CN101930014A - 基于弹簧型光纤微弯损耗的惯量参数感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弹簧型光纤微弯损耗的惯量参数感测装置，包括一个由弹簧丝构成的多圈形弹簧型构件，在弹簧丝的上表面和下表面上沿弹簧丝纵向分别布设有交错对应的多个变形齿，并在两者变形齿之间夹有信号光纤，弹簧型构件的一端固定有一振子。当有惯量参数改变时，如振动发生时，振子随即响应，并带动弹簧型构件两端的位置改变，并导致弹簧型构件中有相邻的两圈弹簧丝之间的距离改变，从而使这两圈弹簧丝中的上弹簧丝下表面上的变形齿与下弹簧丝上表面上的变形齿之间位置改变，导致信号光纤的弯曲损耗变化，从而推测出振子响应的振动的振幅、频率等参数，最终得到惯量参数。本装置精度高、故障率低，具有广阔的应用前景。

Description

基于弹簧型光纤微弯损耗的惯量参数感测装置

技术领域

本发明涉及一种惯量参数传感器，更确切地说，涉及一种基于弹簧型光纤微弯损耗变化的高精度光纤型惯量参数感测装置。惯量参数包括加速度、振动幅度、振动频率等参数。

背景技术

加速度、振动等惯量参数测试仪器广泛应用于各个行业，如地质勘探、交通、精密机械、高精仪表、发电、航空航天等多个领域均有使用，在地震勘探领域使用的是通过振动测试装置来采集地震波信号，这些资料处理后能够反演出地下的地质结构，广泛应用于石油、煤炭和矿山等行业。过去几十年通常采用电磁式检波器，但随着地震勘探面临：目的层更深、地表条件更复杂、资料要求更精细以及人类活动带来的电磁干扰更多等因素的影响，原有技术已经不能适应越来越高的要求。

新型振动感测装置的发展动向主要体现在微电子机械(MEMS)、新型压电材料以及光纤传感技术等几个领域。其中光纤技术以其独特的优点吸引着研究人员的目光，光纤传感技术具有抗电磁干扰、动态范围大、可以远距离传输、容易构建分布式或阵列式传感系统等等优点，而其中光纤微弯传感技术又具有成本低、易测量、测量频率高、动态范围大，特别是其测量频率和动态范围优点非常突出，测量频率很容易就可以达到上MHz，而常规的电磁式振动检波器一般在数百Hz以内，在动态范围方面，光纤微弯传感技术轻轻松松就可以做到200dB以上，而且还可以更高，而常规的电磁式振动检波器做到100dB都比较困难了，但现有的基于微弯损耗技术的光纤振动传感器大多没有充分发掘出该潜能，如申请号为200410046705.9的中国专利公开了《反馈式光纤共振传感器》；申请号200420113787.4的中国专利公开了《三分量光纤振动测量装置》，因其结构设计方面的缺陷，均导致没有充分发挥和体现出光纤微弯传感技术的优点。目前较多的光纤振动传感器主要集中在以光纤光栅为核心的技术上，如授权公告号为CN2784933Y的中国专利公开了《光纤光栅加速度传感器》；授权公告号为CN2911635Y的中国专利公开了《双旋臂梁光纤光栅振动传感器》；公开号为CN 1587946A的中国专利公开了《基于光纤光栅的光纤微振动传感器》；公开号为CN1752729A的中国专利公开《可调谐匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器》，然而基于光纤光栅的光纤振动传感器主要问题是动态范围小、测试仪器成本高、测试频率低、光纤光栅封装困难、不易构建分布式或阵列式传感系统，从而限制了该类传感器的使用范围。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于弹簧型光纤微弯损耗的惯量参数感测装置，其结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，能够同时利用光纤宏弯损耗和微弯损耗进行检测，使测试的动态范围更大，从而使测试结果更灵敏和准确。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于弹簧型光纤微弯损耗的惯量参数感测装置，其特征在于：包括一个由弹簧丝构成的多圈形弹簧型构件，在弹簧丝的上表面和下表面上沿弹簧丝纵向布设有多个变形齿，相邻两圈弹簧丝中的上弹簧丝的下表面上的变形齿与下弹簧丝上表面上的变形齿交错对应，并在上弹簧丝下表面上的变形齿与下弹簧丝上表面上的变形齿之间夹有信号光纤，弹簧型构件的一端固定于基板上，弹簧型构件的另一端固定有一振子，与信号光纤连接的延长光纤接测试单元。

当有惯量参数改变时，如振动发生时，振子随即响应，并带动弹簧型构件两端的位置改变，并导致弹簧型构件中有相邻的两圈弹簧丝之间的距离改变，从而使这两圈弹簧丝中的上弹簧丝下表面上的变形齿与下弹簧丝上表面上的变形齿之间位置改变，从而使夹在两者变形齿间的信号光纤的弯曲曲率改变而导致信号光纤中传输的光信号的功率变化，信号光纤的延伸光纤与测试单元连接，通过测试单元得到信号光纤的微弯损耗变化，从而推测出振子响应的振动的振幅、频率等参数，最终得到惯量参数。

在所述的弹簧型构件外是与弹簧型构件滑动配合的圆筒。

所述的振子是个质量块，还包括一个与质量块固定在一起的闭合金属线圈，与所述的闭合金属线圈对应安置有具有阻尼作用的磁铁。

所述的振子是块磁铁，在所述的圆筒外侧上安置的是具有阻尼作用的闭合金属线圈。

所述的振子是一悬臂梁，该悬臂梁的一端固定于支撑座，另一端安置有圆环骨架，圆环骨架上缠绕有闭合金属线圈，与闭合金属线圈对应位置安置有阻尼磁铁，所述的弹簧型构件的一端固定于悬臂梁上，另一端固定于基板上。

所述的圆环骨架采用铜或铝金属制成，圆环骨架外侧上下绕制闭合金属线圈，上下线圈的中心位置设有阻尼磁铁。

位于所述的弹簧型构件的相邻两圈变形齿的信号光纤的一端安置有光反射装置，如反射镜或光纤光栅，或者是在信号光纤的末端的端面上镀上反射膜，或者仅仅是将信号光纤末端的端面处理平整。

所述的信号光纤的另一端与1X2分路器的1口连接，1X2分路器的2口分别与构成测试单元的稳定光源和光功率计连接。

由二个或三个振子及其分别对应的二个或三个弹簧型构件构成的二组或三组惯量测试感测装置按照互相垂直的方式组装在一起，构成二维或三维的惯量参数测试装置。

在所述的测试单元后接有处理单元。

所述的防水材料是阻水油膏。

所述信号光纤为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述信号光纤也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、基于弹簧型光纤微弯损耗的惯量参数感测装置，该传感器结构简单、设计合理、操作方法方便且使用方式灵活、灵敏度高；

2、基于弹簧型光纤微弯损耗的惯量参数感测装置，因由弹簧型构件构成，优选的是螺旋形的弹簧型构件，大大增加了信号光纤的有效弯曲长度，一方面增加了检测的精度和灵敏度，并可以减少信号光纤的弯曲曲率，从而延长了信号光纤的使用寿命，使该光纤检测装置具有精度高、使用寿命长的特点；

3、基于弹簧型光纤微弯损耗的振动传感装置，由于可以采用的光源-光功率法测试，从而可以大幅度降低测试单元的成本，是本装置具有广阔的使用范围。

综上所述，本发明结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，所具有的弹簧型构件结构可以大幅度减少信号光纤弯曲曲率，并大幅度延长了信号光纤的有效长度，使本发明的装置具有更好的精度和更长的使用寿命。

下面通过附图和实施例，对发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明第一具体实施方式的结构示意图。

图2为本发明第二具体实施方式的结构示意图。

图3为本发明第三具体实施方式的结构示意图。

图4为本发明第四具体实施方式的结构示意图。

附图标记说明：

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明中，包括一个由弹簧丝构成的多圈形弹簧型构件4，在弹簧丝的上表面和下表面上沿弹簧丝纵向布设有多个变形齿，相邻两圈弹簧丝中的上弹簧丝的下表面上的变形齿4-1与下弹簧丝上表面上的变形齿4-2交错对应，并在上弹簧丝下表面上的变形齿4-1与下弹簧丝上表面上的变形齿4-2之间夹有信号光纤6，弹簧型构件4的一端固定于基板9上，弹簧型构件4的另一端固定有一磁铁振子13，在弹簧型构件4的外围是与弹簧型构件4滑动配合的圆筒10，在圆筒10的外壁上固定有上下两个闭合金属线圈12，磁铁振子13位于上下两个闭合金属线圈12的中心，与信号光纤6连接的延长光纤1接测试单元5，测试单元5后面接处理单元7。

当有惯量参数改变时，如振动发生时，振子随即响应，并带动弹簧型构件4两端的位置改变，并导致弹簧型构件4中有相邻的两圈弹簧丝之间的距离改变，从而使这两圈弹簧丝中的上弹簧丝下表面上的变形齿4-1与下弹簧丝上表面上的变形齿4-2之间位置改变，从而使夹在两者变形齿间的信号光纤6的弯曲曲率改变而导致信号光纤6中传输的光信号的功率变化，与信号光纤6连接的延长光纤1与测试单元5连接，通过测试单元5得到信号光纤6的微弯损耗变化，并将该变化值传输给处理单元7，处理单元7推测出磁铁振子13响应的振动的振幅、频率等参数，最终得到惯量参数。圆筒10可以由铜或铝金属制成，圆筒10的作用时防止弹簧型构件4的摇摆和扭曲。在圆筒10的外壁上固定有上下两个闭合金属线圈12与磁铁振子13相互作用，对磁铁振子13具有阻尼作用，可以通过调节闭合金属线圈的线圈数量调节所述的阻尼力的大小。

可以将二个或三个磁铁振子13及其分别对应的二个或三个弹簧型构件4构成的二组或三组惯量测试感测装置按照互相垂直的方式组装在一起，构成二维或三维的惯量参数测试装置。

可选用稳定光源和光功率计构成所述测试单元5，该方案成本较低，也可以选用光时域反射技术(OTDR)及相干频率调制连续波技术(FMCW)成所述测试单元5来实现测量。

所述信号光纤6为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述信号光纤6也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤；或是多根信号光纤6并排夹持在变形齿间，或是多根信号光纤6通过树脂合并为信号光纤束或信号光纤带。

所述信号光纤6和延长光纤1外部包覆有防水材料，如防水油膏，可进一步防止水分子对信号光纤6和延长光纤1的侵蚀，延长了信号光纤6和延长光纤1的使用寿命。

当然在实际应用中，还应该有一个保护性外壳将所述的弹簧型构件4、磁性振子13、圆筒10以及基板9等元件包裹于其内以便于使用，基板9可以固定于所述的外壳内壁上。

实施例2

如图2所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述的弹簧型构件4和圆筒10固定于基板9上，振子11与闭合金属线圈12固定在一起，阻尼磁铁15与闭合金属线圈12对应安置。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例3

如图2所示，本实施例中，包括一悬臂梁20，该悬臂梁20的一端固定于支撑座31，另一端安置有圆环骨架14，圆环骨架14外侧上下绕制闭合金属线圈12，上下线圈的中心位置设有阻尼磁铁15，阻尼磁铁15通过支撑杆30固定于基板9上，所述的弹簧型构件4的一端固定于悬臂梁20上，另一端固定于基板9上，弹簧型构件4中的信号光纤6通过延长光纤1连接测试单元5，测试单元5后面接处理单元7。

本实施例中，悬臂梁20与圆环骨架14和闭合金属线圈12共同构成振子，当有当有惯量参数改变时，如振动发生时，由悬臂梁20与圆环骨架14和闭合金属线圈12共同构成的振子随即响应，并带动弹簧型构件4的两端的位置的变化，导致弹簧型构件4中有相邻的两圈弹簧丝之间的距离改变，从而使这两圈弹簧丝中的上弹簧丝下表面上的变形齿4-1与下弹簧丝上表面上的变形齿4-2之间位置改变，从而使夹在两者变形齿间的信号光纤6的弯曲曲率改变而导致信号光纤6中传输的光信号的功率变化，与信号光纤6连接的延长光纤1与测试单元5连接，通过测试单元5得到信号光纤6的微弯损耗变化，并将该变化值传输给处理单元7，处理单元7从而计算出悬臂梁20、圆环骨架14和闭合金属线圈12共同构成的振子响应的振动的振幅、频率等参数，最终得到惯量参数。在圆环骨架14上固定的上下两个闭合金属线圈12与阻尼磁铁15相互作用，对悬臂梁20、圆环骨架14和闭合金属线圈12共同构成的振子具有阻尼作用，可以通过调节闭合金属线圈的线圈数量调节所述的阻尼力的大小。

可以将二个或三个悬臂梁20、圆环骨架14和闭合金属线圈12共同构成的振子及其分别对应的二个或三个弹簧型构件4构成的二组或三组惯量测试感测装置按照互相垂直的方式组装在一起，构成二维或三维的惯量参数测试装置。

可选用稳定光源和光功率计构成所述测试单元5，该方案成本较低，也可以选用光时域反射技术(OTDR)及相干频率调制连续波技术(FMCW)成所述测试单元5来实现测量。

所述信号光纤6为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述信号光纤6也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤；或是多根信号光纤6并排夹持在变形齿间，或是多根信号光纤6通过树脂合并为信号光纤束或信号光纤带。

所述信号光纤6和延长光纤1外部包覆有防水材料，如防水油膏，可进一步防止水分子对信号光纤6和延长光纤1的侵蚀，延长了信号光纤6和延长光纤1的使用寿命。

当然在实际应用中，还应该有一个保护性外壳将所述的弹簧型构件4、悬臂梁20以及其上附着物、阻尼磁铁15和基板9等元件包裹于其内以便于使用，基板9可以固定于所述的外壳内壁上。

实施例4

如图4所示，本实施例中，与实施例3不同的是：在所述的弹簧型构件4中的信号光纤6的一端安置有光反射镜18，信号光纤6的另一端通过延长光纤1连接一1X2光分路器33的1口，1X2光分路器33的2口接测试单元5，测试单元5后面接处理单元7当构成测试单元5的是稳定光源和光功率计时，1X2光分路器33的2口分别接稳定光源和光功率计。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例3相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.基于弹簧型光纤微弯损耗的惯量参数感测装置，其特征在于：包括一个由弹簧丝构成的多圈形弹簧型构件，在弹簧丝的上表面和下表面上沿弹簧丝纵向布设有多个变形齿，相邻两圈弹簧丝中的上弹簧丝的下表面上的变形齿与下弹簧丝上表面上的变形齿交错对应，并在上弹簧丝下表面上的变形齿与下弹簧丝上表面上的变形齿之间夹有信号光纤，弹簧型构件的一端固定于基板上，弹簧型构件的另一端固定有一振子，与信号光纤连接的延长光纤接测试单元。

2.按照权利要求1所述的基于弹簧型光纤微弯损耗的惯量参数感测装置，其特征在于：在所述的弹簧型构件外是与弹簧型构件滑动配合的圆筒。

3.按照权利要求1或2所述的基于弹簧型光纤微弯损耗的惯量参数感测装置，其特征在于：所述的振子是个质量块，还包括一个与质量块固定在一起的闭合金属线圈，与所述的闭合金属线圈对应安置有具有阻尼作用的磁铁。

4.按照权利要求2所述的基于弹簧型光纤微弯损耗的惯量参数感测装置，其特征在于：所述的振子是块磁铁，在所述的圆筒外侧上安置的是具有阻尼作用的闭合金属线圈。

5.按照权利要求1所述的基于弹簧型光纤微弯损耗的惯量参数感测装置，其特征在于：所述的振子是一悬臂梁，该悬臂梁的一端固定于支撑座，另一端安置有圆环骨架，圆环骨架上缠绕有闭合金属线圈，与闭合金属线圈对应位置安置有阻尼磁铁，所述的弹簧型构件的一端固定于悬臂梁上，另一端固定于基板上。

6.按照权利要求5所述的基于弹簧型光纤微弯损耗的惯量参数感测装置，其特征在于：所述的圆环骨架采用铜或铝金属制成，圆环骨架外侧上下绕制闭合金属线圈，上下线圈的中心位置设有阻尼磁铁。

7.按照权利要求1所述的基于弹簧型光纤微弯损耗的惯量参数感测装置，其特征在于：位于所述的弹簧型构件的相邻两圈变形齿的信号光纤的一端安置有光反射装置。

8.按照权利要求7所述的基于弹簧型光纤微弯损耗的惯量参数感测装置，其特征在于：所述的信号光纤的另一端与1X2分路器的1口连接，1X2分路器的2口分别与构成测试单元的稳定光源和光功率计连接。

9.按照权利要求1至8所述的任意一项基于弹簧型光纤微弯损耗的惯量参数感测装置，其特征在于：由二个或三个振子及其分别对应的二个或三个弹簧型构件构成的二组或三组惯量测试感测装置按照互相垂直的方式组装在一起，构成二维或三维的惯量参数测试装置。

10.按照权利要求1至8所述的任意一项基于弹簧型光纤微弯损耗的惯量参数感测装置，其特征在于：在所述的测试单元后接有处理单元。

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