CN101639485A - 一种光纤加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤加速度传感器，其包括光纤和弹性膜片；所述光纤端面与弹性膜片平行设置，构成法布里－珀罗腔；所述弹性膜片上设置有质量块，用于在被测量物体的加速度作用下，产生惯性力作用于所述弹性膜片，使所述法布里－珀罗腔的长度依据被测量加速度的变化而改变，并通过所述光纤将变化的干涉光谱传出。本发明的光纤加速度传感器体积微小、抗干扰能力强，且响应频带宽、灵敏度高、成本低，可广泛应用于加速度测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是涉及一种光纤加速度传感器。
背景技术
光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。
加速度是工业等众多领域中用于安全状态监控的重要待测参数。加速度信号的测量通常是利用惯性原理，通过感知惯性力所产生的位移或者应变而测得相应的加速度，主要有压电式、压阻式、电容式加速度传感器。但采用该原理制作的传感器一般结构复杂，需要通电，且环境适应能力差，容易受到电磁干扰。也有利用光纤传感技术测量加速度，但其一般限于采用光纤作为光传输介质，且传感器结构一般过于复杂，成本高，测量精度低，且无法实现远端测量。
因此，现有技术还有待改进和提高。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述缺点，提供一种基于法布里-珀罗干涉原理的光纤加速度传感器，该光纤加速度传感结构简单、灵敏度高、安装方便、体积小，易于批量生产。
本发明技术方案是：
一种光纤加速度传感器，其包括光纤和弹性膜片；所述光纤端面与弹性膜片平行设置，构成法布里-珀罗腔；所述弹性膜片上设置有质量块，用于在被测量物体的加速度作用下，产生惯性力作用于所述弹性膜片，使所述法布里-珀罗腔的长度依据被测量加速度的变化而改变，并通过所述光纤将变化的干涉光谱传出。
本发明所述的光纤加速度传感器，其中，所述弹性膜片为硅膜片。
本发明所述的光纤加速度传感器，其中，所述弹性膜片上镀有反射膜，用于提高所述弹性膜片的光反射率。
本发明所述的光纤加速度传感器，其中，所述光纤端面上设置有玻璃片，所述玻璃片与所述弹性膜片相平行。
本发明所述的光纤加速度传感器，其中，所述质量块与所述弹性膜片成一体设置。
本发明所述的光纤加速度传感器，其中，所述弹性膜片为锗膜片。
本发明所述的光纤加速度传感器，其中，所述硅膜片为圆形。
本发明所述的光纤加速度传感器，其中，所述硅膜片为十字梁形。
本发明所述的光纤加速度传感器，其中，所述光纤和所述弹性膜片固定在一底座上。
本发明所述的光纤加速度传感器，其中，所述反射膜为铝膜。
本发明的光纤加速度传感器体积微小、抗干扰能力强，且响应频带宽、灵敏度高、成本低，可广泛应用于加速度测量。
附图说明
图1为本发明的光纤加速度传感器结构图；
图2为本发明的多光束干涉示意图。
具体实施方式
以下结合附图，将对本发明的较佳实施例加以详细说明。
本发明的光纤加速度传感器基于法布里-珀罗(Fabry-Perot，F-P)干涉原理，其结构如图1所示，包括光纤103和弹性膜片102，其中光纤103端面与弹性膜片102相互平行，构成法布里-珀罗腔(F-P腔)200，利用多束光干涉来检测被测量物体加速度。
其中多光束干涉原理示意图如图2所示，当单色光Ii入射到一块上下表面平行的平板时，在平板上、下两个面上都会发生反射和折射，设入射角i1≈0，即接近正入射。经过两个面的反复折射和反射，我们将得到一个无穷系列的反射光(上表面)和一个无穷系列的折射光(下表面)。当平板的复合反射率较小的情况下，可以只考虑两反射光束的干涉。但是，当平板的复合反射率较高时，需要按多光束干涉处理。
本实施例的基于F-P干涉原理的光纤加速度传感器，如图1所示，是在光纤顶端制作出两个反射膜层，分别是光纤端面和镀铝硅膜层，中间形成一个微型空气腔，即F-P腔，腔长为t。当光通过光纤入射到这个F-P腔时，就会发生上述的多光束干涉。此时，相邻两光束之间的光程差δ和相位差
分别为：
δ＝2n2tcosi2 (1)
和，
式(1)和(2)中，n2为空气腔的折射率，且n2≈1，λ为光源波长，t为空气腔长度，即F-P腔长。
反射光强为：
透射光强为：
从式(4)可以看出，反射光强Ir是关于相位差
的函数。而相位差
又与F-P腔长度t有关。腔长t发生变化，则引起相位差
的变化，进而引起反射光强Ir的变化。根据此原理逆推，则可以由反射光强Ir的变化推导出F-P腔长度t的变化，从而实现对加速度的传感。
本实施例中，如图1所示，光纤103向F-P腔200发射光信号，在光纤另一端上可连接有远端测量仪，当光信号从光纤103中入射到F-P腔200时，经两反射面反复地反射和折射后原路返回、并相遇而产生干涉。一质量块101固定于弹性膜片102上，质量块101在被测量物体的加速度a的作用下，产生惯性力作用于弹性膜片102，该压力随着加速度变化而变化，弹性膜片102在该压力作用下，发生挠度变化，引起F-P腔200长度随被测量加速度变化而变化，引起反射光的相位差发生变化，从而导致干涉谱的变化。远端测量仪通过光纤分别接收F-P腔200的长度改变前和改变后的两反射光，根据改变前和改变后的反射光的相位差变化所引起的干涉谱的变化，推知F-P腔200长度t的变化，进而推导出被测量物体的加速度变化。
本实施例中的远端测量仪可采用现有技术中的光谱分析仪器或功率计。
本实施例中，弹性膜片102可采用任何具有弹性、能在外力的作用下发生弹性形变的材料制成。优选采用适合于进行微细加工、体积小的硅膜片，以提高传感器的测量精度，并减小传感器的体积。也可以采用同样适合于进行微细加工、体积小的锗膜片等制成弹性膜片。
由于弹性膜片对光的反射率较低，如硅膜片，对光谱中的红外光透过率极高，因此本实施例中，可在F-P腔内的弹性膜片102上镀有反射膜104，如铝膜，或其他光反射材料，可提高弹性膜片102的光反射率，以提高传感器的灵敏度及测量精度。同时，可在光纤与弹性膜片平行的端面上设置玻璃片105，玻璃片105与弹性膜片102相平行，可有效提高传感器的灵敏度。
采用硅膜片制作本发明实施例的光纤传感器时，按照适当参数设计掩模版，采用光刻工艺、反应离子刻蚀工艺以及湿法腐蚀工艺等，在硅片上制作如图1所示的光纤加速传感器器件，并与光纤进行组装和封装，即可得到本发明的光纤加速度传感器。
其中，可将质量块101与弹性膜片102制成一体结构，也可以将二者分开，采用连接杆等结构将质量块101安装在弹性膜片102上。可将弹性膜片，如硅膜片，加工为圆形，或者十字梁形，以适合传感器整体结构为宜。安装时，光纤103和弹性膜片102可固定在一底座106上，保证光纤103端面与弹性膜片102相平行，以保证F-P腔的干涉性能。
本发明的光纤加速度传感器通过将加速度信号转化为光信号，通过光纤传输，实现了远端测量，同时解决了电磁干扰等问题，从而也进一步提高传感器的精度、可靠性，并降低了成本。其不但具有体积微小的特点，易于实现集成化批量生产；同时更加适应强电磁干扰、高温等恶劣环境；并具有微型、响应频带宽、高灵敏度、低成本等特点，因此在加速度传感方面极为实用。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1、一种光纤加速度传感器，其特征在于，包括光纤和弹性膜片；所述光纤端面与弹性膜片平行设置，构成法布里-珀罗腔；所述弹性膜片上设置有质量块，用于在被测量物体的加速度作用下，产生惯性力作用于所述弹性膜片，使所述法布里-珀罗腔的长度依据被测量加速度的变化而改变，并通过所述光纤将变化的干涉光谱传出。
2、如权利要求1所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述弹性膜片为硅膜片。
3、如权利要求2所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述弹性膜片上镀有反射膜，用于提高所述弹性膜片的光反射率。
4、如权利要求3所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述光纤端面上设置有玻璃片，所述玻璃片与所述弹性膜片相平行。
5、如权利要求4所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述质量块与所述弹性膜片成一体设置。
6、如权利要求1所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述弹性膜片为锗膜片。
7、如权利要求2所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述硅膜片为圆形。
8、如权利要求2所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述硅膜片为十字梁形。
9、如权利要求1所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述光纤和所述弹性膜片固定在一底座上。
10、如权利要求3所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述反射膜为铝膜。
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