【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及振动传感器，特别是涉单分量、三分量光纤光栅振动传感器及其制备方法。
技术介绍
1、本部分的陈述仅仅是提到了与本专利技术相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术。
2、地震破坏性大、频率较低，对人们生命财产安全造成巨大的影响。研究人员布设了大量的振动传感器用于监测地震并在地震到达前及时做出响应从而减少损失。近年来，振动传感器应用范围从地震台网发展到海底地震监测，监测环境日益复杂化，这对振动传感器测量的动态范围、精度及分辨率等技术参数的要求日渐提高，传统的电容式、电磁式、mems等电学类振动传感器已逐渐难以满足复杂环境监测过程中的各项要求。fbg振动传感器具有频带宽、抗电磁干扰、耐高温高压、易于组网复用等优势，克服了电类振动传感器存在诸多局限，因此逐渐在地震监测领域中受到广泛关注。
3、近年来，研究人员设计了大量不同弹性结构的fbg振动传感器，如弹性悬臂梁、弹性膜片和柔性铰链等。wang zilin等人提出了一种基于fbg的单分量中空三角光束辅助的检波器，工作频带为0.6～50.0hz，与振动信号频率呈良好的线性关系，检波器的机械结构具有良好的横向抗干扰能力，x、y轴方向的横向干扰度分别为2.8％和4.6％，但灵敏度较低，仅为120.1pm/g。liu qinpeng等人提出了一种双栅膜片的高优值低交叉灵敏度光纤光栅加速度计，传感器的灵敏度范围为754.3～763.2pm/g，交叉灵敏度-24.76db，并提出一种“品质因数”，即谐振频率与灵敏度的乘积和传感器体积之比，为78.61nm·hz/g，表
4、为实现多分量测量，国内外人员做了大量的改进。li xingyong等人利用飞秒激光狭缝光束技术，设计层波导耦合单模光纤和四芯光纤的二维矢量加速度计，两种正交fbg的最大加速度灵敏度分别为76.68pm/g和82.23pm/g，但是横向抗干扰能力较弱为14.5％。wang hui等人设计了一款基于两对柔性铰链的三维fbg加速度计，x、y方向工作频率范围为40～300hz，加速度幅值范围为1～10g。x、y、z方向灵敏度分别为108.7pm/g、144.2pm/g、27.9pm/g。song han等人设计用于二维振动测量的高性能低角度依赖微型光纤光栅振动传感器，传感器x和y方向的交叉干扰小于2％。传感器在二维平面的各个方向上具有一致的灵敏度127.86pm/g，工作频带较宽20～700hz。wang jingjing等人提出了一种新型的灵敏度可调的光纤光栅二维振动传感器。该传感器在x和y方向的灵敏度分别为16.398～150.680pm/g和16.096～152.290pm/g，平坦的频率范围是0～180hz。然而，多分量振动传感器大多为中高频监测且灵敏度较低，性能难以满足地震中低频高灵敏度监测的需要。
技术实现思路
1、针对目前振动传感器难以有效监测低频信号的问题，本专利技术提供了单分量、三分量光纤光栅振动传感器及其制备方法；首先，建立弹性体模型并推导出灵敏度和谐振频率公式。其次，利用de遗传算法实现多约束条件下结构尺寸的全局优化，并进行模态仿真分析以验证结果。最后，研制出振动传感器实物并搭建低频振动台上测试传感器的性能。
2、一方面，提供了单分量光纤光栅振动传感器；
3、单分量光纤光栅振动传感器，包括：
4、底座，所述底座包括横板和竖板，所述横板的一端与竖板的一端相互连接且彼此垂直；
5、横板上依次设置第一限幅装置、第二限幅装置、第三限幅装置和螺丝；
6、第一限幅装置的第一端部固定在横板上，所述第一限幅装置的第二端部通过十字簧片与固定块连接，所述固定块固定在悬臂梁的第一端部，所述悬臂梁横穿过第二限幅装置和第三限幅装置，悬臂梁的第二端部固定质量块，所述质量块安装在弹簧的正上方，所述质量块与弹簧的一端连接，弹簧的另外一端与螺丝连接；
7、固定块的上表面与第一光纤光栅的第一端连接；第一光纤光栅的第二端与底座的竖板连接，所述第一光纤光栅与横板平行；
8、固定块下端靠近质量块一侧与第二光纤光栅的第一端连接；第二光纤光栅的第二端与底座的横板连接，所述第二光纤光栅与横板垂直。
9、另一方面，提供了三分量光纤光栅振动传感器；
10、三分量光纤光栅振动传感器，包括：
11、由下到上依次连接的第一水平板、第一垂直板、第二水平板、第二垂直板和第三水平板；
12、所述第一水平板与第一垂直板相互垂直；第一垂直板与第二水平板相互垂直；第二水平板与第二垂直板相互垂直；第二垂直板与第三水平板相互垂直；
13、所述第一垂直板与第二垂直板相互垂直；
14、第一垂直板上固定有第一单分量光纤光栅振动传感器，第一单分量光纤光栅振动传感器的底座的横板与第一垂直板相互贴合；
15、第二垂直板上固定有第二单分量光纤光栅振动传感器，第二单分量光纤光栅振动传感器的底座的横板与第二垂直板相互贴合；
16、第三水平板上固定有第三单分量光纤光栅振动传感器，第三单分量光纤光栅振动传感器的底座的横板与第三水平板相互贴合。
17、再一方面，还提供了单分量光纤光栅振动传感器的制备方法；
18、三分量光纤光栅振动传感器的制备方法，包括：
19、构建三分量光纤光栅振动传感器的弹性体模型，并推导出灵敏度和谐振频率公式，从灵敏度和谐振频率公式中找出影响传感器灵敏度和谐振频率的若干个关键参数；
20、所述若干个关键参数，包括：质量块的质量、弹簧的弹性系数、固定块的上表面与第一限位装置上表面之间的距离、第一限位装置的与第二矩形簧片相贴合的侧面与固定块的第二凹槽的侧面之间的距离、以及固定块的与第二矩形簧片相贴合的侧面与质量块中心点之间的距离；
21、基于所有关键参数，建立优化模型，所述优化模型包括目标函数和约束条件；对优化模型采用遗传算法进行全局优化，得到每个关键参数的最优值；
22、基于每个关键参数的最优值，对三分量光纤光栅振动传感器模型进行仿真分析，计算传感器一阶模态频率与二阶模态频率的差值，如果差值大于设定阈值，则表示传感器的结构能够抵抗横向干扰；
23、对三分量光纤光栅振动传感器进行性能测试实验；其中，性能测试实验参数，包括：幅频响应、低频输出响应、动态范围、灵敏度、横向灵敏度比、加速度分辨率或灵敏度角度；如果所有性能测试实验参数的取值均符合设定要求，则表示三分量光纤光栅振动传感器的性能测试实验通过。
24、上述技术方案具有如下优点或有益效果：
25、光纤布拉格光栅fbg振动传感器在地本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.单分量光纤光栅振动传感器，其特征是，包括：
2.如权利要求1所述的单分量光纤光栅振动传感器，其特征是，
3.如权利要求1所述的单分量光纤光栅振动传感器，其特征是，所述十字簧片，包括：镂空的第一矩形簧片和镂空的第二矩形簧片，所述第一矩形簧片与第二矩形簧片相互垂直，第一矩形簧片穿过第二矩形簧片的中心点位置；第一矩形簧片的第一端部与第一限幅装置的上表面固定连接；第一矩形簧片的第二端部与固定块的下表面固定连接；第二矩形簧片的第一端部与固定块的侧面固定连接，第二矩形簧片的第二端部与固定块的侧面固定连接。
4.如权利要求1所述的单分量光纤光栅振动传感器，其特征是，所述固定块为长方体结构，所述固定块的上方靠近悬臂梁一侧设有第一凹槽，所述固定块的下方靠近第一限幅装置一侧设有第二凹槽，所述第一凹槽为长方体凹槽，所述第一凹槽用于与悬臂梁的第一端部固定连接；所述第二凹槽用于为十字簧片的上下活动或左右活动留下活动空间。
5.三分量光纤光栅振动传感器，其特征是，包括：
6.如权利要求5所述的三分量光纤光栅振动传感器的制备方法，其特征是，包括：
7.如权利要求6所述的三分量光纤光栅振动传感器的制备方法，其特征是，构建三分量光纤光栅振动传感器的弹性体模型，并推导出灵敏度和谐振频率公式，从灵敏度和谐振频率公式中找出影响传感器灵敏度和谐振频率的若干个关键参数；
8.如权利要求6所述的三分量光纤光栅振动传感器的制备方法，其特征是，基于所有关键参数，建立优化模型，所述优化模型包括目标函数和约束条件，具体包括：
9.如权利要求6所述的三分量光纤光栅振动传感器的制备方法，其特征是，对优化模型采用遗传算法进行全局优化，得到每个关键参数的最优值，具体包括：
10.如权利要求6所述的三分量光纤光栅振动传感器的制备方法，其特征是，对三分量光纤光栅振动传感器进行性能测试实验，具体包括：对幅频响应进行测试；通过式(10)对各分量各频率的整体振幅进行计算得出幅频响应：
...【技术特征摘要】
1.单分量光纤光栅振动传感器，其特征是，包括：
2.如权利要求1所述的单分量光纤光栅振动传感器，其特征是，
3.如权利要求1所述的单分量光纤光栅振动传感器，其特征是，所述十字簧片，包括：镂空的第一矩形簧片和镂空的第二矩形簧片，所述第一矩形簧片与第二矩形簧片相互垂直，第一矩形簧片穿过第二矩形簧片的中心点位置；第一矩形簧片的第一端部与第一限幅装置的上表面固定连接；第一矩形簧片的第二端部与固定块的下表面固定连接；第二矩形簧片的第一端部与固定块的侧面固定连接，第二矩形簧片的第二端部与固定块的侧面固定连接。
4.如权利要求1所述的单分量光纤光栅振动传感器，其特征是，所述固定块为长方体结构，所述固定块的上方靠近悬臂梁一侧设有第一凹槽，所述固定块的下方靠近第一限幅装置一侧设有第二凹槽，所述第一凹槽为长方体凹槽，所述第一凹槽用于与悬臂梁的第一端部固定连接；所述第二凹槽用于为十字簧片的上下活动或左右活动留下活动空间。
5.三分量光纤光...
【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞蕾，张雨丰，洪利，张鹏，豆宏光，
申请(专利权)人：防灾科技学院，
类型：发明
国别省市：
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