CN108027387A - 光纤式加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤式加速度传感器(10)，其具有：‑光学纤维(11)，所述光学纤维具有自由端部，其中，所述自由端部在加速度影响下产生振动，并且所述振动作为加速度的量度被探测，具有光源，所述光源用于在纤维(11)的背离自由端部的端部处将可见的、紫外的或者红外的光线发射到光学纤维(11)中，具有镜子(14)，所述镜子布置用于将部分从自由端部射出的光线反射到光学纤维(11)中，具有用于在纤维(11)的背离自由端部的端部处接收反射光线的探测装置，其中，光学纤维(11)是双包层光纤。

Description

光纤式加速度传感器
本发明涉及一种尤其应用在发电机中的光纤式加速度传感器。
发电站领域中的发电机主要在绕组端部的区域内具有双倍电网频率的振动。在杆式振动的振幅过高时，可能损坏绝缘件或者铜，从而需要对发电机进行维护。因为绕组端部处于高压电势上，所以为监测这些振动越来越多地使用光纤式加速度传感器(所谓的FOA＝fiber optical accelerometer)。
由DE 10 2010 019 813 A1已知的加速度传感器使用的方法是将光学纤维的自由端部的偏转转化为光信号的强度改变，方式为纤维的自由端部指向倾斜的镜子。在这种传感器原理中，传感器的共振频率通过弹性模量、面积惯性矩、自由纤维的长度和密度定义。传感器的灵敏度相应于纤维端部的偏转并且通过相同的参数描述。共振频率和传感器的偏转/灵敏度之间的关联是间接成比例的，也就是提高的共振频率降低了纤维端部的偏转，灵敏度的提高相反地降低了传感器的共振频率。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种光纤式加速度传感器，其中在共振频率没有反向降低的情况下实现了提高的灵敏度。
该技术问题按本发明通过具有权利要求1的特征的光纤式加速度传感器解决。从属权利要求涉及本发明的有利设计方案。
按照本发明的光纤式加速度传感器包括光学纤维，所述光学纤维具有自由端部，其中，所述自由端部在加速度影响下产生振动，并且所述振动作为加速度的量度被探测。光纤式加速度传感器还包括光源，所述光源用于在纤维的背离自由端部的端部处将可见的、紫外的或者红外的光线发射到光学纤维中，光纤式加速度传感器包括镜子，所述镜子布置用于将部分从自由端部射出的光线反射到光学纤维中，以及光纤式加速度传感器包括用于接收纤维的背离自由端部的端部处的反射光线的探测装置。按照本发明，光学纤维是双包层光纤，也称为DCF(double clad fiber)。
对于本发明已经认识到的是，相比一般的光学纤维，在镜子上反射的光线到达纤维端面并且在该处从内包层(也就是较大的第二纤芯)在更大的数值孔径情况下也在明显更大的角度下入射并且导引。由此有利地实现了镜子更强烈的倾斜，从而提高了传感器的灵敏度，而在此没有产生较强的入射损耗。
在此有利的是，光线在光学纤维的纤芯中朝向自由端部导引，因为在这种情况下出射角较小，这能够使反射的光束被受限为在空间上更紧密并且由此又将在之后入射到光学纤维时的损耗最小化。
双包层光纤包括纤芯、内包层和外包层。纤芯和内包层优选设计为多模波导，因为由此可以实现比单模波导更高的信号质量。
相宜地，纤芯具有比内包层更小的数值孔径。例如，纤芯的数值孔径可以是0.075至0.14，而内包层的数值孔径可以在0.22至0.5之间。
光学纤维的纤芯可以在自由端部中具有布拉格光栅。所述布拉格光栅可以有利地用于测量传感器在自由端部的区域内的温度。由此可以通过计算校正由于温度变化产生的信号误差。为此，布拉格光栅优选靠近光学纤维的自由端部，例如在光学纤维的靠近纤维自由端部的纤维终点的25％处。相宜地，探测装置为此还包括用于确定布拉格光栅的反射波长的器件，所述反射波长是温度的量度。为此，以对于布拉格光栅已知的方式光谱式地分析入射到纤芯中的光束的反射部分。有利的是，在这种设计方案中，光学纤维的纤芯设计为单模纤芯，因为由此可以简化对布拉格光栅信号的分析。
光学纤维的纤芯的尺寸例如可以在作为多模纤芯时是50μm或者62.5μm，或者例如是25μm作为中间尺寸，即所谓的Few-Mode(少模)。作为多模纤芯的内包层既可以在单模纤芯的情况下具有如62.5μm的标准尺寸，也可以具有较大的直径，如200μm或者400μm。
本发明的其它有利的设计方案和扩展设计包括：
-为了相对于运行频率保持共振频率足够高，通常为400Hz，纤维的长度相宜地选择得足够小。而为了较高的灵敏度，尽可能大的纤维长度是有利的。在本发明的一种有利的设计方案中，对于标准多模纤维62/125μm，针对自由端部使用12至18mm之间的纤维长度。尤其选择15至17mm之间的纤维长度，并且按照一种有利的设计方案，纤维长度为16mm。16mm的纤维长度业已证明在共振频率和灵敏度方面是有利的。
-优选只将光学纤维的自重用作振荡质量。
为了避免在光学纤维的终端面上的反向反射，按照本发明的一种有利的设计方案，使用端面的8°断口(断面)。纤维端部相对于镜子的方位角定向相宜地选择为，使得断口和镜面形成最大可能角。换而言之，断口与镜面形成“V”的形状。通过倾斜的终端面，光线例如向下(相对于“V”的形状向下地)由纤维折射约3.5°。由此减小了入射到镜子上的有效入射角。
在本发明的一种有利的设计方案中，镜子倾斜9°至13°之间。纤维端部相对于镜子的方位角定向相宜地又选择为，使得断口与镜面形成最大可能角。换而言之，断口与镜面形成“V”的形状。镜面尤其倾斜11°。
备选地，镜面和纤维端部也可以这样彼此布置，从而使形成的角最小化。换而言之，倾斜的镜面与断口形成平行四边形状的结构。
有利的是，玻璃纤维与镜子的距离在25至75μm之间。通过所述的配置有利地产生了相对线性的、加速度值在0至10g之间的传感器特征曲线，其灵敏度约为1％/g。
为了简化结构，传感器头的所有元件优选设计为柱形对称的。柱形的传感器随即装入矩形的块中。作为输送管路例如使用3-5mm直径的特氟龙管，玻璃纤维松弛地设置在特氟龙管中。在输送管路的端部具有用于光波导体的插头，例如型号为FC-APC或者E-2000。
根据附图详细阐述本发明的优选的、但不限于此的实施例。在此，特征示意性地并且不是必须按照真实比例地示出。在附图中：
图1示出具有玻璃纤维和镜子的光纤式加速度传感器；
图2以放大的视图示出光纤式加速度传感器的局部；
图3示出剖切第一玻璃纤维得到的纵剖面。
图1所示的光纤式加速度传感器10包括玻璃纤维11作为主要元件。所述玻璃纤维设计为双包层光纤。玻璃纤维11的16mm长的区段是自由或者说裸露的。玻璃纤维11在所述区段的端部终结。与自由区段相连接地，玻璃纤维11固定在导引元件16中。玻璃纤维11在进一步的延伸中松弛地在3.7mm直径的特氟龙管15中导引。
特氟龙管15的端部与导引元件16共同由第一套筒19包围。围绕第一套筒19设有第二套筒12。所述第二套筒12从第一套筒的区域经过玻璃纤维11的自由区段延伸出去。在端侧，也就是在玻璃纤维11终结之处，第二套管12具有以11°的角倾斜的终端部，其在柱形的第二套筒12中显示为圆环形的倾斜端部17。第二套筒12本身在这个部位是敞开的，但通过铝-玻璃镜子14封闭。所述铝-玻璃镜子14通过粘接固定在倾斜端部上，因此铝-玻璃镜子14本身倾斜于纤维轴线的法向平面地设置。
立方体状的元件13从铝-玻璃镜子14的高度至第一套筒19地包围迄今描述的结构。通过套筒19、12和立方体状的元件13以及铝-玻璃镜子14和导引元件16，玻璃纤维11的自由区段完全与外界隔离，因此没有干扰因素从外部影响测量。
立方体状的元件13和套筒12也可以融合为一个唯一的构件。
图2示出玻璃纤维11的放大但没有按比例显示的端部与铝-玻璃镜子14的关联。光线在铝-玻璃镜子14上被反射并且一部分光线又入射到玻璃纤维11中。
铝-玻璃镜子14在图2所示的放大图中不再完整地显示，铝-玻璃镜子14相对于玻璃纤维轴线的法向平面以11°的角18布置。玻璃纤维11的端部与铝-玻璃镜子14之间的距离21在本实施例中是50μm。
图3示出剖切玻璃纤维11得到的纵剖面。玻璃纤维11包括纤芯30、内包层31和外包层32。在此所示的多模纤芯具有62.5μm的直径，而内包层200的直径为200μm。纤芯30用于将光线引向玻璃纤维11的自由端部并且由此引向铝-玻璃镜子14。
纤芯30设计为，使得其具有较小的数值孔径并且因此具有较小的出射角33。例如，数值孔径在此为0.1。内包层31具有较大的数值孔径并且因此具有较大的接收角34，光线能够以所述接收角入射。例如数值孔径在此是0.3。图3并没有按照真实角度地呈现出射角或者接收角。在内包层中，由铝-玻璃镜子14反射的光束又入射并且往回导引至探测器。
有利地，通过将玻璃纤维11使用和设计为双包层光纤可以增大铝-玻璃镜子14相对于垂直结构倾斜的角18。由此可以取代在其它情况下优选的例如11°的角而选择12°或者更大的、尤其是15°的角。在此损失的光功率没有在使用一般的光学纤维的情况下那么大，并且通过由于在玻璃纤维11偏转时增大的角和与之相关增大的信号强度在信号分辨率方面获得的优势得以补偿和超过。

Claims (10)

1.一种光纤式加速度传感器(10)，具有：
-光学纤维(11)，所述光学纤维具有自由端部，其中，所述自由端部在加速度影响下产生振动，
-光源，所述光源用于在纤维(11)的背离自由端部的端部处将可见的、紫外的或者红外的光线发射到光学纤维(11)中，
-镜子(14)，所述镜子布置用于将部分从自由端部射出的光线反射到光学纤维(11)中，
-用于在纤维(11)的背离自由端部的端部处接收反射光线的探测装置，
其特征在于，
-光学纤维(11)是具有纤芯(30)、内包层(31)和外包层(32)的双包层光纤。
2.按权利要求1所述的光纤式加速度传感器(10)，其中，纤芯(30)的数值孔径处于0.075至0.14的范围内，并且内包层(31)的数值孔径处于0.22至0.5的范围内。
3.按权利要求1或2所述的光纤式加速度传感器(10)，其中，光学纤维(11)的纤芯(30)在自由端部中具有布拉格光栅。
4.按权利要求3所述的光纤式加速度传感器(10)，其中，所述光学纤维(11)的纤芯(30)和内包层(31)设计为多模波导。
5.按前述权利要求之一所述的光纤式加速度传感器(10)，其中，自由端部的长度在12至18mm之间，尤其在15至17mm之间。
6.按前述权利要求之一所述的光纤式加速度传感器(10)，其中，自由端部的终端面通过光学纤维(11)的断口构成，所述断口与垂直于纤维轴线的平面具有5°至18°之间、尤其是12°至18°之间的角。
7.按前述权利要求之一所述的光纤式加速度传感器(10)，其中，光学纤维(11)的断口和镜子(14)的相对于垂直于纤维轴线的平面的倾斜轴线彼此平行地定向。
8.按前述权利要求之一所述的光纤式加速度传感器(10)，其中，纤维终端面与镜子(14)之间的距离在25μm至75μm之间。
9.按前述权利要求之一所述的光纤式加速度传感器(10)，其中，只将光学纤维(11)的自重用作振荡质量。
10.一种电机，尤其是发电机，具有至少一个按前述权利要求之一所述的光纤式加速度传感器(10)。
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