CN107076584A - 光学传感器设备、传感器装置以及缆线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括参考体和至少一个感测换能器的光学传感器设备。感测换能器布置成用于接收输入动作，并且感测换能器相对于参考体可移动地布置以响应所述输入动作相对于参考体移动。设备还包括光纤和包括第一传输臂的一个或多个传输臂。光纤包括内置光纤传感器。光纤利用其第一连接部分连接至所述第一传输臂，并且利用其第二连接部连接至所述第一传输臂的外部元件。第一连接部和第二连接部在内置光纤传感器的两侧上。为了接收输入动作，第一传输臂的基部在其第一部分处与参考体连接，在其第二部分与感测换能器连接。光纤在沿第一传输臂远离基部的位置处连接，从而将由感测换能器接收的输入动作转换成施加于光纤的感测动作，以依据所述输入动作修改光纤中的张力。

Description

光学传感器设备、传感器装置以及缆线
技术领域
本发明涉及光学传感器设备，具体涉及应用内置光纤传感器的光学传感器设备。
背景技术
用于各种应用的已知类型的光学传感器包括内置光纤传感器的使用。内置光纤传感器是使用光纤作为传感元件的传感器。在许多应用中，内置光纤传感器被点亮(例如，通过激光器)，并且由于外部原因(取决于传感器的类型)而引起的纤维变化，导致由传感器发送或从传感器接收的光信号的可测量的变化。内置光纤传感器的典型示例是光纤布拉格光栅(FBG)。
FBG包括具有芯的纤维，该芯在一定距离上包括折射率的周期性变化。该周期性变化形成波长特定的介电镜，在介电镜中，某一波长附近和包括某一波长的特定(窄)范围内的光被反射。反射的波长由芯的折射率的周期性确定。FBG所基于的原理为：光纤的应变的差异导致变化的几何周期性发生改变。这导致反射波长的变化，这种变化可被检测(例如，通过光谱分析或使用干涉仪)。
光纤布拉格光栅应用于许多应用中，以用于测量大范围的参数和特性，包括静态参数和动态参数。例如，可通过将施加的外部压力转换为应用至包括FBG的纤维的可变力，来将FBG应用于压力传感器。可用于例如执行地质勘查的另一个应用是在例如用于测量土壤振动的加速度计中应用FBG。这种传感器有利地应用于例如石油和天然气工业中。
对于许多这些应用，需要小尺寸的光学传感器设备，例如以能够在可用于陆地、海上或钻孔中进行勘探和地质勘查的缆线中实现，或者以测量建筑物、桥梁或其他构造中的振动。然而，实现期望的尺寸减小通常是以传感器的灵敏度为代价，并且这种折衷经常是不期望的。此外，灵敏度和大小不是仅关注的特征。特别是对于动态传感器，期望宽动态操作频率范围。该操作频率范围的上限由传感器设备的共振频率确定。即使对于静态传感器，也经常需要对变化的快速并准确的响应。由于这些要求彼此相关，并且满足一个要求通常使设计的另一个要求劣化，因此在光纤设计中符合所有这些要求是复杂的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种易于实现的小尺寸光学传感器设备设计，其在宽操作频率范围内是高度灵敏的。
出于这个目的，本文提供了包括参考体和至少一个感测换能器的光学传感器设备。感测换能器布置成用于接收输入动作，并且感测换能器相对于参考体可移动地布置以响应所述输入动作相对于参考体移动。设备还包括光纤和包括第一传输臂的一个或多个传输臂。光纤包括内置光纤传感器。光纤利用其第一连接部分连接至所述第一传输臂，并且利用其第二连接部连接至所述第一传输臂外部的元件。第一连接部和第二连接部位于内置光纤传感器的两侧上。为了接收输入动作，第一传输臂的基部在其第一部分处与参考体连接，并且在其第二部分与感测换能器连接。光纤连接在沿第一传输臂远离基部的位置处，从而将由感测换能器接收的输入动作转换成施加于光纤的感测动作，以依据所述输入动作修改光纤中的应变。
在这方面，术语“基部”应理解成表示相应传输臂的第一端部，包括横向于穿过传输臂的纵向轴线的端面或多个端面。在沿其长度不具有单个纵向方向的成角度的或弯曲的传输臂情况下，这样的端面或多个端面涉及形成传输臂的闭合面的那些面，并且这样的端面或多个端面不平行于沿传输臂的长度的轴的局部方向。
本发明的光学传感器设备包括将输入动作(例如，振动变化或压力变化)转换成施加至内置光纤传感器(例如，FBG、光纤激光器、多芯光纤)的传感器动作的传输臂。传输臂允许调谐动态传感器中可实现的操作频率范围和灵敏度，由此可枢转传输臂依据布置放大灵敏度或增加操作频率范围。然而，当考虑到尺寸要求时，传感器设计变得具有挑战性。具体地，在传输臂的传输比T(从输入和输出至臂上的枢转点的臂长之间的比率)进一步偏离单位元素(例如T>>1或T<<1)的情况下，臂的刚性和旋转惯性显著地有助于降低共振频率和操作频宽。另外，臂中的刚度损失直接导致传输效率的损失，并因此导致传感器系统中的灵敏度和信号的损失。此外，材料性质和制造问题限制对集成传感器尤为期望的小形状因素的可实现刚度。
有利地，本发明的光学传感器设备允许紧凑的设计。同时，用于在纤维上施加力的输入动作的放大可最大化，同时保持系统的旋转惯性较小。臂的传输比等于T＝L1/L2，其中L1是分别将臂连接至参考体和感测换能器的基部的第一部分与第二部分之间的距离。长度L2是基部处的枢转点(即，这是连接至参考体的基部处的第一部分)与纤维的连接部之间的臂长度。接收的输入动作的放大由传输比T确定。传输臂的低惯性是通过臂的紧凑性获得的。
由感测换能器相对于参考体的运动产生的力经由在基部处的连接部被传送到传输臂中。基部的连接第一部分和连接第二部分分别连接至参考体和感测换能器，基部的连接第一部分和连接第二部分布置成相互接近(使得距离L1较小)。臂的基部具有由臂的纵向形状产生的机械刚度，并因此是坚固的。这对于输入处的刚性是有利的。臂可在其长度上相对于在光纤连接部处施加的力在旋转惯性和刚度方面完全优化。另外，基部(第一部分和第二部分)处的连接部的紧密接近允许臂的长度较小以获得相同的传输比T。这还有助于降低系统的惯性。
系统的惯性矩决定了其对旋转运动提供阻力的程度。因此，本发明的光学传感器设备提供最佳设计，其中输入动作很好地放大成FBG中的应变变化，同时允许设备快速响应输入动作中的快速变化。在感测动态参数方面，较低的旋转惯性导致系统的共振频率转化至较高频率。因此，由于设备的操作频率范围的上限由共振频率(上限必须远低于共振频率)确定，本发明的低惯性设计提供具有宽操作频率范围的光学传感器设备。传感器设备因此响应于高频率。
即使对于静态和半静态参数，本发明的光学传感器设备也提供优势。这不仅是因为其紧凑的设计，而且还由于系统的低惯性作用的结果，光学传感器设备对所感测参数的突然快速变化做出良好响应(例如，在传感器应用于压力传感器中的突然的压力变化)。可由传感器很好地跟随这种快速变化。这例如允许以更高的采样速率使用光学传感器设备，允许在相同的时间量内获得更多的传感器读数。因此，除了允许检测快速变化之外，这通过获得改进的测量统计来提高精度。
本发明的另一个优点在于，至少一个传输臂(例如第一传输臂)的基部在其第一部分处与参考体连接，在其第二部分处与感测换能器连接，这允许设计中光学传感器设备所需的铰链的数量最小化。光学传感器设备所需的铰链的最小量为两个铰链(一个在基部的第一部分，一个在基部的第二部分)。通常，每个铰链增加整个设备的不期望的刚度。此外，铰链在设备的部件的运动期间响应于可能导致传感器性能滞后的输入动作而耗散能量。因此，根据本发明的设备优于其他设计，其中铰链的数量保持为最小。
本发明的另一个优点在于，通过使至少一个传输臂(例如第一传输臂)的基部在其第一部分与参考体连接，并且在其第二部分处与感测换能器连接，允许部件的布置使得交叉轴灵敏度下降到最小。交叉轴灵敏度是光学传感器设备对输入动作的灵敏度，该输入动作不与用于接收输入动作的设备的优选轴对准。
例如，加速度计可设计成用于检测与特定方向对准的振动。为了检测所有方向上的振动，可应用三个这种加速度计，三个加速度计的输入轴彼此正交布置(例如，x方向、y方向、z方向)。就z轴对准的加速度计而言，该加速度计优选地仅响应于z方向上的振动。交叉轴灵敏度是系统对不与用于接收输入的优选方向对准的输入动作的灵敏度。因此，在以上z轴对准的加速度计的情况下，交叉轴灵敏度将是加速度计对与x方向或y方向对准的振动的灵敏度。
在本发明中，将传输臂在其基部处与参考体和感测换能器两者连接，例如允许基部靠近或甚至在参考体与感测换能器之间的定位。臂的重量可集中在基部附近，这是由于大多数机械应力集中在传输臂的基部部分中。因此，这种布置通过臂的基部相对于参考体和感测换能器的适当布置来允许系统的交叉轴灵敏度的减小。
根据实施方式，光纤利用其第二连接部分连接至参考体，或者连接至相对于参考体固定的元件。然而，在本发明的又一个实施方式中，光学传感器设备还包括具有基部的第二传输臂，基部在其第一部分处与参考体连接，并且在其第二部分处与至少一个感测换能器连接，以及其中，光纤在沿第二传输臂远离所述基部的位置处利用其第二连接部连接，其中，第二传输臂布置成用于将输入动作转换成施加至光纤的另一感测动作，使得在接收到输入动作后，由第二传输臂施加的另一感测动作在与由第一传输臂施加的感测动作不同的方向上施加。
根据本实施方式的第二传输臂允许将由至少一个感测换能器接收的输入动作转换成第一传输臂和第二传输臂中的每个中的应用于光纤的感测动作。第一传输臂将感测动作施加于光纤的第一连接部，并且第二传输臂可在光纤的第二连接部上施加相等但反向的感测动作。由于感测动作是响应于光纤两侧上的输入动作而被施加，所以对感测换能器的要求变得更为灵活。例如，在用于感测振动的加速度计中，感测换能器可由惯性质量元件形成。将具有两个传输臂的本实施方式应用于加速度计，每个传输臂的臂长度可以是单臂实施方式中所需的传输臂长度的一半。这在光学传感器设备的尺寸必须尽可能小的实施方式中尤其有利。此类实施方式可例如包括在缆线或另一小尺寸形状因素中实施加速度计型光学传感器设备。此外，由于只有臂在相反方向上的动作将在纤维中产生应变，所以，如果使用具有相等惯性的对称臂，则系统的干扰交叉轴灵敏度可相对于单臂设计显著降低。
传输臂的长度的减小还增加了光学传感器设备的共振频率，从而(如上所述)增加了光学传感器设备的操作频率范围。因此，光学传感器设备响应于甚至更高的频率。另外，减小感测换能器的长度致使设计更小和更紧凑，并且在机构布局中提供更多的设计自由度。
在本发明的实施方式中，对于第一传输臂和第二传输臂中的至少一个，与感测换能器和参考体的连接件由柔性铰链形成。这些柔性材料铰链可以是臂变薄(优选具有圆形轮廓)的部分，以最小化它们的旋转刚度，同时保持足够的强度以维持它们在应用操作条件下的预期的应力内的预期寿命。柔性铰链相对于其它类型的铰链的另一优点是柔性铰链的较低滞后，这在本发明的光学传感器设备中是有利的。
根据本发明的又一类实施方式，第一传输臂和第二传输臂中的至少一个包括这样的形状，该形状使得第一传输臂和第二传输臂中的至少一个在其基部附近的截面尺寸大于在用于连接光纤的所述位置附近的截面尺寸。具有宽基部的传输臂设计或至少基部截面尺寸大于与光纤的连接部附近的截面尺寸的传输臂的设计提供了具有低旋转惯性的传输臂。另外，宽基部允许在输入动作由感测换能器传送至传输臂上的位置处的鲁棒性设计。
在上述类别的一些实施方式中，框架厚度是不均匀的，使得其厚度从枢转机构点(在该点处有害应力最高并且旋转惯性贡献最低)朝向尖部(在该点处弯曲应力最低，但是惯性贡献将会最高)减小。在这些实施方式的一些其它实施方式中，厚度的减小将是非线性的。在这些实施方式的另一些实施方式中，传输臂的宽度从宽基部变化至窄尖部，在窄尖部处应力最低。在这些实施方式的其它实施方式中，宽度变化是非线性的，使得臂宽度沿其长度变化，与其框架厚度联接并与其框架厚度结合，以获得最高刚度重量比的臂，其中即使在较低厚度处臂的(中间)部分也可制造得更宽，以实现最佳性能。
在本发明的另一个实施方式中，第一传输臂和第二传输臂中的至少一个包括这样的结构，该结构使得第一传输臂和第二传输臂中的至少一个的重量相对于用于连接光纤的所述位置集中在其基部附近。如将理解的，这提供与在前述类别的实施方式中的系统的旋转惯性相似的优点。例如，传输臂可设计成具有更重的框架和轻的中间部分，以实现高刚性和低截面重量。在另一实施方式中，中间部分还可包含孔，以在具有最小的刚度损失的同时进一步降低其重量。
根据一些实施方式，由感测换能器在第一方向上接收的输入动作将经由第一传输臂和/或第二传输臂转换为感测动作，该感测动作处于平行于第一方向的相同或相反方向。具体地，这可例如通过提供具有成角度的纵向形状的第一传输臂或第二传输臂来实现。换言之，在沿着传输臂的长度的一些点处，传输臂包括朝向不同方向的角度或弯曲。例如，沿着传输臂的长度的某些点处的90度角将导致施加至光纤的传输臂的感测动作与经由基部接收的输入动作在相同方向上。
根据本发明的一个实施方式，根据本发明的光学传感器设备可包括位于第一感测换能器与第二感测换能器之间的参考体。替代地，这样的光学传感器设备可包括单个感测换能器。例如，感测换能器可至少部分地围绕参考体布置，并且至少部分地包围参考体，以至少在参考体的两侧与其相邻。在这种情况下，参考体两侧的两个传输臂可附接至参考体和感测换能器两者，提供由感测换能器接收的输入动作导致传输臂在相反方向上以相等的量移动的实施方式。
根据一些实施方式，感测换能器布置成用于接收诸如振动、加速度或声音动作的动态输入动作。典型的实施方式可例如包括麦克风、水诊器或地震传感器。根据其他实施方式，感测换能器可布置成用于接收诸如压力或静态力动作的静态输入动作。
此外，光学传感器设备的光纤可包括用于接收或发送光信号的输入或输出中的至少一个。可选地，用于照亮光纤的光学传感器设备可包括激光器单元或激光元件。另外，来自光纤的光学输出信号可由光学传感器设备远程地接收，或者光学传感器设备本身可包括用于解译来自光纤的光学信号的询问单元或电子设备。例如，干涉仪或光谱分析仪。
根据本发明的另一实施方式，感测换能器包括以下组中的至少一个元件，该组包括：惯性质量以提供加速度计、可变形体以提供压力传感器。本发明不限于这些类型的感测换能器。
优选地，根据本发明的另一个实施方式，至少参考体、第一传输臂和第二传输臂中的至少一个以及感测换能器由相同的材料一体地形成以形成单块体。根据上文所述的实施方式，柔性铰链的使用能够形成带有参考体和感测换能器(例如以惯性质量的形式)的传输臂(或包括两个传输臂的实施方式中的传输臂)。本文应用的术语“单块体”是指由单个单元组成或构成的元件，即铸造为由单一材料形成或组成的单件(其可包括任何合适的材料，例如金属、聚合物、复合材料等)。
根据本发明的第二方面，所提供的传感器装置包括根据第一方面的一个或多个传感器设备，以感测在一个或多个方向上施加的一个或多个输入动作。例如，典型的实施方式可以是包括根据第一方面的三个光学传感器设备的缆线的形式。三个光学传感器设备中的每一个形成用于感测三个方向(x，y，z)上的振动的加速度计。
附图说明
将通过参考附图对本发明的一些具体实施方式进行描述来进一步阐明本发明。详细的描述提供本发明的可能实施例的示例，但不应被视为描述落入本发明范围内的仅有的实施方式。本发明的范围在权利要求中限定，并且描述被视为说明性的，而不是对本发明进行限制。在附图中：
图1A和图1B示意性示出了根据第一实施方式的光学传感器设备；
图2A和图2B示意性示出了根据第二实施方式的光学传感器设备；
图3示出了根据发明的实施方式的光学传感器设备；
图4A和图4B提供了图3的实施方式的主视图和剖面侧视图；
图5A和图5B示意性示出了用于在缆线中实施的光学传感器设备的布置；
图6示出了可在图5A和图5B的布置中实施的另一光学传感器设备；
图7示出了根据本发明的整体式光学传感器设备的另一实施方式；
图8示意性示出了根据本发明的另一实施方式的光学传感器设备；
图9示意性示出了根据本发明的另一实施方式的光学传感器设备。
具体实施方式
由于光纤的高频宽特性和(半导体)激光器的快速和精确的开关能力，光纤感测方案被认为是高速高精度检测各种效应的理想选择。因此，许多新一代动态传感器基于光纤传感器。
灵敏度和操作(频率)频宽是动态(光纤)传感器的主要性能准则中的两个。由于非常需要在显著低于共振频率的频率下操作传感器，(光纤)传感器的操作频宽通常由换能器组件的机械共振频率限制。因此，需要在保持足够的灵敏度的同时尽可能地将共振推到更高的频率。然而，增加的惯性和系统刚性的降低是不期望地降低共振频率的两个因素。
传输臂可用于调谐动态传感器中的可实现的共振频率和灵敏度，其中枢转臂根据布置放大灵敏度或共振频率。由于活动点(力施加至臂的位置)中的每个和枢转点中的每个之间的长度(即L1和L2；参见例如在图1中已经指明了L1和L2的传输臂10)变得显著不同(例如T>10或T<0.1)，传输臂的期望益处真正出现。然而，由于传输比(T＝L1/L2)变得与单位元素(T＝1)有很大不同，出现了一些挑战。一个此类问题是，臂的较长侧的刚性相对于其需要传输的力开始变得太薄弱，使得臂中的弯曲(这是传输效率的直接损失)开始成为问题。加强臂的尝试导致臂显著加重，由此其旋转惯性可开始成为系统的重要贡献者，并因此降低传感器的共振频率和工作频宽。此外，材料性质和制造问题限制了对集成传感器尤为期望的小形状因素的可实现刚度。本发明涉及高刚性、低惯性、极小力传输臂的设计，具体但不排他地用于动态传感器。
在图1A中提供了本发明的第一实施方式的示意图。图1A公开了光学传感器设备1。光学传感器设备1包括在传感器设备中用作固定参考的参考体3。设备1还包括惯性质量，惯性质量用作感测换能器5并且对接收作为用于执行地质勘查的输入动作的振动灵敏。通常，感测换能器对在单一方向上接收振动灵敏。因此，在要检测三个方向(x，y，z)上的振动的大多数应用中，可能需要光学传感器设备1的布置，其中，每个光学传感器设备对在三个正交方向中的一个方向上接收输入动作灵敏。如在下面将关于图1B进一步的解释，在接收到输入动作时，感测换能器5将相对于固定参考体3移动。
感测换能器5经由连接件连接至参考体3，连接件确保感测换能器5(例如，质量块)不在各种方向上移动，而是被引导为平行于参考体3移动。在图1中，示出了两个连接件。在感测换能器5与参考体3之间的连接件包括至少第一传输臂10。传输臂10包括基部25。基部25在其第一部分26处经由铰链或可枢转连接件30连接至参考体3。另外，基部25在其第二侧27经由类似的可枢转连接件31连接至感测换能器5。另一连接件29使感测换能器5与参考体3连接。沿着第一传输臂10的长度，传输臂10在第一传输臂10的端部的位置15处连接至光纤12。光纤12包括光纤布拉格光栅13(FBG)。光纤12在第一传输臂10的位置28处与第一连接部15连接至第一传输臂10。光纤12与第二连接部16连接至第一传输臂10外部的元件20。例如，光纤12在第二连接部16处所连接的元件20可以是相对于固定参考体3固定的元件。例如，元件20可以是参考体3的整体部分，或者可以是使用固定装置(例如螺钉)固定至参考体3的元件。
在图1B中，输入动作6由感测换能器5接收。响应于输入动作6，感测换能器5将相对于参考体3稍微向下移动。通过可枢转连接件30和可枢转连接件31的方式，第一传输臂10将围绕可枢转连接件30枢转。这导致施加在纤维12上的感测动作21。由于纤维12固定至元件20，这导致施加在纤维12上的力，该力将拉伸光纤12。光纤12的拉伸将改变光纤布拉格光栅13的折射率变化的几何周期性。这将导致FBG 13的反射波长的变化。尽管在图1B的这个示意性示图中，未示出用于接收和发送光信号的输入和输出，但实际上光纤12将使用光信号来点亮。可使用光谱分析仪或干涉仪来检测反射波长(或在光信号的传输部分中不存在反射波长)。反射波长将指示拉伸的量，并因此指示由感测换能器5接收的输入动作。
由感测换能器相对于参考体的运动而产生的力经由基部处的连接传送至传输臂中。基部的连接第一部分和连接第二部分分别连接至参考体和感测换能器，基部的连接第一部分和连接第二部分布置成相互接近(使得距离L1较小)。臂的基部具有由臂的纵向形状产生的机械刚度，并因此是坚固的。这相对于输入处的刚性是有利的。臂可在其长度上根据施加在光纤连接部处的力在旋转惯性和刚度方面完全优化。另外，基部(第一部分和第二部分)处的连接部的紧密接近允许长度较小的臂以获得相同的传输比T。这还有助于降低系统的惯性。
在图2A中示意性示出了本发明的另一实施方式。在图2A中，光学传感器设备35包括第一传输臂10和第二传输臂38。同样，正如图1A和1B的实施方式中的那样，光学传感器设备35包括惯性质量形式的感测换能器5。固定参考体3布置在第一传输臂10与第二传输臂38之间。第一传输臂10包括基部25，并且经由可枢转连接件(例如，柔性铰链)30和可枢转连接件(例如，柔性铰链)31分别连接至参考体3和惯性质量5。感测换能器5还沿第二连接件29连接至参考体3。同样地，第二传输臂38包括基部39。第二传输臂的基部39在其第一部分40中包括随参考体3的可枢转连接件44。第二传输臂的基部39在其第二部分41包括随形成感测换能器的惯性质量5的可枢转连接件45。附加连接件43还连接感测换能器5和参考体3。如下从图2A示意性示出的，感测换能器5围绕参考体3周向布置，以便在参考体3的两侧均与参考体3相邻。惯性质量5与参考体3之间的连接件分别经由它们的基部25和基部39包括第一传输臂10和第二传输臂38。包括光纤布拉格等级13的光纤12在其第一连接部15中沿着第一传输臂10的长度在位置28处连接至第一传输臂10。光纤12在其第二连接部16处沿着第二传输臂的长度在位置42处连接至第二传输臂38。因此，在图2A的实施方式中，光纤12的第二连接部16连接至第二传输臂38，而不是连接至固定参考元件。
在图2B中示意性示出了图2A的实施方式的操作。如下从图2B所示，由感测换能器5接收的输入动作6将惯性质量5相对于固定参考体3向下移动。作为可枢转连接件30、可枢转连接件41、可枢转连接件44和可枢转连接件45的作用结果，第一传输臂10和第二传输臂38将响应于感测换能器5相对于参考体3的运动而枢转。第一传输臂10将与参考体3关于可枢转连接件30枢转。第二传输臂38将与参考体3关于可枢转连接件44枢转。这导致感测动作47和感测动作48施加至光纤12。作为具有由周向感测换能器5围绕的、固定参考体3在中间并且第一传输臂10和第二传输臂38在其两侧的对称设计的结果，第一传输臂10和第二传输臂38将在相反的方向上枢转。作为结果，感测动作47平行于感测动作48，但与感测动作48方向相反。在图2A和图2B的实施方式中，由于输入动作6被转换为施加至光纤12的、相反方向上的双感测动作47和48，所以系统对振动的灵敏度增加。事实上，传输臂10和传输臂38所需的长度可以是利用图1A和图1B的实施方式检测相同振动所需的传输臂长度的一半。较小的臂长使得传感器设备更为紧凑。较小的臂长还增加了系统的共振频率，从而增加了传感器的操作频率范围。
在图3中示出了本发明的又一实施方式。图3示出了根据本发明的用于在光学传感器设备中实现的单块体的设计。单块体50包括感测换能器5-1和感测换能器5-2。参考体3布置在感测换能器5-1与感测换能器5-2之间。第一传输臂10和第二传输臂38分别使参考体3与第一感测换能器5-1和第二感测换能器5-2连接。第一传输臂10与感测换能器5-1之间的可枢转连接件由柔性铰链53形成，而第一传输臂10与参考体3之间的连接件由柔性铰链52形成。同样地，第二传输臂38与参考体3之间的连接件由柔性铰链55形成，并且第二传输臂38与第二感测换能器5-2之间的连接件由柔性铰链56形成。
柔性铰链52、柔性铰链53、柔性铰链55和柔性铰链56由相应的传输臂10和传输臂38与相应部分5-1、3和5-2之间的薄化部分形成。例如图3所示，形成单块体50的材料的薄化部分优选地包括圆形轮廓。薄化部分最小化材料的旋转刚性，同时保持足够的强度以在光学传感器设备的预期寿命期间、在其操作条件期间预期的应力内保持操作。
图3还示出了第一传输臂10和第二传输臂38上的位置28和位置42，在位置28和位置42处，包括光纤布拉格光栅的光纤将被固定至光学传感器设备中的传输臂10和传输臂38。
图4A和图4B分别提供了图3的单块体50的主视图(图4A)和剖面图(图4B)。上文所述的单块体的各个部分在图4A和图4B中用它们相应的附图标记表示。图4B表示沿图4A中所示的线A-A截取的剖面。如下从图4A所示的主视图清楚地看出，第一传输臂10的侧面11和第二传输臂38的侧面37稍微向内弯曲。
如图4A和图4B所示，第一传输臂10包括厚且宽的基部25，同时第一传输臂10朝向位置28的延伸部较薄，包括具有边缘58的薄段60。具有边缘58的薄段60的构造为传输臂10提供足够高的刚性，同时具有低的横截面重量。作为第一传输臂10的图4A和图4B所示的设计的结果，传输臂10的大部分重量集中于传输臂10的基部25处(靠近由柔性铰链形成的枢转点52)。因而，第一传输臂10的框架厚度是不均匀的，其厚度从枢转点52朝向纤维连接的位置28减小。由于有害应力在枢转点52附近是最高的，而质量对旋转惯性的贡献在该点处是最低的，所以第一传输臂10的厚度从枢转点52朝向纤维连接的位置28减小是有利的。同时，在位置28处，弯曲应力是最低的，而任何质量的惯性贡献将是最高的。在图3和图4A以及图4B的设计中，第一传输臂10包括由臂10的向内弯曲侧11获得的宽中间段，从而在低厚度处获得最高刚度，以实现传输臂10的最佳操作。在优选实施方式中，单块体50的第二传输臂38的设计与第一传输臂10的设计相同(但是镜像)。由于在例如平行于图4A中的纤维的方向上的任何惯性(振动)效应将不会导致纤维长度的变化，相同的(镜像)设计允许平衡传输并且允许消除可能出现的不期望的(干扰)交叉轴灵敏度。图5A和图5B示出了纵向传感器装置，其包括两个光学传感器设备的布置，两个光学传感器设备装配成使得能够检测在两个正交方向76和79上的振动。布置65包括第一光学传感器设备70和第二光学传感器设备71。第一光学传感器设备70布置成用于测量方向76上的振动。第二光学传感器设备71布置成用于测量方向79上的振动。第一光学传感器设备70包含与图3所示的设计类似(但不相同)的单块体75的设计。单块体75包括在其端部处连接至光纤布拉格光栅(不可见)的两个传输臂。单块体75的感测换能器被固定至惯性质量88(其仅在图5B中可见，并且在图5A中被省略以显示单块体)。同样地，光学传感器设备71包括单块体78，单块体78包括两个传输臂，两个传输臂在光纤布拉格光栅80的端部处连接至光纤布拉格光栅80。单块体78的感测换能器连接至图5B中所示的质量89。布置65还包括信号输入/输出82。例如，输入/输出82允许接收另外的光纤，另外的光纤可联接至附接在单块体75和单块体78中的每个的传输臂之间的光纤布拉格光栅的端点。这使得能够用光信号来照亮光纤布拉格光栅，同时可以在光纤的返回路径上接收反射的波长。
图5A和图5B示出该布置的开口段85，在开口段85处可安装另一光学传感器设备，以用于检测第三正交方向上的振动。这样的另一光学传感器设备例如在图6中示出，并且在下面进行解释。总而言之，例如利用如图6所示的第三光学传感器设备来使诸如图5A和图5B所示的光学设备的布置完整，允许在缆线中安装这样的光学传感器布置，这样的缆线可用于海上地质勘查(例如海底缆线)或陆地地质勘查，或可下降至钻孔或油井中，或可出于检查或监测目的安装在桥梁、建筑物或其他结构上。
根据本发明的另一光学传感器设备在图6中示出。在图6中，由于在图6的实施方式中，待检测的振动的方向与由传输臂执行的纤维的拉伸方向相同，所以第一传输臂和第二传输臂、参考体以及感测换能器的通常布置是不同的。因此，图6所示的光学传感器设备90形成用于检测与纤维方向同轴的振动的同轴光学传感器设备。
在图6中，光学传感器设备90包括单块体92，单块体92包括两个感测换能器95。感测换能器95连接至惯性质量97，并且可相对于单块体的固定参考体96移动。诸如柔性铰链98的柔性铰链经由相应的第一传输臂93和第二传输臂94将感测换能器95中的每个连接至固定参考体96。感测换能器95以这样的方式连接至第一传输臂93和第二传输臂94，即，使得当在惯性质量97上施加振动后，传输臂93和传输臂94将沿相反方向枢转。这将引起包含FBG的光纤在臂93与臂94之间的拉伸或压缩。通过将光学传感器设备90连接至图5A和图5B的布置中通常由附图标记85表示的段中，将获得允许在海底缆线内部实施的纵向圆柱形布置。
图7示出了可在根据本发明的光学传感器设备中使用的另一单块体。该设计类似于图3的设计，但是第一传输臂110和第二传输臂138成形为向外弯曲而不是向内弯曲。此外，臂110和臂138更短并且更宽。第一传输臂110和第一传输臂138上的位置128和位置142分别示出了可安装包括FBG的光纤的位置。光学传感器设备内的图7的单块体的操作类似于图3中所示的单块体50的操作。
用于本发明的光学传感器设备的单块体设计的使用提供了几个优点。例如，已经在制造时有利地由一件材料制造包括柔性铰链的部件。另外，单块体具有更高的稳定性，并且在设计上更紧凑。这些优点产生如上所述的操作优点。
在图8中示意性示出了本发明的光学传感器设备的另一实施方式。该实施方式涉及压力传感器设备155。传感器设备155在许多方面类似于图1A和图1B中所示的单臂光学传感器设备。因此，本实施方式的在设备内执行相同或类似功能的元件在图8中已经指示为具有与图1A和1B中相同的附图标记，并且在此不另外描述或解释。图1A和图1B的实施方式与图8的实施方式之间的主要区别在于感测换能器5。感测换能器5由安装在固定参考表面152上的波纹管150支承。感测换能器布置成用于在与穿过波纹管150的轴向方向对准的方向上接收压力P(箭头156)。这导致传输臂10中的感测动作21。除了作为压力传感器，传感器设备155还可作为重量传感器应用。在图9中示意性示出了用于压力感测的双臂实施方式。此处，光学传感器设备156具有其布置在参考体部分3-1和参考体部分3-2与臂10和臂38之间的感测换能器5。感测换能器5由安装在固定表面152上的波纹管150支承。图8和图9中的固定表面152和参考体3(或3-1和3-2)可以是单独的部分，或者可以是同一参考体的不同部分。在一个优选应用中，由于图8的发明将具有宽的操作频率范围，因此还可用作检测例如声信号的动态压力传感器(例如麦克风或水诊器)。在例如水诊器应用的情况下，本发明可封装在填充有使传感器的声阻抗与环境(例如水)匹配的材料(例如凝胶)的外壳中。
如上已经描述，本发明的光学传感器设备提供最优设计，其中输入动作很好地放大成FBG中的张力变化，同时允许设备快速响应输入动作中的快速变化。在感测动态参数方面，较低的旋转惯性导致系统的共振频率转化至较高频率。因此，由于设备的操作频率范围的上限由共振频率(上限必须远低于共振频率)确定，本发明的低惯性设计提供具有宽操作频率范围的光学传感器设备。因此，传感器设备响应于高频率。例如，使用本发明的教导，可获得具有高达1000Hz的操作频率范围的光学传感器设备。然而，通过应用本发明的单块体设计，实现高达2000Hz的操作频率范围，在该单块体设计中，参考体、第一传输臂和第二传输臂中的至少一个、以及感测换能器由相同材料一体地形成(例如使用柔性材料铰链)。因此，对于需要非常高的灵敏度(例如在缆线内实施)的特定实施方式，可毫无困难地获得高达200Hz的操作频率范围。
已经根据本发明的一些具体实施方式描述了本发明。应当理解的是，附图中所示和本文所描述的实施方式仅用于说明的目的，而不是以任何方式或手段来限制本发明。相信从前面的描述和所附的附图中，本发明的操作和结构将是显而易见的。本领域技术人员将清楚，本发明不限于本文所描述的任何实施方式，并且应当认为在所附权利要求的范围内的修改是可能的。另外，运动学倒置被认为是内在地公开，并且在本发明的范围内。在权利要求中，任何附图标记不应被解释为限制权利要求。当术语“包括(comprising)”和“包括(including)”在本说明书或所附权利要求中使用时，不应以排他或穷尽的意义理解，而应以包含的意义理解。因此，除了在任何权利要求中列出的那些之外，本文所使用的表述“包括(comprising)”不排除存在其他元件或步骤。此外，词语“一(a)”和“一(an)”不应被解释为限于“仅一个”，而是用于表示“至少一个”，并且不排除多个。未具体或明确描述或要求保护的特征可在本发明的范围内被附加地包括在本发明的结构中。诸如“用于......的器件”的表达应当被理解为：“配置成......的部件”或“构造成...的部件”，并且应当被解释为包括所公开的结构的等同物。诸如“关键”、“优选地”、“特别优选地”等表达的使用不旨在限制本发明。在不脱离如权利要求所确定的本发明的精神和范围的情况下，通常可在本领域技术人员的权限内进行添加、删除和修改。本发明可以以不同于本文具体描述的方式实施，并且本发明仅由所附权利要求限制。

Claims (15)

1.光学传感器设备，包括参考体和至少一个感测换能器，其中，所述感测换能器布置成用于接收输入动作，以及其中，所述感测换能器相对于所述参考体可移动地布置，以用于响应于所述输入动作相对于所述参考体移动，
其中，所述设备还包括光纤和包括第一传输臂的一个或多个传输臂，其中，所述光纤包括内置光纤传感器，以及其中，所述光纤利用其第一连接部分连接至所述第一传输臂，以及所述光纤利用其第二连接部连接至所述第一传输臂的外部的元件，所述第一连接部和所述第二连接部位于所述内置光纤传感器的两侧上，
所述第一传输臂在其第一部分处与所述参考体连接，以及在其第二部分处与所述感测换能器连接，所述光纤连接在沿所述第一传输臂远离基部的位置处，从而将由所述感测换能器接收的所述输入动作转换成施加于所述光纤的感测动作，以根据所述输入动作修改所述光纤中的张力。
2.根据权利要求1所述的光学传感器设备，其中，所述光纤利用其所述第二连接部分连接至以下组中的至少一个，所述组包括：所述参考体、相对于所述参考体固定的另一元件。
3.根据权利要求1所述的光学传感器设备，其中，所述一个或多个传输臂中的至少一个还包括第二传输臂，所述第二传输臂具有基部，所述基部在其第一部分处与所述参考体连接，以及所述基部在其第二部分处与至少一个感测换能器连接，以及其中，所述光纤利用其所述第二连接部连接在沿所述第二传输臂远离所述基部的位置处，
其中，所述第二传输臂布置成用于将所述输入动作转换成施加于所述光纤的另一感测动作，使得当接收到所述输入动作后，由所述第二传输臂施加的所述另一感测动作在与由所述第一传输臂施加的所述感测动作不同的方向上施加。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的光学传感器设备，其中，对于至少一个所述传输臂，与所述感测换能器和所述参考体的所述连接件由柔性铰链形成。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的光学传感器设备，其中，所述传输臂中的至少一个包括这样的形状，该形状使得所述至少一个传输臂在其基部附近的截面尺寸比在用于连接所述光纤的所述位置附近的截面尺寸宽。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的光学传感器设备，其中，所述传输臂中的至少一个包括这样的结构，该结构使得所述至少一个传输臂的重量相对于用于连接所述光纤的所述位置而集中在传输臂的基部附近。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的光学传感器设备，其中，所述至少一个感测换能器布置成用于接收在第一方向上指向的所述输入动作，以及其中，所述传输臂中的至少一个成形为在横向于所述第一方向的方向上施加所述感测动作。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的光学传感器设备，其中，所述至少一个感测换能器布置成用于接收在第一方向上指向的所述输入动作，以及其中，所述传输臂中的至少一个成形为在平行于所述第一方向的相同或相反方向上施加所述感测动作。
9.根据权利要求8所述的光学传感器设备，其中，所述至少一个传输臂包括成角度的纵向形状。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的光学传感器设备，其中，所述参考体位于所述至少一个感测换能器的第一感测换能器与第二感测换能器之间。
11.根据权利要求1至9中的任一项所述的光学传感器设备，其中，所述至少一个感测换能器成形为至少部分地包围所述参考体，以便至少在所述参考体的两侧与所述参考体相邻。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的光学传感器设备，其中，所述感测换能器包括以下组中的至少一个元件，所述组包括：惯性质量以提供加速度计、可变形体以提供压力传感器；以及/或
其中，所述内置光纤传感器包括光纤布拉格光栅、纤维激光器、或多芯纤维中的至少一个。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的光学传感器设备，其中，至少所述参考体、所述第一传输臂和所述第二传输臂中的至少一个、以及所述感测换能器是由相同的材料一体地形成，以形成单块体。
14.传感器装置，包括根据前述权利要求中的任一项所述的一个或多个光学传感器设备，所述传感器装置用于感测在一个或多个方向上施加的一个或多个输入动作。
15.缆线，包括根据权利要求14所述的纵向传感器装置或根据权利要求1至13中的任一项所述的一个或多个光学传感器设备中的至少一个。
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