CN105277739B - 一种应变悬臂光纤加速度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应变悬臂光纤加速度传感器及其制备方法，可用于检测加速度和振动。包括至少两个可反射探测光束的应变悬臂，所述应变悬臂的一端固定在固定主体上，另一端设置有质量块，所述质量块的质量不同或者形状不同；所述传感器还包括可用于出射探测光束和接收经应变悬臂反射回的探测光束的光纤器件。其有益效果是：根据应变悬臂上不同形状或者不同质量的质量块所产生的扭矩不同，利用多个应变悬臂以及质量块的组合，可以在一个传感器中实现多维度的加速度探测，具有结构简单、体积小、成本低、抗干扰能力强、灵敏度高、多维检测拓展性好等优势，可广泛应用于加速度测量。

Description

一种应变悬臂光纤加速度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光纤加速度传感器及其制备方法，特别涉及一种应变悬臂光纤加速度传感器及其制备方法，可用于检测加速度和振动。

背景技术

对易燃易爆环境进行实时检测，是保障环境安全的重要措施之一。由于电信号会引发燃烧和爆炸，传统的电学量传感器不适合在此环境下应用。

光纤传感是以光为载体、光纤为媒介，感知和传输外界信号，具有体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点。该传感器可以承受高温、高压以及强烈的冲击与振动等极端条件，可用于易燃易爆、高温和高压等环境中加速度、压强、以及振动的检测[IEEE Sensors Journal，vol.8，pp.1184-1193，2008]。

光纤加速度传感器可主要分为：强度调制型，相位调制型，波长调制型等。其中，相位和波长调制型传感器，灵敏度高。相位调制型加速度传感器，通常采用光纤Mach-Zehnder干涉仪和迈克尔逊(Michelson)干涉仪结构，传感器结构复杂，且信号易受外界干扰。波长调制型加速度传感器，通常采用光纤光栅结构，需要可调谐激光器或光谱分析仪等来监控反射波长，因此系统价格昂贵。并且，单个传感器通常只能检测一个方向(即一个维度)的加速度。

专利200910189829.X公开了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。但是上述专利不能测量多个方向的加速度，所以能够进行多维加速度探测，同时测量不同加速度的大小以及方向，结构简单、同时具有高灵敏度的光纤加速度传感器将是亟需解决的问题。

因此研发结构简单、高灵敏度、多维度、低成本的光纤加速度传感器，是本发明的创研动机。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种结构简单、高灵敏度、低成本、并且在一个传感器中就能进行多维度检测的光纤加速度传感器及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种应变悬臂光纤加速度传感器，其特征在于：包括至少两个可反射探测光束的应变悬臂，所述应变悬臂的一端固定在所述固定主体上，另一端设置有质量块，所述质量块的质量不同或者形状不同；所述传感器还包括可用于出射探测光束和接收经应变悬臂反射回的探测光束的光纤器件。

上述技术方案限定的传感器采用光纤器件接收应变悬臂反射回的探测光束；所述应变悬臂的受力除了与加速度有关，还与质量块的质量和形状有关；依据应变悬臂上不同形状的质量块所产生的扭矩不同，采用多个应变悬臂和质量块的组合，可以在一个传感器中实现加速度的三维探测；所述的扭矩，与应变悬臂表面法线方向的质量块高度有关；所述的应变悬臂，是悬置在光纤器件的端面附近，光纤器件出射的光束经应变悬臂反射后可以返回到光纤器件中实现检测。

本发明涉及的一种应变悬臂光纤加速度传感器，还可以具有以下附属技术特征：

所述应变悬臂两个为一组，设置有一组以上应变悬臂，根据应变悬臂上质量块的质量不同或者形状不同，受力时产生的扭矩不同实现多维检测。所述的传感器，一组应变悬臂可实现对两个方向(垂直于和平行于应变悬臂表面的方向)的加速度进行辨别。集成在同一个传感器中固定的应变悬臂数量可以多于两个，用于对加速度的方向进行三维识别。

所述应变悬臂上镀有光学反射膜；所述光纤器件的端面与应变悬臂平行设置。所述光反射膜可以增加探测光束的反射率，增加所述光纤加速度计的灵敏度

所述应变悬臂与质量块以粘着的方式连接或者为一体化连接。

所述质量块或者应变悬臂上设置有可拆卸式装置，所述可拆卸式装置可以安装或者拆卸附加质量块。通过采用固有质量块和附加质量块相结合的设计方式，可以方便地调节所述光纤加速度传感器的加速度灵敏度。

所述应变悬臂和质量块为两个，两个质量块的质量相等但形状不同或者两个质量块的质量不等但形状相同；可实现两个方向的检测。

所述光纤器件选自光纤、光纤准直器、拉锥光纤中的任一种；所述应变悬臂的形状选自梯形、矩形、锥形、十字梁形中的任一种。

所述应变悬臂采用金属应变片、镀有金属薄膜的无机玻璃应变片、镀有金属薄膜的有机薄膜应变片。

所述固定主体为套筒，所述套筒的端面为不锈钢材料，所述套筒的内壁为石英材料。

本发明还提供了一种应变悬臂光纤加速度传感器的制备方法，主要包括以下步骤：

第一步、把至少两个可反射探测光的应变悬臂固定在固定主体端面；

第二步、在所述应变悬臂上粘附质量块，所述质量块的质量不同或者形状不同；

第三步、把光纤器件粘附在套筒内壁，每个光纤器件分别对准一个应变悬臂；光纤器件出射的光束经应变悬臂反射后返回光纤器件中；当应变悬臂受力变形时，具有质量不同或者形状不同的应变悬臂反射回光纤器件的光束强度会发生改变，实现多维加速度检测。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明提供的应变悬臂光纤加速度传感器，根据应变悬臂上不同形状或者不同质量的质量块所产生的扭矩不同，利用多个应变悬臂以及质量块的组合，可以在一个传感器中实现多维度的加速度探测，具有结构简单、体积小、成本低、抗干扰能力强、灵敏度高、多维检测拓展性好等优势，可广泛应用于加速度测量。而且其制备工艺简单，成本低廉。

附图说明

图1为具有一对应变悬臂的传感器截面图。

图2为具有一对应变悬臂的传感器俯视图。

图3为具有两对应变悬臂的传感器示意图。

1-套筒；2-应变悬臂；3-质量块；4-光纤器件。

具体实施方式

下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1

一种应变悬臂光纤加速度传感器，其特征在于：包括两个可反射探测光束的金属应变悬臂2，所述金属应变悬臂2的一端固定在不锈钢套筒1端面上，另一端设置有质量块3，所述质量块3的质量不同或者形状不同；所述传感器还包括可用于出射探测光束和接收经应变悬臂2反射回的探测光束的拉锥光纤4；所述应变悬臂2的形状为梯形；所述应变悬臂2光纤传感器还包括可发射探测光束的光源，可处理经应变悬臂2反射回的探测光束的探测器。

本发明的工作原理是：在光纤器件的端面附近悬置弹性应变悬臂2(简称“应变悬臂”或“应变悬膜”)，光纤器件出射的光束经应变悬臂2反射后返回光纤器件中(如图1和图2所示)；当应变悬臂2受力变形时，反射回光纤器件的光束强度会发生改变，从而可以获知外界的加速度和振动状态；并且，应变悬臂2上粘附着质量块3，应变悬臂2的形变量除了与加速度的大小有关，还与质量块3的质量和形状有关。本发明的多维度探测可以按以下方式实现：

本实施例是在同一个套筒1上固定多个应变悬臂2和光纤器件，其中每个光纤器件对应着一个应变悬臂2。为了阐述方便，以两个应变悬臂2为例进行阐述(图1和图2)，并设定这两个应变悬臂2上的质量块3的质量相等(两个质量块3的质量M1＝M2)，但是形状不同(两个质量块的高度分别为H1和H2，H1＞H2)。当测试加速度时，质量块3会对应变悬臂2施加惯性力，以下对质量块3与应变悬臂2接触位置的受力状态进行分析。

本实施例的传感器，当加速度a的方向垂直于应变悬臂2表面时，两个应变悬臂2的受力大小相等(为a×M1)，其形变量相等，对应的光纤器件接收到的光束强度改变量也相等。当加速度a的方向平行于应变悬臂2表面时，应变悬臂2上的质量块3会产生附加的扭矩(扭矩的大小与质量块的高度H有关)，高度大的扭矩更大，相应的应变悬臂2的形变量更大，对应的光纤器件接收到的光强改变量也更大。因此，加速度的方向不同，不同的光纤器件接收到的光强变化量也不同；探测信号不仅与加速度的大小有关、而且还与加速度的方向有关，从而实现对加速度的方向进行辨别。

本实施例的传感器，还可按另一种方式实现：2个应变悬臂2上的质量块3的质量大小不同(M1＞M2)，但是扭矩相同(a×M1×H1＝a×M2×H2)。当加速度a的方向平行于应变悬臂2表面时，应变悬臂2上的质量块3所产生的扭矩相等，两个光纤器件接收到的光强改变量相近。当加速度a的方向垂直于应变悬臂2表面时，应变悬臂2的受力不等(a×M1＞a×M2)，两个光纤器件接收到的光强改变量不同。因此，加速度的方向不同，不同的光纤器件接收到的光强变化量也不同，从而可以实现对加速度的方向进行辨别。

本实施例的传感器，如上所述，在同一个套筒1上固定一对应变悬臂2(图1和图2)，即可实现对两个方向(即垂直于或平行于应变悬臂表面的方向)的加速度进行辨别。因此，在同一个套筒1上，固定多对应变悬臂2、以及对应的质量块3和光纤器件(图3)，可以实现对多个方向的加速度进行识别(即多维度检测)。

一种应变悬臂光纤加速度传感器的制备方法，主要包括以下步骤：

第一步，在不锈钢套筒1端面，粘附2个金属应变片作为应变悬臂2；

第二步，2个金属应变片表面各粘附一个质量块3，这2个质量块3的质量相等、高度不同；

第三步，在石英套筒内壁，用胶粘附2根拉锥光纤4，每根光纤分别对准一个金属应变片(图1和图2)。当外界加速度为零时，光纤出射的光束与金属应变片表面垂直，经应变片反射的光束可以返回到光纤中；当应变悬臂2受力变形时，具有质量不同或者形状不同的应变悬臂2产生的扭矩不同，反射回光纤器件的光束强度会发生改变，根据反射光强的变化实现多维加速度检测。

实施例2

一种应变悬臂光纤加速度传感器，其特征在于：包括4个可反射探测光束的镀有金薄膜的石英片应变悬臂2，所述镀有金薄膜的石英片应变悬臂2的一端固定在石英套筒端面上，另一端设置有质量块3，所述质量块3的质量不同或者形状不同；所述传感器还包括可用于出射探测光束和接收经应变悬臂2反射回的探测光束的光纤准直器4；所述应变悬臂2的形状为矩形；所述应变悬臂2光纤传感器还包括可发射探测光束的光源，可处理经应变悬臂2反射回的探测光束的探测器；所述质量块3上设置有可拆卸式装置，所述可拆卸式装置可以安装或者拆卸附加质量块3。

本实施例的工作原理和实施例1的工作原理相同，只是增加了两个应变悬臂可质量块3，本实施例就不再赘述。

一种应变悬臂光纤加速度传感器的制备方法，主要包括以下步骤：

第一步，在石英套筒端面，粘附4个石英片作为应变悬臂2。其中石英片的表面镀了金薄膜，可以反射光束；

第二步，4个石英片表面各粘附一个质量块3，这4个质量块3的质量相等、高度不同；

第三步，在石英套筒内壁，用胶粘附4个光纤准直器4，每个准直器分别对准一个石英片(图3)。当外界加速度为零时，准直器出射的光束与石英片表面垂直，经石英片反射的光束可以返回到准直器中；当应变悬臂2受力变形时，具有质量不同或者形状不同的应变悬臂2产生的扭矩不同，反射回光纤器件的光束强度会发生改变，根据反射光强的变化实现多维加速度检测。

本发明所述的应变悬臂2光纤加速度传感器，可以根据需要选择不同的质量块3，可用于探测一个方向、两个方向、三个方向、四个方向、五个方向等多维的加速度检测；并且集成在一个传感器中，体积小，灵敏度高，可广泛推广运用。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种应变悬臂光纤加速度传感器，其特征在于：包括至少两个可反射探测光束的应变悬臂，所述应变悬臂的一端固定在固定主体上，另一端设置有质量块，所述质量块的质量相等但高度不同或者所述质量块的质量不等但高度相同，受力时产生的扭矩不同实现多维检测；所述传感器还包括可用于出射探测光束和接收经应变悬臂反射回的探测光束的光纤器件。

2.根据权利要求1所述应变悬臂光纤加速度传感器，其特征在于：所述应变悬臂两个为一组，设置有一组以上应变悬臂。

3.根据权利要求1所述应变悬臂光纤加速度传感器，其特征在于：所述应变悬臂上镀有光反射膜；所述光纤器件的端面与应变悬臂平行设置。

4.根据权利要求1所述应变悬臂光纤加速度传感器，其特征在于：所述应变悬臂与质量块以粘着的方式连接或者为一体化连接。

5.根据权利要求1所述应变悬臂光纤加速度传感器，其特征在于：所述质量块或者应变悬臂上设置有可拆卸式装置，所述可拆卸式装置可以安装或者拆卸附加质量块。

6.根据权利要求1所述应变悬臂光纤加速度传感器，其特征在于：所述应变悬臂和质量块为两个，两个质量块的质量相等但高度不同或者两个质量块的质量不等但高度相同。

7.根据权利要求1所述应变悬臂光纤加速度传感器，其特征在于：所述光纤器件选自光纤准直器、拉锥光纤中的任一种；所述应变悬臂的形状选自梯形、矩形、锥形、十字梁形中的任一种。

8.根据权利要求1所述应变悬臂光纤加速度传感器，其特征在于：所述应变悬臂采用金属应变片、镀有金属薄膜的无机玻璃应变片、或镀有金属薄膜的有机薄膜应变片。

9.根据权利要求1所述应变悬臂光纤加速度传感器，其特征在于：所述固定主体为套筒，所述套筒选用不锈钢材料或石英材料。

10.一种如权利要求1-9任一所述应变悬臂光纤加速度传感器的制备方法，包括以下步骤：

第一步、把至少两个可反射探测光的应变悬臂固定在固定主体端面；

第二步、在所述应变悬臂上设置质量块，所述质量块的质量相等但高度不同；

第三步、所述固定主体为套筒，把光纤器件粘附在套筒内壁，每个光纤器件分别对准一个应变悬臂；光纤器件出射的光束经应变悬臂反射后返回光纤器件中；当应变悬臂受力变形时，应变悬臂反射回光纤器件的光束强度会发生改变，实现多维加速度检测。