍。具體而言，通過(guò)在質(zhì)量塊4的配重孔中適量點(diǎn)膠，增加質(zhì)量塊4的重量。按照公式(5)的描述，隨著質(zhì)量塊4重量的增加，傳感器的諧振頻率會(huì)快速下降。因此，在點(diǎn)膠配重時(shí)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器的諧振頻率。當(dāng)傳感器的諧振頻率降低到310Hz附近，停止點(diǎn)膠增重，對(duì)配重孔的膠進(jìn)行固化，穩(wěn)定質(zhì)量塊的重量。再對(duì)傳感器的靈敏度進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)測(cè)傳感器的靈敏度在300pm/g，與理論預(yù)期基本一致。在批量生產(chǎn)加速度傳感器時(shí)，為了簡(jiǎn)化操作，可將質(zhì)量塊的尺寸按照下公差加工，確保質(zhì)量塊的重量小于或等于設(shè)計(jì)值，使裝配后的傳感器諧振略高于設(shè)計(jì)頻率，再采取點(diǎn)膠的方式增加配重來(lái)調(diào)校頻率，提高靈敏度，從而避免通過(guò)機(jī)械加工減重的方法來(lái)優(yōu)化傳感器。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。