CN104568117B - 一种具有宽频响、高灵敏的差动式光纤f‑p振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的具有高灵敏度、宽频响应特性的差动式光纤F‑P振动传感器，主要由配重体(1)、反射镜片(2)、第一V型悬臂梁(4)、第二V型悬臂梁(5)、固定基座(6)、封装盒接触处(8)、光纤微镜片(9)、尾纤(10)组成；第一V型悬臂梁和第二V型悬臂梁的响应频率和灵敏度相互补偿，使该传感器灵敏度高，频响范围达到50‑10000Hz；当外界振动通过传感器的双悬臂梁作用于F‑P腔时，随着配重体的往复变化，反射光信号随之变化，从而改变F‑P腔反射回来的光学信号，通过测量该信号的改变量获得外界振动参数。本发明结构简单，使用方便，光信号不受电磁场干扰，能够非常有效精确的工作，且结构简单，成本较低。

Description

一种具有宽频响、高灵敏的差动式光纤F-P振动传感器

技术领域

本发明涉及在线监测技术领域，更具体涉及一种具有宽频响、高灵敏特性的差动式光纤F-P振动传感器的设计与制作，属于传感技术领域。

背景技术

振动是一种常见的物理现象，广泛存在与人们的生活中。在工程领域中，振动往往会给设备带来不利的影响，甚至会造成设备的损坏。由于现有机械结构传感器普遍存在的频响范围与灵敏度相互制约，因此测量频率较低，且频率响应范围很小，因此，针对机械设备的振动传感测量方法一直以来都是工程技术人员关注的焦点。目前，振动传感器已广泛应用于地质勘探和能源开发、地震检测、仪器设备及建筑结构的安全监测等领域。相比于其他类型传感器，光纤振动传感器因灵敏度高、适用于检测动态信号、抗电磁干扰、在高温、潮湿及化学腐蚀等恶劣环境中生存能力强、易于复用而构成大规模阵列等优点而倍受青睐。如张东生等提出的一种涉及三维加速度测量的“三维加速度测量的光纤光栅传感器”(申请号CN102495235A)，孙如娇等人提出的一种应用于桥梁检测的“L”型的振动传感器，孟州等人提出的“一种大动态光纤振动传感器”(申请号CN102374895A)，以及日本电线株式会社提出的“光纤振动传感器”(申请号CN102654418A)。上述光纤传感器都能在电磁场干扰下有效的工作，测量精度也很高，但该类光纤振动传感器响应频率较低，一般只能有效测量2000Hz以下的振动信号。

发明内容

本发明的目的是提供一种灵敏度高、频响范围宽、成本低、不受电磁场等外界因素的干扰，使用起来更安全，更方便的差动式光纤F-P振动传感器。

本发明为实现其目的采用了以下的技术方案：

本发明提供的是一种具有宽频响、高灵敏的差动式光纤F-P振动传感器，该传感器主要由配重体、反射膜片、第一悬臂梁、第二悬臂梁、固定基座、封装盒接触处、光纤微镜片和尾纤组成，其中：反射膜片焊接在配重体的中心处；第一悬臂梁和第二悬臂梁的左端分别与固定基座上部焊接相连，第一悬臂梁的右端安装配重体，第二悬臂梁的右端安装光纤微镜片基座；固定基座通过螺纹孔上的螺栓将传感器固定在待测设备上，使固定基座与待测设备上的封装盒接触处密实接触；光纤微镜片插入光纤微镜片基座中，并在侧面用螺钉固定，使得光纤微镜片与反射膜片的中心对应；尾纤由光纤微镜片中拉出。

所述的第一悬臂梁、第二悬臂梁，均为夹角90°V型结构的悬臂梁，由弹簧钢金属片制成。

所述的第一悬臂梁、第二悬臂梁，其固有频率、灵敏度相反，其中：第一悬臂梁采用的固有频率为1000Hz、灵敏度相对较高；第二悬臂梁采用的固有频率为2000Hz、灵敏度相对较低。

所述的反射膜片由平行度极高的低膨胀系数的弹簧钢金属片制成，其中一个面抛光后在表面沉积介质膜，将其反面通过激光点焊在配重体的中心处。

本发明与现有技术相比具有以下的主要的技术优势：

1.结构简单：

所有部件为一体化加工，传感器结构简单，保证了系统的稳定性该光纤振动。

2.具有高灵敏度、宽频响应范围的特性：

该差动式光纤F-P传感器分别由一固有频率低、灵敏度高和另一固有频率高、灵敏度低的悬臂结构构成。能够保证传感器具有高灵敏度10.3nm/g(g为重力加速度)、宽频响应(50-10000Hz)范围的特性。

所采用的V型悬臂梁结构只受单一方向振动影响，便于振动的精准传播。

3.抗干扰性强：

所采用的V型悬臂梁夹角为90°，经实验测试，其他方向干扰量均小于10％，能够最大限度减少其他方向振动的干扰，保证传感器只受垂直方向振动。

4.使用寿命较长：

所采用的V型悬臂梁为弹簧钢金属片，具有高的疲劳强度，使传感器具有比较长的使用寿命。

5.反射镜片为平行度极高的低膨胀系数的弹簧钢金属片，并通过激光点焊在配重体中心，可以确保F-P传感探头干涉强度的对比度并减小温度变化对传感器腔长的影响。

6.通过V型悬臂梁与配重体之间的结构与金属材质的合理配置，将外界振动信号转化为F-P腔腔长的变化。

7.以光纤振动传感器进行振动参数的测量，不会受到电磁场的干扰，且具有防爆破的优点。

附图说明

图1为本发明具有宽频响、高灵敏特性的差动式光纤F-P振动传感器的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图中：1.配重体；2.反射膜片；3.光纤微镜片基座；4.第一悬臂梁；5.第二悬臂梁；6.固定基座；7.螺纹孔；8.封装盒接触处；9.光纤微镜片；10.尾纤。

具体实施方式：

本发明根据弹性力学及光纤传感理论，设计一种具双悬臂梁结构的差动式光纤F-P振动传感器，具体设计原理是：通过有限元元件分析，传感器选用双V型弹簧钢金属片结构，通过对两个悬臂梁结构参数的设定，使传感器具有灵敏度和响应频率双补偿效应，并仅对垂直方向振动响应，并其余方向的影响几乎可以忽略不计，最后通过测试定标，基本与理论分析相符。然后通过对该差动式传感器进行材料和结构上的合理配置，在保证其单向振动的基础上，实现了响应频率和灵敏度的双优选择。因为传感器的本身性质与配重体的质量和弹性金属片的弹性模量密切相关，设计如图1和图2所示的光纤振动传感器，随着配重体的振动F-P腔腔长随之漂移，反射光强度随着腔长的变化而变化，在某一范围内线性关系，并与物体振动变化规律一致。

以下结合附图对本发明的差动式光纤F-P振动传感器结构和实现原理做进一步描述。

本发明提供的具有宽频响应特性、高灵敏度的差动式光纤F-P振动传感器，其结构如图1和图2所示，主要由配重体1、反射膜片2、光纤微镜片基座3、第一悬臂梁4、第二悬臂梁5、固定基座6、封装盒接触处8、光纤微镜片9和尾纤10组成，其中：反射膜片2焊接在配重体1的中心处，以确保F-P腔腔长的调节以及反射光的强度；第一悬臂梁4、第二悬臂梁5，其左端与固定基座6上部焊接相连，其右端分别安装配重体1、光纤微镜片基座3；用螺栓穿过固定基座6的螺纹孔7将封装盒接触处8与密封盒弧形内壁密实接触；光纤微镜片9插入光纤微镜片基座3中，并在侧面用M2螺钉固定，使得光纤微镜片9与反射膜片2的中心对应；尾纤10由光纤微镜片9拉出。

所述反射膜片2由平行度极高，小于0.1°的低膨胀系数(11.59*10^-6)的弹簧钢金属片制成，其中一个面抛光后在表面沉积一定反射率的介质膜，将其反面通过激光点焊在配重体中心，以确保F-P传感探头干涉强度的对比度并减小温度变化对传感器腔长的影响。该反射膜片2与光纤微镜片9之间腔长的变化，合理调制振动信号，从而通过振动变化获得环境变化信息。

所述第一悬臂梁4和第二悬臂梁5，其厚度分别为0.2mm和4mm，两悬臂梁俯视面重合。两悬臂梁均为夹角90°V型结构的悬臂梁，能最大限度减少其它方向振动的干扰，并且具有垂直振动响应特性。悬臂梁由弹簧钢金属片制成，这样的结构在承受重载荷时不引起塑性变形，满足本发明传感器在动载荷环境条件下的工作需求，并具有高的疲劳强度，使本发明传感器具有比较长的使用寿命。

所述第一悬臂梁4为固有频率为1000Hz、灵敏度较高，第二悬臂梁5为固有频率为2000Hz、灵敏度较低。这种性能相反的两种悬臂梁可使本发明传感器能相互补偿，获得更宽的频响范围。

本发明传感器通过光纤微镜片9与配重体1之间的结构和金属材质的合理配置，将钻杆所传递的振动信号转化为F-P腔腔长的变化。

本发明传感器整体没有分立元件，保证了系统的稳定性。

本发明提供的具有宽频响应特性、高灵敏度的差动式光纤F-P振动传感器，其工作过程是：光束进入F-P腔，干涉由两反射镜(膜)之间多次反射形成。同时会产生反射光与透射光。同时，外界物理量的改变作用于传感器，使两悬臂梁产生上下振动，腔长也会改变。F-P腔反射光束的光程差改变。干涉现象也将发生变化。以光电探测器探测反射光，经过数据分析可得知相应的外界因素变化情况。

Claims (4)

1.一种差动式光纤F-P振动传感器，其特征是一种具有宽频响、高灵敏的差动式光纤F-P振动传感器，该传感器主要由配重体(1)、反射膜片(2)、第一悬臂梁(4)、第二悬臂梁(5)、固定基座(6)、封装盒接触处(8)、光纤微镜片(9)和尾纤(10)组成，其中：反射膜片(2)焊接在配重体(1)的中心处；第一悬臂梁(4)和第二悬臂梁(5)的左端分别与固定基座(6)上部焊接相连，第一悬臂梁(4)的右端安装配重体(1)，第二悬臂梁(5)的右端安装光纤微镜片基座(3)；固定基座(6)通过螺纹孔(7)上的螺栓将传感器固定在待测设备上，使固定基座(6)与待测设备上的封装盒接触处(8)密实接触；光纤微镜片(9)插入光纤微镜片基座(3)中，并在侧面用螺钉固定，使得光纤微镜片(9)与反射膜片(2)的中心对应；尾纤(10)由光纤微镜片(9)中拉出。

2.根据权利要求1所述的差动式光纤F-P振动传感器，其特征是所述的第一悬臂梁(4)、第二悬臂梁(5)，均为夹角90°V型结构的悬臂梁，由弹簧钢金属片制成。

3.根据权利要求2所述的差动式光纤F-P振动传感器，其特征是所述的第一悬臂梁(4)、第二悬臂梁(5)，其固有频率、灵敏度相反，其中：第一悬臂梁(4)采用的固有频率为1000Hz、灵敏度相对较高；第二悬臂梁(5)采用的固有频率为2000Hz、灵敏度相对较低。

4.根据权利要求1所述的差动式光纤F-P振动传感器，其特征是所述的反射膜片(2)由平行度极高的低膨胀系数的弹簧钢金属片制成，其中一个面抛光后在表面沉积介质膜，将其反面通过激光点焊在配重体(1)的中心处。