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专利名称：一种多悬臂梁全绝缘材料光纤光栅振动传感器

专利类型：发明专利

专利申请号：CN201711400978.7

专利申请（专利权）人：云南电网有限责任公司昭通供电局
权利人地址：云南省昭通市朱提大道中段

专利发明（设计）人：邱平,沈龙,徐云水,高俊,杨静思,崔光鑫,李锐,何建,付玉峰,周云峰,张笑天,张崇兴,李健,李庆东,王官洋,杨鹏,李海龙,蒋庚楠,梅明星,王发志,欧阳廷楠

专利摘要：本发明一种多悬臂梁的全绝缘材料光纤光栅振动传感器，包括振动传感系统、底座及顶盖。振动传感系统由质量块、四个等长度悬臂梁以及与悬臂梁相连的边框组成。质量块通过四根薄片悬臂梁与边框相连，由悬臂梁托起悬置。在传感器底座的四个角设置四个等高度的凸起四棱柱，将振动传感器放置其中，传感器的边框刚好卡在四个棱柱表面，振动传感器便得以悬置于底座中。当传感器感受到振动时，质量块带动悬臂梁一起发生振动，质量块上粘贴的光栅波长发生变化，根据其变化量即可测出振动频率。通过四根悬臂梁固定质量块，加强其抗干扰能力，抑制高阶模态谐振的产生，既能灵敏地检测出振动信号，又由于非金属材料的绝缘性而具有很好的绝缘效果。

主权利要求：
1.一种多悬臂梁全绝缘材料光纤光栅振动传感器，其特征在于，包括一个矩形盒式的底座、连接在底座内的振动传感器、及封盖在底座上的顶盖；其中，振动传感件包括一个矩形体的质量块(1)、对称连接在质量块(1)四个面的四根等长度悬臂梁(3)以及环连接四根悬臂梁(3)的边框(4)；质量块（1），悬臂梁（3）以及边框（4）底面在同一高度；上下底面为正方形的柱体质量块（1）通过四根薄片悬臂梁（3）与边框（4）相连，质量块(1)由悬臂梁（3）托起悬置；
在顶盖四角处也设置有4个等高度四棱柱凸起(7)，矩形盒式的底座的四个角设置四个等高度的凸起四棱柱（6），振动传感器的边框刚好卡在四个棱柱（6）表面，由四个棱柱（6）支撑，将顶盖盖在底座上，四个棱柱凸起（7）插入底座，该四个棱柱凸起(7)与底座的4个棱柱(6)对接，振动传感器的边框紧紧夹于中间并悬置于底座中，振动传感器感受到振动时，质量块（1）带动悬臂梁（3）一起振动，光栅波长发生变化，根据其变化量即可测出振动信号；
四根悬臂梁(3)的长宽高尺寸完全相同且位于质量块(1)底面四条边的中点；
底座内的四个角分布设有四个等高度的凸起四棱柱(6)并开设有连接孔(6.1)，在边框(4)的四个角上开设有穿孔(4.1)，穿孔(4.1)与连接孔(6.1)对应连接；
所述悬臂梁（3）的长度是质量块（1）边长的一半，悬臂梁（3）宽度是质量块（1）边长的七分之一；悬臂梁（3）厚度是质量块（1）厚度的八分之一。
2.根据权利要求1所述的一种多悬臂梁全绝缘材料光纤光栅振动传感器，其特征在于，在所述的质量块(1)上方表面中心设有一个凸起小块(2)，用于粘贴光栅；在底座的一个对称面两边中间位置开设有一开口(6.2)；其凸起小块(2)表面与底座边缘上的开口(6.2)底部高度相同，光栅(8)拉紧粘于凸起小块(2)与开口(6.2)之间。
3.根据权利要求1所述的一种多悬臂梁全绝缘材料光纤光栅振动传感器，其特征在于，在所述底座的边缘壁位于开口(6.2)处下方设置有凸起(5)，用于增大与光栅粘贴的表面积，凸起（5）的上表面与质量块（1）上面的凸起小块（2）的上表面高度相同，将光栅拉紧粘于两处，两条凸起上方均设两个开口（6.2），粘光栅时，光纤(9)套管放在此处。
4.根据权利要求1所述的一种多悬臂梁全绝缘材料光纤光栅振动传感器，其特征在于，质量块(1)上方有一个凸起小块(2)，表面与底座边缘上的开口高度相同，将光栅拉紧粘于两点之间；在振动传感器的四角，经过4根四棱柱，打出四个螺丝孔，通过螺丝将振动传感系统、底座及顶盖固定在一起。
5.根据权利要求1所述的一种多悬臂梁全绝缘材料光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述振动传感器设有两个输出端口，均可读出传感信息，当有一端出现故障时，还可通过另一端口检测信息；光纤(9)采用一层内套管(10)和一层外套管(11)保护。 说明书 : 一种多悬臂梁全绝缘材料光纤光栅振动传感器技术领域[0001] 本发明属于光纤光栅传感器技术，尤其是一种多悬臂梁全绝缘材料光纤光栅振动传感器结构技术。背景技术[0002] 目前，在光纤光栅传感器技术领域中，我们所接触到的振动传感器从材料上看多为金属材料制作而成，从结构上来看多为单悬臂梁结构。对于金属材料的传感器，发展至今，在工业中已经得到了广泛的应用。然而，当面对高压电气设备一类具有强电场的工作环境时，金属振动传感器容易引起局部范围内的放电现象。每一次局部放电对设备的绝缘介质都会有一些影响。这是使高压电气设备绝缘性损坏的一个重要因素。对于单悬臂梁结构的振动传感器，其悬臂梁在载荷作用下，既容易产生挠度，又容易产生转角，而且抗扭能力差，这在一定程度上影响了所设计传感器的性能。发明内容[0003] 本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多悬臂梁非金属振动传感器，这种悬臂梁结构可以防止悬臂梁产生挠度及转角，而且具有很强的抗扭能力，从而抑制高阶模态谐振的产生。多悬臂梁结构可以克服传统单一悬臂梁结构的问题，使得四根悬臂梁端部在载荷的作用下将近似产生单一自由度的振动。本发明既具有良好的绝缘性，又具有很强的抗干扰能力。[0004] 本发明的目的是这样实现的：一种多悬臂梁全绝缘材料光纤光栅振动传感器，特征在于，包括一个矩形盒式的底座、连接在底座内的振动传感件、及封盖在底座上的顶盖；其中，振动传感件包括一个矩形体质量块(1)、对称连接在质量块(1)四个面的四根等长度悬臂梁(3)以及环连接四根悬臂梁(3)的边框(4)；在底座内的四个角分布设有四个等高度的凸起四棱柱(6)并开设有连接孔(6.1)，在边框(4)的四个角上开设有穿孔(4.1)，穿孔(4.1)与连接孔(6.1)对应连接，实现质量块(1)的悬置，在顶盖四角处也设置有四个等高度四棱柱凸起(7)，该四个棱柱凸起(7)与底座的四个棱柱(6)对接；在底座的一个对称面两边中间位置开设有一开口(6.2)；在质量块(1)上方设有一个凸起小块(2)，其表面与底座边缘上的开口(6.2)底部高度相同，光栅(8)拉紧粘于凸起小块(2)与开口(6.2)之间，光纤(9)采用一层内套管(10)和一层外套管(11)保护。[0005] 本发明在底座边缘壁位于开口(6.2)处下方设置有凸起(5)，用于增大与光栅粘贴的表面积。[0006] 本发明四根悬臂梁(3)的长宽高尺寸完全相同且位于质量块(1)底面四条边的中点。[0007] 本发明的结构可划分为三部分，分别是振动传感系统、底座及顶盖。振动传感系统由质量块、四个等长度悬臂梁以及与悬臂梁相连的边框组成。质量块与悬臂梁一体制成，无需粘贴，从而避免因松动而影响振动效果的问题。质量块通过四根薄片悬臂梁与边框相连，由悬臂梁托起悬置。在传感器底座的四个角设置四个等高度的凸起四棱柱，将振动传感器放置其中，传感器的边框刚好卡在四个棱柱表面，质量块便得以悬置于底座中。传感器的顶盖四角处也设置四个等高度四棱柱凸起，将顶盖盖在底座上，四个棱柱凸起插入底座，与底座的四个棱柱对接，振动传感器的边框紧紧夹于中间。质量块上方有一个凸起小块，表面与底座边缘上的开口高度相同，将光栅拉紧粘于两点之间。当传感器感受到振动时，质量块带动悬臂梁一起振动，光栅波长发生变化，根据其变化量即可测出振动信号。在这一结构中，传感器底座的四根柱体相当于四根支架，对传感系统可起到平衡支撑的效果。顶盖上的四根柱体在上方紧紧压住振动传感系统，可以杜绝因振动而产生松动的现象。质量块设计为上下底面都是正方形的柱体，四根长度相等的悬臂梁分别位于四条底边的中点，且四根悬臂梁位于同一高度，这样既能保证质量块保持悬置状态，又能保证四根悬臂梁受力相同。大大地提高了测量的稳定性及准确性。[0008] 本发明为能够测量物体振动频率的振动传感器，结构简单，安装方便，能够在恶劣的环境下进行远程实时监测，同时，在测量的稳定性、灵敏度和精确度方面有较大提高。[0009] 综上所述，本发明的有益效果是：[0010] 1、该传感器为非金属材料的振动传感器，材料选用尼龙(PA)，此材料属于可再生能源，易于加工且成本低，因此选用此种材料既能简化加工程序，又能降低成本，最重要的是此材料还具有良好的绝缘性。[0011] 2、该传感器的质量块与悬臂梁制作为一体，免去粘贴，可以防止松动问题。质量块由四根等强度悬臂梁固定，这种结构可以防止悬臂梁产生挠度及转角，而且具有很强的抗扭能力，从而抑制高阶模态谐振的产生。多悬臂梁结构可以克服传统单一悬臂梁结构的问题，使得四根悬臂梁端部在载荷的作用下将近似产生单一自由度的振动。由此可知，本发明既具有良好的绝缘性，又具有很强的抗干扰能力。附图说明[0012] 图1为本发明振动传感器的安装结构示意图；[0013] 图2为本发明振动传感器质量块—悬臂梁结构示意图；[0014] 图3为本发明振动传感器底座的结构示意图；[0015] 图4为本发明振动传感器的顶盖示意图。具体实施方式[0016] 下面结合附图对本发明的结构进行清楚完整地描述。[0017] 见图1,一种多悬臂梁全绝缘材料光纤光栅振动传感器，包括一个矩形盒式的底座、连接在底座内的振动传感件、及封盖在底座上的顶盖；其中，振动传感件包括一个矩形体质量块1、对称连接在质量块1四个面的四根等长度悬臂梁3以及环连接四根悬臂梁3的边框4；在底座内的四个角分布设有四个等高度的凸起四棱柱6并开设有连接孔6.1，在边框4的四个角上开设有穿孔4.1，穿孔4.1与连接孔6.1对应连接，实现质量块1的悬置，在顶盖四角处也设置有四个等高度四棱柱凸起7，该四个棱柱凸起7与底座的四个棱柱6对接；在底座的一个对称面两边中间位置开设有一开口6.2；在质量块1上方设有一个凸起小块2，其表面与底座边缘上的开口6.2底部高度相同，光栅8拉紧粘于凸起小块2与开口6.2之间，光纤9采用一层内套管10和一层外套管11保护。[0018] 本发明在底座边缘壁位于开口6.2处下方设置有凸起5，用于增大与光栅粘贴的表面积。[0019] 本发明四根悬臂梁(3)的长宽高尺寸完全相同且位于质量块1底面四条边的中点。[0020] 在图2中，上下底面为正方形的柱体质量块1通过四根薄片悬臂梁3与边框4相连，由悬臂梁3托起悬置。质量块1，悬臂梁3以及边框4底面在同一高度。悬臂梁3的长宽及厚度要与质量块1的长宽高成比例。悬臂梁3的长度是质量块1边长的一半，悬臂梁3宽度是质量块1边长的七分之一。悬臂梁3厚度是质量块1厚度的八分之一。在质量块1上表面中心设一凸起2，用于粘贴光栅。在图3中，传感器底座的四个角设置四个等高度的凸起四棱柱6，将振动传感器放置其中，传感器的边框刚好卡在四个棱柱6表面，由四个棱柱6支撑，振动传感器便得以悬置于底座中。由于传感器底座边缘较。焕谡彻庹，因此在边缘壁设置两条凸起5增大与光栅粘贴的表面积，凸起5的上表面与质量块上面的凸起2的上表面高度相同。将光栅拉紧粘于两处。两条凸起上方均设两个开口，粘光栅时，光纤套管刚好放在此处。本使用新型设有两个输出端口，均可读出传感信息，当有一端出现故障时，还可通过另一端口检测信息。在图4中，传感器的顶盖四角处也设置四个等高度四棱柱凸起7，将顶盖盖在底座上，四个棱柱凸起7插入底座，与底座的四个棱柱6对接，振动传感器的边框紧紧夹于中间。在传感器的四角，经过四根四棱柱，打出四个螺丝孔，通过螺丝将本发明的三个部分固定在一起。质量块1上方有一个凸起小块2，表面与底座边缘上的开口高度相同，将光栅拉紧粘于两点之间。当传感器感受到振动时，质量块1带动悬臂梁3一起振动，光栅波长发生变化，根据其变化量即可测出振动信号。[0021] 本发明首先材料选择的是尼龙，学名聚酰胺纤维(PA)，尼龙是一种可降解的热塑性树脂材料。此原料机械性能及物理性能良好，加工方便，应用广泛且具有良好的绝缘性。

专利地区：云南

专利申请日期：2017-12-19

专利公开日期：2024-08-16

专利公告号：CN107860462B