CN112782424A - 一种光学加速度传感器及加速度传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学加速度传感器及加速度传感器系统，所述光学加速度传感器包括：传导光纤，其内部传导光波；半导体结构，其上刻蚀布拉格光栅，且与所述传导光纤对准，对射入的光波进行调制后反射回所述传导光纤；振动组件，其与所述半导体结构连接，感应被测物体的振动并传递给所述布拉格光栅。这样，将半导体结构和传导光纤分离开来设置，需要封装的时候，直接对半导体结构进行封装，解决了光纤弯曲半径过小，封装成传感器尺寸过大的问题；另外，半导体结构更为稳固，所以解决了布拉格光纤光栅易脆易断，无法测量高频振动信号的问题。

Description

一种光学加速度传感器及加速度传感器系统

技术领域

本发明涉及光学传感器技术领域，具体而言，涉及一种光学加速度传感器及加速度传感器系统。

背景技术

现有的主流光学加速度传感器技术有布拉格光纤光栅技术和法布里-佩罗光学谐振腔技术。前者主要是在普通光纤上调制纤的芯周期性折射率，该方法容易使光纤变脆，存在在长期振动下光纤容易产生疲劳甚至断裂，且不能测量高频振动信号等缺陷；另外，在封装成传感器时，由于要估计光纤的折弯半径以免使光信号衰减，这导致封装成型的传感器在尺寸上不会很小，因此不适用对内部空间尺寸苛刻的环境。后者光信号的变化基本是非线性，因此对于传感器来说，解调出来的振动信号相对失真；且其制造工艺上很难精准控制谐振腔的腔长，这导致需要的设计波长有时很难落在探测光的通带内，从而无信号输出或产生乱码信号。

发明内容

本发明解决的问题是布拉格光纤光栅光纤变脆，无法测量高频振动信号。

为解决上述问题，本发明首先提供一种光学加速度传感器，包括：

传导光纤，其内部传导光波；

半导体结构，其上刻蚀布拉格光栅，且与所述传导光纤对准，对射入的光波进行调制后反射回所述传导光纤；

振动组件，其与所述半导体结构连接，感应被测物体的振动并传递给所述布拉格光栅。

这样，通过在半导体结构上刻蚀布拉格光栅，将半导体结构和传导光纤分离开来设置，这样需要封装的时候，直接对半导体结构进行封装，就不需要考虑光纤弯曲半径的问题，从而解决了光纤弯曲半径过小，封装成传感器尺寸过大的问题；另外，半导体结构更为稳固，所以解决了光纤布拉格光栅易脆易断，无法测量高频振动信号的问题。

可选的，所述布拉格光栅蚀刻在所述半导体结构上。

这样，将布拉格光栅蚀刻在所述半导体结构上，从而可以增加布拉格光栅设置的稳固性和便携性。

可选的，所述振动组件的质心与所述半导体结构的中心重合。

这样，所述振动组件在振动时，振动方向与半导体结构的长度方向平行，会使得布拉格光栅仅仅沿长度方向发生形变，不会产生偏振。

可选的，所述振动组件包括质量块和悬梁臂，所述质量块通过所述悬梁臂与所述半导体结构连接。

这样，悬梁臂对质量块的振动方向进行约束，被测物体振动时，质量块在振动方向上随之振动，并使得悬臂梁产生弯曲并摆动，从而带动布拉格光栅长度方向的微形变。

可选的，所述质量块的数量为多个，且所述质量块的质量相同。

这样，可以避免质量块的质量不同导致的整个振动组件质量分布不均匀，从而限制所述质量块的振动方向，避免产品偏振。

可选的，所述悬梁臂等长，且围绕所述半导体结构呈放射性均匀设置。

这样设置，可以使得整个振动组件的质量均匀分布，从而限制所述质量块的振动方向，避免产品偏振。

可选的，所述质量块的数量为四个。

这样，十字型结构便于半导体结构的加工和组合。

可选的，所述传导光纤与所述布拉格光栅对准的一端上设置有凸透镜。

这样，在传导光纤内传播的光波通过凸透镜以平行光形式进入布拉格光栅；同理，被布拉格光栅反射的光波经过凸透镜聚焦进传导光纤里。

可选的，还包括封装外壳，所述封装外壳包裹所述半导体结构和所述振动组件，且与所述传导光纤固定连接。

这样，通过封装，将半导体结构和所述振动组件封装起来，从而便于保护和减小加工难度。

其次提供一种光学加速度传感器系统，包括上述所述的光学加速度传感器。

这样，通过在半导体结构上刻蚀布拉格光栅，将半导体结构和传导光纤分离开来设置，这样需要封装的时候，直接对半导体结构进行封装，就不需要考虑光纤弯曲半径的问题，从而解决了光纤弯曲半径过小，封装成传感器尺寸过大的问题；另外，半导体结构更为稳固，所以解决了光纤布拉格光栅易脆易断，无法测量高频振动信号的问题。

可选的，光学加速度传感器系统还包括：

光源生成器，其生成用于探测的光波；

信号解调器，其将射入的光波解调为电信号，并解算出对应的加速度；

光纤耦合器，其一端分别与所述光源生成器、所述信号解调器通过光纤连通，另一端与所述光学加速度传感器通过光纤连通，将所述光学加速度传感器的光波传输通道分离为所述光源生成器的光波传输通道和所述信号解调器的光波传输通道。

这样，通过光学加速度传感器系统可以对被测物体的加速度进行准确的测量，且半导体结构的材质更为稳固，更便于对高温高压或高频振动环境进行测量。

附图说明

图1为本发明实施例的光学加速度传感器的结构图；

图2为本发明实施例的光学加速度传感器的界面图；

图3为本发明实施例的光学加速度传感器的封装图；

图4为本发明实施例的光学加速度传感器系统的示意图。

附图标记说明：

1-光学加速度传感器；2-传导光纤；3-半导体结构；31-布拉格光栅；4-振动组件；41-质量块；42-悬梁臂；5-凸透镜；6-封装外壳；7-光源生成器；8-信号解调器；9-光纤耦合器。

具体实施方式

现有的主流光学加速度传感器技术有布拉格光纤光栅技术和法布里-佩罗光学谐振腔技术。

布拉格光纤光栅技术是在普通光纤上制作布拉格光栅，这种制作一般有两种工艺，一是激光干涉法，二是掩膜法，但是无论是哪一种方法，都需要剥去涂覆层，而剥去涂覆层的光纤本身易脆易断，在长期振动下很容易产生疲劳甚至断裂，因此不仅使用寿命过短，而且不能测量高频振动信号。

另外，当光纤传感器的光纤弯曲半径过小时，基本无信号输出；因此在封装成传感器时，要有至少10倍光纤直径的尺寸作为光纤的折弯半径以免使光信号衰减，这导致封装成型的传感器在尺寸上不会很小，因此不适用对内部空间尺寸苛刻的环境。

法布里-佩罗光学谐振腔技术是利用谐振腔腔长的变化，使输出的梳状结构的纵模间距产生相应的变化，从而使在通带光内(该通带光另外还起到滤波的作用)有且仅有的波长发生相对偏移去探测动态变化的光信号。

但是法布里-佩罗光学谐振腔技术的缺陷在于，一是通带内的波长是相对纵模间距的变化而变化的，因此光信号的变化基本是非线性，因此对于传感器来说，解调出来的振动信号相对失真；二是其制造工艺上很难精准控制谐振腔的腔长，这导致需要的设计波长有时很难落在探测光的通带内，从而无信号输出或产生乱码信号。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

为在一定程度上解决上述技术问题的至少一个方面，如图1所示，其为本发明实施例的光学加速度传感器的结构图；其中，所述光学加速度传感器，包括：

传导光纤2，其内部传导光波；

半导体结构3，其上刻蚀布拉格光栅31，且与所述传导光纤2对准，对射入的光波进行调制后反射回所述传导光纤2；

振动组件4，其与所述半导体结构3连接，感应被测物体的振动并传递给所述布拉格光栅31。

这样，光波在传导光纤2内部传播，通过与半导体结构3对准的位置射入所述半导体结构3；光波在半导体结构3的布拉格光栅31中进行调制，符合布拉格光栅31反射条件的光波，通过对准位置反射回传导光纤2；不符合布拉格光栅31反射条件的光波在半导体结构3末端消光后从光学微结构内透射出去。同时，振动组件4设置在被测物体上，随着被测物体的振动，振动组件4也发生的振动，并传递给布拉格光栅31，使其产生拉伸和压缩式的微形变，这种微形变会使布拉格光栅31的晶格周期的长度发生变化，从而导致在此处进行调制的光波的反射波长会在光通带内的原来的反射波中心波长附近左右偏移；也即是说，反射回传导光纤2的光波的波长会来回变动。

这样，通过在半导体结构3上刻蚀布拉格光栅31，将半导体结构和传导光纤2分离开来设置，这样需要封装的时候，直接对半导体结构进行封装，就不需要考虑光纤弯曲半径的问题，从而解决了光纤弯曲半径过小，封装成传感器尺寸过大的问题；另外，半导体结构更为稳固，所以解决了布拉格光纤光栅易脆易断，无法测量高频振动信号的问题。

另外，在半导体上刻蚀布拉格光栅31，而无需在半导体上制作法布里-佩罗光学谐振腔来进行测量，从而避免了其腔长制作误差导致的振动信号失真和制造工艺不精准的问题。

这样，通过在半导体结构3上刻蚀布拉格光栅31，解决了光纤弯曲半径过小，封装成传感器尺寸过大的问题，且结构稳固，便于测量高频振动信号。需要额外说明的是，对于半导体和光纤材质，同样反射率的情况下，光纤光栅的长度较长，半导体结构的布拉格光栅长度较短，从而光学加速度传感器的芯片尺寸可以变得更小；且光纤光栅由于材质和制作工艺问题，在长期高温环境下会逐渐消失，半导体结构的布拉格光栅制作工艺与光纤光栅的不同，因此不会产生高温环境下逐渐消失的问题，从而可以应用到高温高压高频振动的场景中去。

可选的，如图1所示，所述振动组件4与所述半导体结构3刚性连接。从而振动组件4通过振动可以使得布拉格光栅31产生拉伸和压缩式的微形变。

这样，被测物体振动时，振动组件4会在振动方向上随之发生振动，由于振动组件4与半导体结构3是刚性连接，所以这种振动会使得布拉格光栅31产生拉伸和压缩式的微形变，进而影响反射光波的波长。

可选的，所述振动组件4的振动方向与所述半导体结构3的长度方向平行，这样所述振动组件4的振动只会使得布拉格光栅31产生拉伸和压缩式的微形变，而不会产生其他方向的形变(其他方向的形变，会导致布拉格光栅31的反射和透射效果发生非线性变化，且容易引起光波传播方向的偏移，从而导致测量结果出现很大的误差)。

可选的，所述布拉格光栅31蚀刻在所述半导体结构3上。

这样，通过蚀刻的方式，将布拉格光栅31蚀刻在所述半导体结构3上，从而可以增加布拉格光栅31设置的稳固性和便携性(蚀刻工艺成熟，便于加工)。

可选的，结合图2所示，所述半导体结构3的中轴线穿过所述布拉格光栅31，这样，可以使得从所述中轴线以及中轴线附近传播的光波均会受到布拉格光栅31的调制作用，提高调制效果。

可选的，所述振动组件4的质心与所述半导体结构3的中心重合。这样，所述振动组件4在振动时，振动方向与半导体结构3的长度方向(中轴线)平行，会使得布拉格光栅31仅仅沿长度方向发生形变，不会产生偏振。

需要说明的是，偏振会导致布拉格光栅31的晶格周期产生啁啾式拉伸和压缩，从而极大地干扰加速度传感器的精确度。

可选的，结合图2所示，所述振动组件4包括质量块41和悬梁臂42，所述质量块41通过所述悬梁臂42与所述半导体结构3连接。

这样，悬梁臂42对质量块41的振动方向进行约束，被测物体振动时，质量块41在振动方向上随之振动，并使得悬臂梁产生弯曲并摆动，从而带动布拉格光栅31产生长度方向的微形变。

另外，通过在悬臂梁上加载不同质量的质量块41，在一定的探测光带宽内会改变加速度值的分辨率，从而制造出不同量程的加速度传感器，即大质量快对应小量程，小质量快对应大量程。这样，通过质量块41的设置，使得可以对整个加速度传感器可以进行量程的调节和限制，从而提高加速度传感器测量的范围和所需准确度。

可选的，所述质量块41的数量为多个，且所述质量块41的质量相同。

这样，可以避免质量块41的质量不同导致的整个振动组件4质量分布不均匀，从而限制所述质量块41的振动方向，避免产品偏振。

可选的，结合图2所示，所述悬梁臂42等长，且围绕所述半导体结构3呈放射性均匀设置。

其中，围绕所述半导体结构3呈放射性均匀设置，即是说所述悬梁臂42一端固定在所述半导体结构3上，另一端向外延伸，且相邻两个悬梁臂42之间的夹角均相同。这样设置，可以使得整个振动组件4的质量均匀分布，从而限制所述质量块41的振动方向，避免产品偏振。

可选的，结合图2所示，所述悬梁臂42和所述质量块41均位于同一平面内，且该平面与所述半导体结构3的中轴线垂直(长度方向)；这样，由于悬梁臂42一端固定，则另一端的振动(在排除质量不同导致的偏振的情况下)只能沿着悬梁臂42可以摇摆的方向进行，也即是与所述悬梁臂42垂直(与半导体结构3的中轴线平行)的方向上进行，从而将振动方向限定在于所述半导体结构3的中轴线平行的方向上。

可选的，所述悬梁臂42和所述质量块41均位于不同的平面内(图中未示出)，且每个平面均与所述半导体结构3的中轴线垂直，且每个平面上的悬梁臂42和质量块41均是均匀分布；这样，可以保证每个平面上的所述悬梁臂42和所述质量块41均只产生与半导体结构3的中轴线垂直的振动，从而保证总的振动方向也与半导体结构3的中轴线垂直。

可选的，所述质量块41的数量为四个。这样，所述悬梁臂42也为四个，从而呈十字型设置在所述半导体结构3上。这样，十字型结构便于半导体结构3的加工和组合。

可选的，所述质量块41、所述悬梁臂42、所述半导体结构3为一体式。这样，进一步提高稳固性和加工难度(不是一体式，由于尺寸过小，加工难度很大)。

可选的，结合图2所示，所述传导光纤2与所述布拉格光栅31对准的一端上设置有凸透镜5。

这样，在传导光纤2内传播的光波通过凸透镜5以平行光形式进入半导体结构3；同理，被布拉格光栅31反射的光波经过凸透镜5聚焦进传导光纤2里。

另外，还可以通过该结构来完成传导光纤2与所述布拉格光栅31的对准操作。比如：在安装时让光波在传导光纤2中传播，然后查看反射回来的光波的能量，前后调节具有凸透镜5的传导光纤2和布拉格光栅31位置使观察到的反射光波达到最大值，即正确对准。

可选的，所述布拉格光栅31的横截面(光波射入的横截面)处贴有增透膜，从而可以使得更多的光强进入所述布拉格光栅31中。

可选的，所述布拉格光栅31的末端贴有透射膜或者所述半导体结构3的末端设置导波消光道，从而减少除布拉格光栅31之外的其他镜面反射的光波返回到信号解调器8。

可选的，结合图3所示，还包括封装外壳6，所述封装外壳6包裹所述半导体结构3和所述振动组件4，且与所述传导光纤2固定连接。

这样，通过封装，将半导体结构3和所述振动组件4封装起来，从而便于保护和减小加工难度。

可选的，两个或三个所述封装外壳6互相正交固定(图中未画出)，且所述封装外壳6内的所述半导体结构3的中轴线正交垂直。这样，可以将两个或三个封装集成为双轴加速度传感器或三轴加速度传感器，从而对环境中被测物体的两个或三个方向的加速度进行测量。

可选的，所述传导光纤2(凸透镜5)与所述加速度传感器的封装外壳6通过焊接固定。这样，便于加工且固定稳固。

可选的，所述焊接固定的方式为玻璃焊；这样，便于焊接且焊接牢固。

这样，加工出的所述光学加速度传感器具有振动灵敏度高、对温度不敏感、无零点漂移、频响带宽广、线性度好等优点。

为在一定程度上解决上述技术问题的至少一个方面，本申请还提供一种光学加速度传感器系统，如图4所示，所述光学加速度传感器系统包括上述所述的光学加速度传感器1。

这样，通过在半导体结构3上刻蚀的布拉格光栅31，将半导体结构和传导光纤2分离开来设置，这样需要封装的时候，直接对半导体结构进行封装，就不需要考虑光纤弯曲半径的问题，从而解决了光纤弯曲半径过小，封装成传感器尺寸过大的问题；另外，半导体结构更为稳固，所以解决了布拉格光纤光栅易脆易断，无法测量高频振动信号的问题。

可选的，如图4所示，所述光学加速度传感器系统还包括：

光源生成器7，其生成用于探测的光波；

信号解调器8，其将射入的光波解调为电信号，并解算出对应的加速度；

光纤耦合器9，其一端分别与所述光源生成器7、所述信号解调器8通过光纤连通，另一端与所述光学加速度传感器1通过光纤连通，将所述光学加速度传感器1的光波传输通道分离为所述光源生成器7的光波传输通道和所述信号解调器8的光波传输通道。

这样，光源生成器7发出光波，光波通过光纤进入光纤耦合器9；光纤耦合器9将激光耦合进光学加速度传感器1的光纤里，经过光纤耦合器9后，光波被导入光学加速度传感器1；波长符合布拉格光栅31条件的光波被布拉格光栅31反射，并重新经过光学加速度传感器1的光纤进入光纤耦合器9，再通过光纤耦合器9进入信号解调器8；光学加速度传感器1安装在被探测物体或环境里，如果该被探测物体或环境的物理量发生改变，则光波在光学加速度传感器1处反射的的光波的波长也会随着改变并沿着光纤内部反射回去，反射回去的波长经过光纤耦合器9进入信号解调器8，信号解调器8把反射的光波的光信号变成电信号，再通过一定解调算法计算出相应的物理量(加速度)。

这样，通过光学加速度传感器系统可以对被测物体的加速度进行准确的测量，且半导体结构的材质更为稳固，更便于对高温高压或高频振动环境进行测量。使得光学加速度传感器系统振动灵敏度高、对温度不敏感、无零点漂移、频响带宽广、线性度好。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学加速度传感器，其特征在于，包括：

传导光纤(2)，其内部传导光波；

半导体结构(3)，其上刻蚀布拉格光栅(31)，且与所述传导光纤(2)对准，对射入的光波进行调制后反射回所述传导光纤(2)；

振动组件(4)，其与所述半导体结构(3)连接，感应被测物体的振动并传递给所述布拉格光栅(31)。

2.根据权利要求1所述的光学加速度传感器，其特征在于，所述振动组件(4)的质心与所述半导体结构(3)的中心重合。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的光学加速度传感器，其特征在于，所述振动组件(4)包括质量块(41)和悬梁臂(42)，所述质量块(41)通过所述悬梁臂(42)与所述半导体结构(3)连接。

4.根据权利要求3所述的光学加速度传感器，其特征在于，所述质量块(41)的数量为多个，且多个所述质量块(41)的质量相同。

5.根据权利要求3所述的光学加速度传感器，其特征在于，所述悬梁臂(42)等长，且围绕所述半导体结构(3)呈放射性均匀设置。

6.根据权利要求4所述的光学加速度传感器，其特征在于，所述质量块(41)的数量为四个。

7.根据权利要求1-2中任一项所述的光学加速度传感器，其特征在于，所述传导光纤(2)与所述布拉格光栅(31)对准的一端上设置有凸透镜(5)。

8.根据权利要求1-2中任一项所述的光学加速度传感器，其特征在于，还包括封装外壳(6)，所述封装外壳(6)包裹所述半导体结构(3)和所述振动组件(4)，且与所述传导光纤(2)固定连接。

9.一种光学加速度传感器系统，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的光学加速度传感器(1)。

10.根据权利要求1所述的光学加速度传感器系统，其特征在于，还包括：

光源生成器(7)，其生成用于探测的光波；

信号解调器(8)，其将射入的光波解调为电信号，并结算出对应的加速度；

光纤耦合器(9)，其一端分别与所述光源生成器(7)、所述信号解调器(8)通过光纤连通，另一端与所述光学加速度传感器(1)通过光纤连通，将所述光学加速度传感器(1)的光波传输通道分离为所述光源生成器(7)的光波传输通道和所述信号解调器(8)的光波传输通道。

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