CN104483008A - 一种光纤光栅三维振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤光栅三维振动传感器，采用单膜片敏感结构，该三维光纤光栅振动传感器包括设置在壳体内的膜片、惯性质量块，以及传感光栅，所述惯性质量块位于膜片的几何中心，并固定于膜片下方，膜片固定于外壳的内壁；所述膜片上表面设置有三个传感光栅，传感光栅通过光纤出孔与外部解调单元相连。本发明利用光纤光栅的波长传感原理，在外界振动信号作用下使传感器敏感膜片的上表面不同位置产生拉应变和扭应变，当外界振动信号作用于该结构时，引起传感器内惯性质量块的振动，进而产生惯性力和扭矩，使得封装于其上的光栅的波长漂移，通过检测三只光栅波长的变化，实现三个方向振动信号的检测。

Description

一种光纤光栅三维振动传感器

【技术领域】

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种用于测定物体振动的方向、幅度和频率的光纤光栅三维振动传感器。

【背景技术】

光纤光栅作为一种波长选择器件，在光通信领域和光传感领域具有广泛的应用，特别是在光传感领域，具有广泛的应用前景。光纤光栅在准静态传感领域已取得了长足的发展，但在动态传感领域仍然是一个研究热点问题，特别是光纤光栅三维振动检测工程领域设计的一个难点问题。光纤光栅的反射或透射波的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，而外界温度或应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射波长的变化，这就是光纤光栅传感器的基本工作原理。

与传统的强度调制型或相位调制型光纤传感器相比，光纤光栅作为波长调制型传感器具有许多独特的优点：(1)测量信号避免了“光强型”传感器(读取信息是测量光强大小，因光源起伏、连接损耗、光纤弯曲损耗等因素造成的测量精度下降的影响；(2)避免了“干涉型”传感器(读取信息是观察干涉条纹的变化)中相位测量的不清晰和对固定参考点的需要；(3)光纤光栅传感器是自身参考的，可以通过对光纤光栅定标后对被测量进行绝对测量，不必基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考；(4)传感探头结构简单、尺寸小，其外径与光纤本身相同，适于各种精密测量；(5)光纤光栅传感器能方便的利用波分复用技术在一根光纤中串联多个光纤光栅进行分布式测量，构成光纤传感网络。在实际工程领域经常需要三维探测，例如井间地震勘探，为了精细描述油藏的分布，需要用到三维检波器，由于油井中的环境比较恶劣，传统的电类单个检波器很难实现三维信号的检测，而光纤光栅检波器则可发挥其耐高温、耐腐蚀和抗电磁干扰的特点。目前对光纤光栅振动传感器的研究主要集中在一维，多维振动传感器是通过三个单维振动方向的组合来实现三维振动检测，并不是真正意义的三维振动传感器，要通过一个振动传感器实现三个方向振动检测是一个难题，但具有重要的应用价值。因此，光纤光栅三维振动传感器在测量领域的应用引起了人们的广泛关注和极大兴趣，具有重要的学术研究价值和市场应用前景，实有必要提供一种光纤光栅三维振动度感器以克服以上技术缺陷。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于克服上述振动传感器的缺点，提供一种光纤光栅三维振动传感器。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种光纤光栅三维振动传感器，包括设置在传感器外壳内的传感器敏感膜片、惯性质量块，以及传感光栅；所述惯性质量块位于传感器敏感膜片的几何中心，并固定于传感器敏感膜片的底部，所述传感器敏感膜片固定于传感器外壳的内壁；所述传感器敏感膜片的上表面沿圆周方向在不同的位置固定有三个所述传感光栅，传感光栅串联后通过光纤出孔与外部解调单元相连；三个传感光栅分别感应空间三个方向的振动信号，且通过三个传感光栅的配合实现空间任意方向振动信号检测。

在所述三个传感光栅中，有两个传感光栅固定于传感器敏感膜片与惯性质量块的有效接触区域边缘位置，另外一个传感光栅固定于传感器敏感膜片与惯性质量块的有效接触区域之外。

固定于传感器敏感膜片与惯性质量块的有效接触区域之外的传感光栅的优选位置为：其中，d是固定于传感器敏感膜片与惯性质量块的有效接触区域之外的传感光栅与传感器敏感膜片中心的距离，r₁是惯性质量块与传感器敏感膜片的效接触区域的半径，r₂是传感器敏感膜片的半径。

所述三个传感光栅分别为第一、第二和第三传感光栅，其中，第一和第二传感光栅用于感应x方向和y方向的振动，对z方向的振动不敏感，第三传感光栅用来感应z方向振动，对x方向和y方向的振动不敏感。

所述惯性质量块位于传感器敏感膜片的几何中心，包括上下两个半径不同的圆柱体，其中，半径较小的第一圆柱体与传感器敏感膜片接触固定。

所述传感器外壳的顶部与所述传感器敏感膜片之间留有距离，所述惯性质量块与传感器外壳的底部之间留有距离。

所述传感器外壳的内部设置有一对凸台，所述传感器敏感膜片固定在所述凸台上。

所述惯性质量块的顶部与传感器敏感膜片底部固定，其他部位呈悬空状态。

所述惯性质量块的顶部与传感器敏感膜片底部固定，其两侧与传感器外壳的内壁留有距离，其底部与传感器外壳的底部留有距离。

所述第一和第二传感光栅封装于传感器敏感膜片上表面扭应变敏感区，第三传感光栅封装于传感器敏感膜片上表面拉应变敏感区。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明利用光纤光栅的波长传感原理，在外界振动信号作用下使传感器敏感膜片的上表面不同位置产生拉应变和扭应变，当外界振动信号作用于该结构时，引起传感器内惯性质量块的振动，进而产生惯性力和扭矩，使得封装于其上的光栅的波长漂移，通过检测三只光栅波长的变化，实现三个方向振动信号的检测，同时可以消除温度的影响，与普通振动传感器相比，利用一个质量块实现三个方向振动信号的检测问题。

【附图说明】

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明光栅封装的结构示意图。

其中，1为传感器顶盖，2为光纤出孔，3、8、9分别为第一、第二和第三传感光栅，4为传感器敏感膜片，5为惯性质量块，6为底座固定孔，7为传感器外壳。

【具体实施方式】

下面结合附图和各实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

请参阅图1所示，本发明光纤光栅三维振动传感器采用单膜片特殊质量块结构，为单圆形膜片结构，主要由传感器顶盖1、传感光纤出孔2、第一传感光栅3、传感器敏感膜片4、惯性质量块5、底座固定孔6、传感器外壳7、第二传感光栅8、第三传感光栅9构成。所述惯性质量块5主要由两个半径不等的圆柱体结构构成(所述惯性质量块的两圆柱体的半径和高度均不同)，与传感器敏感膜片接触并固定连接的圆柱体的半径小于下面圆柱体的半径，所述惯性质量块的中心轴线与传感器敏感膜片的法线重合(即传感器敏感膜片与惯性质量块的联接位置处于传感器敏感膜片的几何中心，以最大限度的感应三维方向的振动)，通过焊接的方式固定在传感器敏感膜片的底部中心位置；所述传感器的敏感元件膜片和惯性质量块由相同的材料制成。传感器敏感膜片通过固支的方式固定于传感器外壳7上(具体地说，所述传感器外壳的内壁设置有凸台，所述传感器敏感膜片设置在该凸台上)，所述第一和第二传感光栅3、8封装于传感器敏感膜片上表面内侧(内侧指传感器敏感膜片4与惯性质量块的有效接触区域边缘位置)，第三传感光栅9封装于传感器敏感膜片上表面外侧(外侧指传感器敏感膜片4与惯性质量块的有效接触区域之外)，三只光栅串联。传感器顶盖1中心部位设有光纤出孔2，并通过焊接的方式与传感器外壳密封焊接，传感光纤通过光纤出孔2与外部解调单元相连接。

所述第三传感光栅9的优选位置为：其中，d是固定于传感器敏感膜片4与惯性质量块的有效接触区域之外的传感光栅与传感器敏感膜片中心的距离，r₁是惯性质量块与传感器敏感膜片的效接触区域的半径，r₂是传感器敏感膜片的半径。

所述传感光栅位于传感器敏感膜片的上表面，其中感应z方向光栅的位置与传感器敏感膜片的外半径和惯性质量块上圆柱体的半径的比值有关，比值越大，灵敏度越大；其它两个光栅位置处在传感器敏感膜片与惯性质量块的有效接触区域之内，与惯性质量块上圆柱体的半径有关，半径越大，这两个方向的灵敏度越大，三个传感光栅通过封装胶与膜片封装为一体。

所述传感器外壳7的顶部被传感器顶盖1密封，所述传感器外壳的底部设置有底座固定孔6，所述传感器顶盖1与传感器敏感膜片之间留有一定距离，所述惯性质量块与传感器外壳底面之间留有一定的距离。所述传感器外壳7的内部设置有一对台阶，所述传感器顶盖1设置在该台阶上并与传感器外壳7焊接固定。

如图1所示，所述第一和第二传感光栅3、8主要用来感应x方向和y方向振动，对z方向的振动不敏感，第三传感光栅9主要用来感应z方向振动，对x方向和y方向振动不敏感，所述第一和第二传感光栅3、8通过383ND胶封装于传感器敏感膜片上表面扭应变敏感区，第三传感光栅9通过383ND胶封装于传感器敏感膜片上表面拉应变敏感区，光纤输出端通过光纤出孔2穿出传感器的顶盖1，并通过胶383ND密封。本实施例的第一、第二和第三传感光栅3、8、9为均匀光纤光栅，光纤光栅的中心波长分别为1555.35nm、1557.6nm、1559.32nm，3dB带宽分别为0.223nm、0.25nm、0.271nm，光纤光栅的几何长度分别为8mm、7mm、10mm，光栅的反射率均大于80％，传感器敏感膜片4的厚度为0.2mm，半径为12mm，质量块中半径较小的圆柱体的高度为10mm，半径为4mm，半径较大的圆柱体的高度6mm，半径为10mm。

实施例2

本实施例中，传感器的结构参数和材料均与实施例1相同，不同在于：传感光栅8的位置处在膜片4的d区域，传感光栅8的中心波长为1557.223nm，3dB带宽为0.25nm，光纤光栅的几何长度为9mm，光栅的反射率大于85％，其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

本实施例中，传感器的结构参数和材料均与实施例1相同，不同在于：传感光栅3、8的位置分别处在膜片4的c和d区域，传感光栅3的中心波长为1555.251nm，3dB带宽为0.26nm，光纤光栅的几何长度为8mm，光栅的反射率大于80％，传感光栅8的中心波长为1557.223nm，3dB带宽为0.25nm，光纤光栅的几何长度为9mm，光栅的反射率大于85％，其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例4

在以上的实施例1～3不同点在于：膜片4的厚度为0.25mm，半径为15mm，上质量块的高度为18mm，半径为5mm，下质量块的高度10mm，半径为10mm，其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

使用时，将本发明安装在被测对象上，将信号传输光纤与光纤光栅解调模块相连，当外界的振动信号作用于被测物体时，惯性质量块5在惯性力的作用下，传感器敏感膜片(4)上表面不同区域的应变对振动方向响应不同，不同的区域对应不同的应变，使得粘贴在悬臂梁上的三只传感光栅的波长发生漂移，通过波长解调单元实现三维振动信号的处理，从而检测出被测物体的振动方向、幅度和频率。

本发明的工作原理如下：

将第一、第二和第三传感光栅3、8、9封装在圆形膜片的不同位置，当被测对象发生振动时，惯性质量块5振动，在惯性质量块5的惯性力作用下，传感器敏感膜片的上表面不同的位置在不同的振动方向下产生相应的应变，使得光纤光栅的布拉格波长发生变化，其中，第三传感光栅9只对z方向振动信号敏感，第一传感光栅3只对x方向振动信号产生的扭应变敏感、第二传感光栅8只对y方向振动信号产生的扭应变敏感，通过解调单元检测三个光栅波长的动态变化实现外界三维振动信号的检测。整个膜片结构可看成一个特殊的E型膜片结构，第一传感光栅3和第二传感光栅8分别环向封装于E型膜片内半径边缘上的x方向和y方向，第三传感光栅9封装于与E型膜片内半径有关的位置上，当该振动在外界沿z方向信号作用下，膜片上光纤位置处的环向应变为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{-3\mathrm{ma}(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{4\mathrm{\πE}{H}^2}(2\ln R-B+\frac{B}{R^2})---\left(1\right)$

式中，R_i为E型膜片内半径，即与膜片接触的圆柱体的半径；m为惯性质量快的质量；R_o为膜片的有效半径；H为膜片的厚度；R_f为光栅的弯曲半径；其中，B＝-[(2β²lnβ)/(1-β²)]，β＝R_i/R_o，R＝R_f/R_o，在弹性刚度范围内，由材料力学理论知，弹性刚度为：

$K=\frac{\mathrm{ma}}{W_0}=\frac{4\mathrm{\π}{H}^3}{3C_R{R}_o^2}\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}---\left(2\right)$

则该弹性系统的谐振频率为：

$f_n=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K}{m}}=\sqrt{\frac{E{H}^3}{3\mathrm{\π}(1-{\mathrm{\μ}}^2)R_o^{2}m{C}_R}}---\left(3\right)$

由振动理论结合光纤光栅波长随应变的波长漂移公式则得到光纤光栅的相对波长漂移量为

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=-\frac{\mathrm{aH\η}(1-P_e)}{C_{\mathrm{\β}}{R}_o^2}\frac{2\ln R-B+B/R^2}{{\left(2\mathrm{\π}{f}_n\right)}^2\sqrt{{(1-{\mathrm{\γ}}^2)}^2+{\left(2\mathrm{\ξ\γ}\right)}^2}}---\left(4\right)$

式中，ξ为系统的阻尼比，γ为归一化频率，定义为γ＝f/f_n，η为膜片的边界条件因子。

从上式(3)、(4)可以得到振动传感器的共振频率和在外界振动信号的作用下光栅波长的变化。当受到外界三维振动信号的作用，则惯性质量块运动可分解到空间x、y、z三个方向，从而引起三个传感光栅的波长变化，最终实现三维振动信号的幅度、频率和方位的检测。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、采用圆形膜片结合特殊的惯性质量块结构，与现有的光纤光栅振动传感器相比，通过一个质量块，则可以实现三维振动信号的检测，与现有的三个单维振动传感器的组合来实现三维振动信号的检测相比，具有尺寸小，结构简单，易于封装。

2、采用三只光栅在一个敏感元件上组合实现三维振动信号的测量，传感光栅3只对x方向的扭应变敏感，传感光栅8只对y方向的扭应变敏感；传感光栅9只对z方向的拉应变敏感，三只光栅分别独立感应不同方向上的振动信号，降低了振动传感器的交叉灵敏度，同时又提高了振动传感器的横向抗干扰能力。

3、将三只普通的光纤光栅3、8、9通过环向封装技术封装在圆形膜片上表面，有效的防止了光纤光栅的啁啾问题，不仅有利于缩小器件的尺寸，同时，大大提高了光纤光栅封装的可靠性，有效地消除了封装过程带来的啁啾效应。

4、由于同时采用三只特性相同的光纤光栅封装在同一敏感元件上，三只光栅所受到的温度影响相同，通过三只光栅波长的差分，则可消除温度的影响，从而可以实现温度不敏感三维振动信号的测量。

本发明利用光纤光栅的波长传感原理，设计特殊的结构，使该结构在受到空间三维振动信号的作用时，圆形膜片的不同位置分别产生拉应变和扭应变，且相互独立，互不干扰，将三只光纤光栅分别封装于不同的位置实现三维振动信号的测量。三只光栅采用环向封装技术，有效消除了传感光栅的啁啾问题，提高了测量精度，同时，三只光栅封装在一个敏感元件上，采用一个惯性质量块，有效提高了光纤光栅的集成度，同时降低了交叉灵敏度，提高的横向抗干扰能力，并进一步能够实现温度不敏感三维振动信号的测量。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1、本发明采用单敏感元件和单惯性质量块来实现三维振动信号的测量，不需要多敏感元件和多惯性质量块，更简单、可靠单、易行，所以不存在多个敏感元件的组合问题，光纤光栅的封装工艺更简单，容易实现。

2、由于光纤光栅采用环向封装技术，膜片上表面同一半径处的应变是相同的，即应变分布是均匀的，不容易导致光栅啁啾，有效避免了由于光栅啁啾效应导致的非线性失真，提高了测量精度，同时采用该组合可提高振动传感器的横向抗干扰能力，有效降低了交叉灵敏度。

Claims (10)

1.一种光纤光栅三维振动传感器，其特征在于：所述光纤光栅三维振动传感器包括设置在传感器外壳(7)内的传感器敏感膜片(4)、惯性质量块(5)，以及传感光栅；所述惯性质量块(5)位于传感器敏感膜片(4)的几何中心，并固定于传感器敏感膜片(4)的底部，所述传感器敏感膜片(4)固定于传感器外壳(7)的内壁；所述传感器敏感膜片(4)的上表面沿圆周方向在不同的位置固定有三个所述传感光栅(3、8、9)，传感光栅串联后通过光纤出孔(2)与外部解调单元相连；三个传感光栅分别感应空间三个方向的振动信号，且通过三个传感光栅的配合实现空间任意方向振动信号检测。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅三维振动传感器，其特征在于：在所述三个传感光栅中，有两个传感光栅固定于传感器敏感膜片(4)与惯性质量块的有效接触区域边缘位置上，另外一个传感光栅固定于传感器敏感膜片(4)与惯性质量块的有效接触区域之外。

3.根据权利要求2所述的光纤光栅三维振动传感器，其特征在于：固定于传感器敏感膜片(4)与惯性质量块的有效接触区域之外的传感光栅的优选位置为：其中，d是固定于传感器敏感膜片(4)与惯性质量块的有效接触区域之外的传感光栅与传感器敏感膜片中心的距离，r₁是惯性质量块与传感器敏感膜片的效接触区域的半径，r₂是传感器敏感膜片的半径。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅三维振动传感器，其特征在于：所述三个传感光栅分别为第一、第二和第三传感光栅，其中，第一和第二传感光栅用于感应x方向和y方向的振动，对z方向的振动不敏感，第三传感光栅用来感应z方向振动，对x方向和y方向的振动不敏感。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅三维振动传感器，其特征在于：所述惯性质量块(5)位于传感器敏感膜片的几何中心，包括上下两个半径不同的圆柱体，其中，半径较小的第一圆柱体与传感器敏感膜片接触固定。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅三维振动传感器，其特征在于：所述传感器外壳(7)的顶部与所述传感器敏感膜片之间留有距离，所述惯性质量块与传感器外壳的底部之间留有距离。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的光纤光栅三维振动传感器，其特征在于：所述传感器外壳的内部设置有一对凸台，所述传感器敏感膜片固定在所述凸台上。

8.根据权利要求1至6中任意一项所述的光纤光栅三维振动传感器，其特征在于：所述惯性质量块的顶部与传感器敏感膜片底部固定，其他部位呈悬空状态。

9.根据权利要求1至6中任意一项所述的光纤光栅三维振动传感器，其特征在于：所述惯性质量块的顶部与传感器敏感膜片底部固定，其两侧与传感器外壳的内壁留有距离，其底部与传感器外壳的底部留有距离。

10.根据权利要求3所述的光纤光栅三维振动传感器，其特征在于：所述第一和第二传感光栅封装于传感器敏感膜片上表面扭应变敏感区，第三传感光栅封装于传感器敏感膜片上表面拉应变敏感区。