CN101398440B - 光纤激光加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤激光加速度传感器，包括：作为光纤激光加速度传感器主体的支撑筒，该支撑筒一端开口，另一端的中心具有一第一小孔，用于固定光纤激光器；安装在所述支撑筒开口端的端盖，用于固定并保护光纤激光加速度传感器的内部结构，并引出光纤激光器的尾纤；固定在支撑筒开口端与端盖之间的弹性膜片结构，用于在加速度作用下产生变形；安装在弹性膜片结构中央的质量块，用于增加弹性膜片结构在加速度作用下产生的变形；贯穿所述弹性膜片结构和质量块的光纤激光器，用于测量加速度。本发明提高了光纤激光加速度传感器的测量灵敏度，减小了光纤激光加速度传感器的体积，改善了工艺的一致性。

Description

光纤激光加速度传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种新型的超细光纤激光加速度传感器。

背景技术

光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性等方面具有明显的优势，在国防、军事应用领域显得尤为突出，被许多国家列为重点发展的国防技术。

光纤加速度传感器是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产生的种种调制效应，探测周围环境振动、加速度等信号的仪器。它与传统的压电类传感器相比，有以下主要优势：频带宽、声压灵敏度高、不受电磁干扰、重量轻、可设计成任意形状，以及兼具信息传感及光信息传输于一身等优点。

鉴于光纤振动传感器的如上技术优势，可满足各发达国家在石油、军事等领域的要求，目前已经在此方面积极展开研究。在常见的强度调制型、数字式、光纤光栅式光纤加速度传感器中，光纤光栅式加速度传感器是目前的主要研究方向。

余有龙等人报道了一种光纤光栅加速度计，是采用将光纤光栅粘接在悬臂梁表面的方法。当悬臂梁发生振动时，其表面会有周期性的压拉应变，光纤光栅通过检测悬臂梁表面的应变来实现振动的测量。该种技术方案为了使加速度和传感器的输出保持线性关系，悬臂梁的挠度不能过大，从而限制了传感器的灵敏度，同时由于采用了悬臂梁的结构，传感器的体积过大。

因此，如何提高光纤激光加速度传感器的测量灵敏度并减小光纤激光加速度传感器的体积是进一步发展光纤加速度传感器并进行大规模应用必需解决的重要技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光纤激光加速度传感器，以提高光纤激光加速度传感器的测量灵敏度，减小光纤激光加速度传感器的体积，改善工艺的一致性。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种光纤激光加速度传感器，该光纤激光加速度传感器包括：

作为光纤激光加速度传感器主体的支撑筒10，该支撑筒10一端开口，另一端的中心具有一第一小孔11，用于固定光纤激光器20；

安装在所述支撑筒10开口端的端盖30，用于固定并保护光纤激光加速度传感器的内部结构，并引出光纤激光器20的尾纤；

固定在支撑筒10开口端与端盖30之间的弹性膜片结构50，用于在加速度作用下产生变形；

安装在弹性膜片结构50中央的质量块40，用于增加弹性膜片结构50在加速度作用下产生的变形；

贯穿所述弹性膜片结构50和质量块40的光纤激光器20，用于测量加速度。

上述方案中，所述端盖30在底部进一步开有第二孔31，用于引出光纤激光器20的尾纤。

上述方案中，所述端盖30包括一凸台结构32，该凸台结构32的内径与支撑筒10的内径相同，外径与支撑筒10的外径相同，弹性膜片结构50被夹紧固定在该凸台结构32与支撑筒10的开口端之间。

上述方案中，所述支撑筒10开口端的外表面具有螺纹，端盖30的内表面也具有螺纹，通过将支撑筒10的开口端旋入端盖30，将弹性膜片结构50夹紧固定在凸台结构32与支撑筒10的开口端之间。

上述方案中，所述光纤激光器20的一端固定在支撑筒10底部的第一小孔11处，另一端固定在质量块40上。

上述方案中，所述弹性膜片结构50的中央开有第三孔51，用于穿过光纤激光器20的尾纤，并将光纤激光器20固定在质量块40上。

上述方案中，所述光纤激光器20为分布布拉格反射型光纤激光器，或为分布反馈布拉格型光纤激光器。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种光纤激光加速度传感器，通过采用超细的封装结构，使光纤激光加速度传感器的体积很大程度上减小。在本技术方案中，支撑筒的外径可以小于8mm。

2、本发明提供的这种光纤激光加速度传感器，采用弹性膜片结构对光纤激光器进行增敏，灵敏度高并且易于控制。

附图说明

图1是本发明提供的光纤激光加速度传感器的结构示意图。

图2是本发明提供的光纤激光加速度传感器的支撑筒(10)的结构示意图。

图3是本发明提供的光纤激光加速度传感器的弹性膜片结构(50)的结构示意图。

图4是本发明提供的光纤激光加速度传感器的端盖(30)的结构示意图。

图5是本发明提供的光纤激光加速度传感器的质量块(40)的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1是本发明提供的光纤激光加速度传感器的结构示意图，该光纤激光加速度传感器包括支撑筒10、端盖30、弹性膜片结构50、质量块40和光纤激光器20。

如图2至图5所示，支撑筒10作为光纤激光加速度传感器的主体，一端开口，另一端的中心具有一第一小孔11，用于固定光纤激光器20。端盖30安装在支撑筒10的开口端，用于固定并保护光纤激光加速度传感器的内部结构，并引出光纤激光器20的尾纤。弹性膜片结构50固定在支撑筒10开口端与端盖30之间，用于在加速度作用下产生变形。质量块40安装在弹性膜片结构50的中央，用于增加弹性膜片结构50在加速度作用下产生的变形。光纤激光器20贯穿弹性膜片结构50和质量块40，用于测量加速度。

如图4所示，端盖30在底部进一步开有第二孔31，用于引出光纤激光器20的尾纤。端盖30包括一凸台结构32，该凸台结构32的内径与支撑筒10的内径相同，外径与支撑筒10的外径相同，弹性膜片结构50被夹紧固定在该凸台结构32与支撑筒10的开口端之间。

如图2所示，支撑筒10开口端的外表面具有螺纹12，端盖30的内表面也具有螺纹33，通过将支撑筒10的开口端旋入端盖30，将弹性膜片结构50夹紧固定在凸台结构32与支撑筒10的开口端之间。光纤激光器20的一端固定在支撑筒10底部的第一小孔11处，另一端固定在质量块40上。

如图3所示，弹性膜片结构50的外径不大于凸台结构32的外径，以便可以顺利安装在凸台处。弹性膜片结构50的中央开有第三孔51，用于穿过光纤激光器20的尾纤，并将光纤激光器20固定在质量块40上。

在本实施例中，质量块40一端粗一端细的圆柱体，在细端有外螺纹，可以通过螺母45(如图5所示)安装在弹性膜片结构50上。质量块40轴向中央开有第四孔42，用于固定光纤激光器20的一端并引出光纤激光器20的尾纤。

弹性膜片结构50的固定方式为：通过旋紧支撑筒(10)端部的螺纹12和端盖30内部的螺纹33，使弹性膜片结构50夹紧在凸台32处。

光纤激光器20为分布布拉格反射(DBR)型光纤激光器，或为分布反馈布拉格(DFB)型光纤激光器。光纤激光器20的安装方式为：其一端固定在支撑筒10底部的第一孔11处，另一端固定在质量块40上。

光纤激光器20中一般具有一定的初始拉应力。

本发明提供的这种光纤激光加速度传感器的工作原理如下：

当该光纤激光加速度传感器受到轴向加速度作用时，质量块40和光纤激光器20构成一质量-弹簧系统。质量块40在传感器的轴向发生受迫振动，带动光纤激光器20随之伸长和缩短。于是在光纤激光器20中产生轴向的应力。对于光纤激光器，其输出的波长的变化量与所受轴向应力成正比，故通过检测波长的变化量可以得到外界振动加速度的大小。

同时，由于质量块40的质量将对加速度计的灵敏度和自振频率产生显著的影响，故可以通过调节质量块40的质量来改变传感器的灵敏度和自振频率。

弹性膜片结构50的作用是在一定范围内调节传感器的灵敏度和自振频率，这可以通过调整弹性膜片结构50的厚度、弹性模量等参数实现。弹性膜片结构50还可以起到限制传感器横向灵敏度的作用。

另外，本结构不仅限于光纤激光加速度传感器的设计，传感光纤除可以采用光纤激光器20外还可以采用光纤光栅、啁啾光栅、倾斜光栅、长周期光纤光栅，或其他类型的传感光纤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光纤激光加速度传感器，其特征在于，该光纤激光加速度传感器包括：

作为光纤激光加速度传感器主体的支撑筒(10)，该支撑筒(10)一端开口，另一端的中心具有一第一小孔(11)，用于固定光纤激光器(20)；

安装在所述支撑筒(10)开口端的端盖(30)，用于固定并保护光纤激光加速度传感器的内部结构，并引出光纤激光器(20)的尾纤；

固定在支撑筒(10)开口端与端盖(30)之间的弹性膜片结构(50)，用于在加速度作用下产生变形；

安装在弹性膜片结构(50)中央的质量块(40)，用于增加弹性膜片结构(50)在加速度作用下产生的变形；

贯穿所述弹性膜片结构(50)和质量块(40)的光纤激光器(20)，用于测量加速度；其中，该光纤激光器(20)的一端固定在支撑筒(10)底部的第一小孔(11)处，另一端固定在质量块(40)上。

2.根据权利要求1所述的光纤激光加速度传感器，其特征在于，所述端盖(30)在底部进一步开有第二孔(31)，用于引出光纤激光器(20)的尾纤。

3.根据权利要求1所述的光纤激光加速度传感器，其特征在于，所述端盖(30)包括一凸台结构(32)，该凸台结构(32)的内径与支撑筒(10)的内径相同，外径与支撑筒(10)的外径相同，弹性膜片结构(50)被夹紧固定在该凸台结构(32)与支撑筒(10)的开口端之间。

4.根据权利要求3所述的光纤激光加速度传感器，其特征在于，所述支撑筒(10)开口端的外表面具有螺纹，端盖(30)的内表面也具有螺纹，通过将支撑筒(10)的开口端旋入端盖(30)，将弹性膜片结构(50)夹紧固定在凸台结构(32)与支撑筒(10)的开口端之间。

5.根据权利要求1所述的光纤激光加速度传感器，其特征在于，所述弹性膜片结构(50)的中央开有第三孔(51)，用于穿过光纤激光器(20)的尾纤，并将光纤激光器(20)固定在质量块(40)上。

6.根据权利要求1所述的光纤激光加速度传感器，其特征在于，所述光纤激光器(20)为分布布拉格反射型光纤激光器，或为分布反馈布拉格型光纤激光器。

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