CN106645796A - 一种光纤法珀声压加速度复合传感器及加工方法 - Google Patents

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刘彬
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Abstract

本发明光纤法珀声压加速度复合传感器及加工方法属于传感器技术领域；该传感器包括声压薄膜支撑结构，设置在声压薄膜支撑结构顶部的声压薄膜，质量块支撑结构，设置在质量块支撑结构顶部的质量块，连接声压薄膜支撑结构和质量块的连接结构，在声压薄膜支撑结构侧面对向插入第一光纤和第二光纤，第一光纤与声压薄膜构成光纤法珀声压传感器，第二光纤与质量块构成光纤法珀加速度传感器；本发明不仅能够使传感器贴合于被测物表面使用，而且将声压传感器与加速度传感器集成在一起，声压信号能够作为准确的噪声补偿，对加速度信号加以自动校正，对于加速度信号而言，可以实现在不需要增加信号处理设备的同时，使加速度测量的精度提高一个数量级。

Description

一种光纤法珀声压加速度复合传感器及加工方法
技术领域
本发明光纤法珀声压加速度复合传感器及加工方法属于声压传感器技术和加速度传感器技术领域。
背景技术
在航空航天、军工船舶、生物医学和建筑等领域，需要测量加速度、声压等诸多物理量，测量这些物理量离不开传感器。光纤传感器包括光纤加速度传感器、光纤声压传感器作为一种新兴的传感器，得到了快速发展。
光纤法珀传感器是一种重要的光纤传感器。光纤法珀传感器在外界物理量作用下引起法珀腔的腔长变化，从而导致法珀腔的反射率发生变化。基于该原理，通过测量法珀腔的反射率变化，就能够得到外界物理量的大小。
现阶段，光纤法珀传感器只有共轴型，共轴型传感器结构简单，加工方便，制作成本低，但是共轴型光纤法珀腔传感器尺寸较长，无法贴合于被测物表面使用，而且共轴型光纤法珀腔传感器的腔长不好控制，使得其稳定性较差。
另外目前的光纤法珀传感器只能测量一种物理量，如光纤加速度传感器只能用来测量加速度，光纤声压传感器只能用来测量声压，在需要测量多个物理量的情况下需要多个传感器分别测量各个物理量。而且目前加速度测量领域，加速度的测量易受振动、声压等噪声影响，加速度传感器的实际应用都需要外加噪声测量装置来测量噪声并对加速度测量信号加以补偿，这样就存在两个问题，首先外加噪声测量装置增加了系统的复杂度、制作难度和成本，其次外加噪声测量装置处测得的噪声并不一定与加速度传感器的实际噪声相一致，
为了解决以上问题，需要发展垂直型光纤法珀复合物理量传感器，不仅能够使传感器贴合于被测物表面使用，还能够测量多个物理量，并提高某些物理量的测量精度。然而，还没有查阅到垂直型光纤法珀复合物理量传感器的相关信息。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种光纤法珀声压加速度复合传感器及加工方法。该声压加速度复合传感器不仅能够使传感器贴合于被测物表面使用，还能够同时测量加速度和声压两个物理量，并提高加速度信号的测量精度。
本发明的目的是这样实现的：
一种光纤法珀声压加速度复合传感器，包括一个声压薄膜支撑结构，设置在声压薄膜支撑结构顶部的声压薄膜，一个质量块支撑结构，设置在质量块支撑结构顶部的质量块，所述声压薄膜支撑结构和质量块通过连接结构连接，在声压薄膜支撑结构侧面对向插入第一光纤和第二光纤，所述第一光纤和第二光纤紧贴声压薄膜支撑结构底部；第一光纤和第二光纤相对的两个端面中至少有一个研抛成45°，45°研抛端面上镀有反射膜；第一光纤中传播的光束在45°研抛端面上反射，照射在声压薄膜上，第一光纤与声压薄膜构成光纤法珀声压传感器；第二光纤中传播的光束在45°研抛端面上反射，经声压薄膜支撑结构底部的通孔照射在质量块上，第二光纤与质量块构成光纤法珀加速度传感器。
一种光纤法珀声压加速度复合传感器的加工方法，包括以下步骤：
步骤a、加工有光纤插口和通孔的声压薄膜支撑结构；
步骤b、加工声压薄膜；
所述的步骤a和步骤b同步进行或按任意先后顺序进行；
步骤c、将声压薄膜支撑结构的顶端与声压薄膜键合在一起；
步骤d、加工质量块支撑结构；
步骤e、加工从中间向四周由厚变薄结构的上表面镀有反射膜的质量块；
所述的步骤d和步骤e同步进行或按任意先后顺序进行；
步骤f、将质量块支撑结构的顶端与质量块键合在一起；
步骤g、加工用于连接声压薄膜支撑结构与质量块的连接结构；
步骤h、将声压薄膜支撑结构与质量块用连接结构键合在一起；
步骤i、分别将第一光纤和第二光纤从两个光纤插口插入，将45°研抛端面与声压薄膜支撑结构的底面调整为45°；
步骤j、将第二光纤从另一侧光纤插口插入；
步骤k、用胶将声压薄膜支撑结构上的光纤插口与光纤的缝隙密封。
上述光纤法珀声压加速度复合传感器的加工方法，所述步骤a包括以下步骤：
步骤a1、加工有光纤插口和通孔的声压薄膜支撑结构底座；
步骤a2、加工能够与声压薄膜支撑结构底座配合的声压薄膜支撑结构支座；
所述的步骤a1和步骤a2同步进行或按任意先后顺序进行；
步骤a3、按照声压薄膜支撑结构支座在上，声压薄膜支撑结构底座在下的顺序将声压薄膜支撑结构支座与声压薄膜支撑结构底座键合，得到声压薄膜支撑结构。
上述光纤法珀声压加速度复合传感器的加工方法，所述步骤d包括以下步骤：
步骤d1、加工质量块支撑结构底座；
步骤d2、加工能够与质量块支撑结构底座配合的质量块支撑结构支座；
所述的步骤d1和步骤d2同步进行或按任意先后顺序进行；
步骤d3、按照质量块支撑结构支座在上，质量块支撑结构底座在下的顺序将质量块支撑结构支座与质量块支撑结构底座键合，得到质量块支撑结构。
有益效果：
第一、由于第一光纤从声压薄膜支撑结构侧面插入，使光纤与法珀腔形成垂直结构，有效减少腔长，进而减少光纤法珀声压/加速度传感器的尺寸，并且能够贴合于被测物表面使用；
第二、由于光纤插入位置靠近声压薄膜支撑结构底部，通过声压薄膜支撑结构的底部限定光纤位置，解决了共轴型光纤法珀传感器稳定性差的问题；
第三、将加速度传感器与声压传感器集成在一起，能够同时测量声压和加速度两个物理量，提高了传感器集成度：
第四、将声压传感器与加速度传感器集成在一起，声压信号能够作为准确的噪声补偿，对加速度信号加以自动校正，对于加速度信号而言，可以实现在不需要增加信号处理设备的同时，使加速度测量的精度提高一个数量级。
附图说明
图1是本发明光纤法珀声压加速度复合传感器具体实施例一的结构示意图。
图2是本发明光纤法珀声压加速度复合传感器具体实施例二的结构示意图。
图3是本发明光纤法珀声压加速度复合传感器加工方法工艺流程图。
图4是声压薄膜支撑结构的加工方法工艺流程图。
图5是质量块支撑结构的加工方法工艺流程图。
图中：1声压薄膜支撑结构、11声压薄膜支撑结构底座、12声压薄膜支撑结构支座、2声压薄膜、3质量块支撑结构、31质量块支撑结构底座、32质量块支撑结构支座、4质量块、5连接结构、6第一光纤、7第二光纤、8胶。
具体实施方式
下面结合附图对发明具体实施方式做进一步详细描述。
具体实施例一
本实施例为光纤法珀声压加速度复合传感器的实施例。
本实施例的光纤法珀声压加速度复合传感器，结构示意图如图1所述。该光纤法珀声压加速度复合传感器包括一个声压薄膜支撑结构1，设置在声压薄膜支撑结构1顶部的声压薄膜2，一个质量块支撑结构3，设置在质量块支撑结构3顶部的质量块4，所述声压薄膜支撑结构1和质量块4通过连接结构5连接，在声压薄膜支撑结构1侧面对向插入第一光纤6和第二光纤7，所述第一光纤6和第二光纤7紧贴声压薄膜支撑结构1底部；第一光纤6和第二光纤7相对的两个端面中至少有一个研抛成45°，45°研抛端面上镀有反射膜；第一光纤6中传播的光束在45°研抛端面上反射，照射在声压薄膜2上，第一光纤6与声压薄膜2构成光纤法珀声压传感器；第二光纤7中传播的光束在45°研抛端面上反射，经声压薄膜支撑结构1底部的通孔照射在质量块4上，第二光纤7与质量块4构成光纤法珀加速度传感器。
在本实施例中，第一光纤6的端面研抛成45°，第二光纤7的端面没有研抛。
具体实施例二
本实施例为光纤法珀声压加速度复合传感器的实施例。
本实施例的光纤法珀声压加速度复合传感器，结构示意图如图2所述。与具体实施例一的不同在于，在本实施例中，第一光纤6和第二光纤7的端面均研抛成45°，且两个研抛端面重合。
具体实施例三
本实施例为光纤法珀声压加速度复合传感器的加工方法实施例。
本实施例的光纤法珀声压加速度复合传感器的加工方法，工艺流程图如图3所示。该方法包括以下步骤：
步骤a、加工有光纤插口和通孔的声压薄膜支撑结构1；
步骤b、加工声压薄膜2；
所述的步骤a和步骤b同步进行或按任意先后顺序进行；
步骤c、将声压薄膜支撑结构1的顶端与声压薄膜2键合在一起；
步骤d、加工质量块支撑结构3；
步骤e、加工从中间向四周由厚变薄结构的上表面镀有反射膜的质量块4；
所述的步骤d和步骤e同步进行或按任意先后顺序进行；
步骤f、将质量块支撑结构3的顶端与质量块4键合在一起；
步骤g、加工用于连接声压薄膜支撑结构1与质量块4的连接结构5；
步骤h、将声压薄膜支撑结构1与质量块4用连接结构5键合在一起；
步骤i、分别将第一光纤6和第二光纤7从两个光纤插口插入，将45°研抛端面与声压薄膜支撑结构1的底面调整为45°；
步骤j、将第二光纤7从另一侧光纤插口插入；
步骤k、用胶8将声压薄膜支撑结构1上的光纤插口与光纤的缝隙密封。
具体实施例四
本实施例为光纤法珀声压加速度复合传感器的加工方法实施例。
本实施例的光纤法珀声压加速度复合传感器的加工方法，在具体实施例三的基础上，进一步限定步骤a包括以下步骤：
步骤a1、加工有光纤插口和通孔的声压薄膜支撑结构底座11；
步骤a2、加工能够与声压薄膜支撑结构底座11配合的声压薄膜支撑结构支座12；
所述的步骤a1和步骤a2同步进行或按任意先后顺序进行；
步骤a3、按照声压薄膜支撑结构支座12在上，声压薄膜支撑结构底座11在下的顺序将声压薄膜支撑结构支座12与声压薄膜支撑结构底座11键合，得到声压薄膜支撑结构1。
声压薄膜支撑结构1的加工方法工艺流程图如图4所示。
具体实施例五
本实施例为光纤法珀声压加速度复合传感器的加工方法实施例。
本实施例的光纤法珀声压加速度复合传感器的加工方法，在具体实施例三的基础上，进一步限定步骤d包括以下步骤：
步骤d1、加工质量块支撑结构底座31；
步骤d2、加工能够与质量块支撑结构底座31配合的质量块支撑结构支座32；
所述的步骤d1和步骤d2同步进行或按任意先后顺序进行；
步骤d3、按照质量块支撑结构支座32在上，质量块支撑结构底座31在下的顺序将质量块支撑结构支座32与质量块支撑结构底座31键合，得到质量块支撑结构3。
质量块支撑结构3的加工方法工艺流程图如图5所示。

Claims (4)

1.一种光纤法珀声压加速度复合传感器，其特征在于，包括一个声压薄膜支撑结构(1)，设置在声压薄膜支撑结构(1)顶部的声压薄膜(2)，一个质量块支撑结构(3)，设置在质量块支撑结构(3)顶部的质量块(4)，所述声压薄膜支撑结构(1)和质量块(4)通过连接结构(5)连接，在声压薄膜支撑结构(1)侧面对向插入第一光纤(6)和第二光纤(7)，所述第一光纤(6)和第二光纤(7)紧贴声压薄膜支撑结构(1)底部；第一光纤(6)和第二光纤(7)相对的两个端面中至少有一个研抛成45°，45°研抛端面上镀有反射膜；第一光纤(6)中传播的光束在45°研抛端面上反射，照射在声压薄膜(2)上，第一光纤(6)与声压薄膜(2)构成光纤法珀声压传感器；第二光纤(7)中传播的光束在45°研抛端面上反射，经声压薄膜支撑结构(1)底部的通孔照射在质量块(4)上，第二光纤(7)与质量块(4)构成光纤法珀加速度传感器。
2.一种光纤法珀声压加速度复合传感器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、加工有光纤插口和通孔的声压薄膜支撑结构(1)；
步骤b、加工声压薄膜(2)；
所述的步骤a和步骤b同步进行或按任意先后顺序进行；
步骤c、将声压薄膜支撑结构(1)的顶端与声压薄膜(2)键合在一起；
步骤d、加工质量块支撑结构(3)；
步骤e、加工从中间向四周由厚变薄结构的上表面镀有反射膜的质量块(4)；
所述的步骤d和步骤e同步进行或按任意先后顺序进行；
步骤f、将质量块支撑结构(3)的顶端与质量块(4)键合在一起；
步骤g、加工用于连接声压薄膜支撑结构(1)与质量块(4)的连接结构(5)；
步骤h、将声压薄膜支撑结构(1)与质量块(4)用连接结构(5)键合在一起；
步骤i、分别将第一光纤(6)和第二光纤(7)从两个光纤插口插入，将45°研抛端面与声压薄膜支撑结构(1)的底面调整为45°；
步骤j、将第二光纤(7)从另一侧光纤插口插入；
步骤k、用胶(8)将声压薄膜支撑结构(1)上的光纤插口与光纤的缝隙密封。
3.权利要求2所述的光纤法珀声压加速度复合传感器的加工方法，其特征在于，所述步骤a包括以下步骤：
步骤a1、加工有光纤插口和通孔的声压薄膜支撑结构底座(11)；
步骤a2、加工能够与声压薄膜支撑结构底座(11)配合的声压薄膜支撑结构支座(12)；
所述的步骤a1和步骤a2同步进行或按任意先后顺序进行；
步骤a3、按照声压薄膜支撑结构支座(12)在上，声压薄膜支撑结构底座(11)在下的顺序将声压薄膜支撑结构支座(12)与声压薄膜支撑结构底座(11)键合，得到声压薄膜支撑结构(1)。
4.权利要求2所述的光纤法珀声压加速度复合传感器的加工方法，其特征在于，所述步骤d包括以下步骤：
步骤d1、加工质量块支撑结构底座(31)；
步骤d2、加工能够与质量块支撑结构底座(31)配合的质量块支撑结构支座(32)；
所述的步骤d1和步骤d2同步进行或按任意先后顺序进行；
步骤d3、按照质量块支撑结构支座(32)在上，质量块支撑结构底座(31)在下的顺序将质量块支撑结构支座(32)与质量块支撑结构底座(31)键合，得到质量块支撑结构(3)。
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