CN113624328B - 一种微型耐高温光纤法珀振动传感器 - Google Patents
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Abstract
一种微型耐高温光纤法珀振动传感器，包括耐高温外壳，耐高温外壳内布置有基底反射部和振动敏感部，基底反射部包括固定基底和由固定基底的上侧面贯穿至竖直侧面的弧形光波导，弧形光波导内设置有用于温度漂移补偿的光纤布拉格光栅结构；振动敏感部包括布置在固定基底上方的十字悬臂梁，支撑十字悬臂梁的支撑结构和布置于十字悬臂梁中心下部的质量块；质量块的下端面和弧形光波导的上端面均镀有反射膜，形成法珀腔；其中，固定基底、支撑结构、十字悬臂梁和质量块均为二氧化硅材质，弧形光波导为耐高温石英材质。该光纤法珀振动传感器具有结构微小，耐高温，抗电磁干扰、自主抑制温漂、测量频率范围大、精度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微型耐高温光纤法珀振动传感器，属于光纤传感检测技术领域。
背景技术
光纤传感器相比于传统的电学传感器具有抗干扰能力强、动态响应范围大、耐高温、体积小且能够实现高频振动测量等优点，同时，光纤传感的解调速度相对传统电类传感器也有很大提高，因此光纤传感技术在机械件结构健康监测中得到广泛应用。光纤振动传感器是机械结构机械激振、气动激振等检测的核心元件，光纤振动传感器的发展能够进一步提升结构健康监测的水平。光纤振动传感器在航空航天、大型建筑等工业和军事领域得到了广泛的应用，出现了各种类型的微型化光纤法珀传感器。因此，开展新型光纤传感器的研究具有很强的现实意义。
光纤法珀传感结构简单，可以利用不同的结构构建法珀传感器，根据不同的应用环境，传感器的样式可以灵活调整，因此，光纤法珀传感器衍生出很多种类，广泛应用在结构健康监测、航空航天、核电、生物、医学等领域。航空发动机作为飞机的核心部件，其工作状态是决定飞机安全运行的关键，航空发动机故障70％来源于振动，其中，航空发动机内部的转轴振动又是引起故障主要原因之一。利用振动传感器实现对航空发动机转轴振动的实时测量对于预测航空发动机转轴工作寿命、监测其工作状态，为航空发动机设计提供改进思路具有重要的价值。航空发动机转轴振动频率高达10KHz，工作环境温度超过700℃，且转轴附近可供安装传感器的空间狭小，这要求振动传感器具备耐高温、体积小、测量频率范围宽等特点。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种微型耐高温光纤法珀振动传感器，其结构微小，能够工作在700℃的高温环境，且具备抗电磁干扰、自主抑制温漂、测量频率范围大、测量精度高等优点。
本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种微型耐高温光纤法珀振动传感器，包括耐高温外壳，耐高温外壳内布置有基底反射部和振动敏感部，其结构特点是：
所述基底反射部包括固定基底和由固定基底的上侧面贯穿至竖直侧面的弧形光波导，所述弧形光波导包括竖直部分、水平部分以及连接水平部分和竖直部分的弧形部分，弧形光波导内设置有用于温度漂移补偿的光纤布拉格光栅结构；
所述振动敏感部包括布置在固定基底上方的十字悬臂梁，支撑十字悬臂梁端部的支撑结构和布置于十字悬臂梁中心下部的质量块；
所述质量块的下端面和弧形光波导的上端面均镀有反射膜，记质量块下端面镀的反射膜为反射膜一，弧形光波导上端面镀的反射膜为反射膜二；质量块下端面的反射膜一与弧形光波导上端面的反射膜二之间形成法珀腔；
所述固定基底、支撑结构、十字悬臂梁和质量块均为二氧化硅材质，弧形光波导为耐高温石英材质。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明采用十字悬臂梁感应振动，因此可以将外界较大的振动转换为较小的振动，从而可以保证该法珀振动传感器工作在线性区域并具有高监测灵敏度。
二、本发明将质量块设置于十字悬臂梁的中心下部，最大限度地减少了由于振动过程中悬臂梁弯曲带来的法珀腔上端面的弧形形变，减小因弧形形变造成法珀腔畸变而出现干涉光强减弱的情况，有利于提升传感器干涉信号的强度，保证法珀腔的工作稳定性。
三、本发明采用弧形光波导结构代替常规的直线光纤结构，有利于实现传感器的微型化，可以将传感器尺寸厚度控制在5mm以内，长宽控制在10mm以内，使得其更易于安装在狭小恶劣的工作环境中。
四、法珀腔本身除了对振动敏感，还对温度敏感，温度变化可能导致法珀腔的初始腔长发生变化，进而造成初始干涉信号漂移，造成信号解调误差，即产生“温度漂移”。本发明在弧形光波导中设置光纤布拉格光栅结构，通过光纤布拉格光栅结构降低法珀腔受温度漂移的影响，实现自主抑制温漂，减轻或消除恶劣环境中温度变化引入的测量误差。在弧形光波导中设置光纤布拉格光栅结构可以抑制温漂的原理是：光纤布拉格光栅结构可以实时感知工作环境的温度，每个环境温度对应着固定的法珀腔腔长，所以通过光纤布拉格光栅获得的实时温度信息，可以知道当前温度状态下法珀腔的初始腔长，从而能够正确地去除温度带来的腔长漂移，消除温度对于测量的影响。
五、本发明采用二氧化硅和石英作为传感器主要材料，保证了传感器耐高温特性。
六、固定基底、支撑结构、十字悬臂梁和质量块均为二氧化硅材质，不仅保证了传感器耐高温特性，而且有利于整体成型制备。质量块采用二氧化硅材质，有利于提升质量块下端面的镜面度，提高光反射的效率。另外，二氧化硅是光纤的主要成分，固定基底采用二氧化硅材质，有利于弧形光波导与固定基体的结合，固定基底可以当作光纤的包层，方便利用光纤的模式理论来分析弧形光波导部分的光传输机理。再者，二氧化硅的刚度大，作为十字悬臂梁的材料，使得振动的固有频率较高，振动测量中测量要求被测频率远低于振动固有频率，所以选用二氧化硅作为十字悬臂梁更能适应高频测量的需求。
总之，本发明光纤法珀振动传感器具有灵敏度高、耐高温、体积小、稳定性好、频率响应范围宽，且监测结果不受环境温度变化的影响等优点，能够在700℃以上的高温环境长期稳定工作。
进一步，本发明所述耐高温外壳为镍铬铁耐高温合金材质。
进一步，本发明所述固定基底、支撑结构、十字悬臂梁和质量块的制备方法是：先采用二氧化硅材料和酚醛树脂混合加热固化成型为二氧化硅基底，再通过微纳加工方式在二氧化硅基底在形成具有弧形光波导通道的固定基底、支撑结构、十字悬臂梁和质量块。支撑结构可以为固定基底上面布置的支撑柱，也可以为沿固定基底上表面四个边的4个支撑侧壁，为了保证十字悬臂梁端部的稳定性，优选为支撑侧壁。
利用材料整体加工成型的方式可保障固定基底、支撑结构、十字悬臂梁和质量块之间的稳定结合，从而保证传感器测量精度。使用微加工方法可以保证法珀腔端面的平整度和镜面度，确保传感器法珀腔结构的精度，从而保证了传感器具有高灵敏度和宽动态范围。微加工方法对本领域普通技术人员来说是已知的，在此不做详细描述。
进一步，本发明所述弧形光波导的上端面与固定基底的上侧面齐平，弧形光波导的水平部分凸出固定基底的竖直侧面，形成尾纤将传感信号导出。
如果弧形光波导的上端面高于固定基底的上侧面，不被固定基底包裹的光波导可能产生抖动，造成法珀腔变化，带来噪声和测量误差，弧形光波导的上端面与固定基底的上侧面齐平的情况下，传感器精度最高，噪声最小。而且弧形光波导的上端面与固定基底的上侧面齐平，有利于控制法珀腔的初始腔长。
进一步，本发明所述光纤布拉格光栅结构的尺寸和周期根据测量所使用光源波长设计确定，以更好地实现其自主抑制传感器温漂的效果。
进一步，本发明所述光纤布拉格光栅结构设置于弧形光波导的水平部分靠近尾纤的位置，采用飞秒激光写入方式加工而成。
光纤布拉格光栅结构设置于弧形光波导的水平部分靠近尾纤的位置有利于飞秒激光写入，飞秒激光器通过超强的穿透性和高能量直接对光波导作用，形成周期性的微结构光学滤波器。
进一步，本发明所述弧形光波导通过等离子体沉积法制备。
在高于700℃的情况下，胶水等固定方法有一定局限性，即使是耐高温胶，耐超过700℃高温也是比较困难的，本发明不采用光纤，而是通过等离子体沉积法制备弧形光波导可以在不使用耐高温胶的情况下，保证光波导与固定基底结合紧密，从而保证光波导的稳定性，避免噪声和测量误差。
进一步，本发明所述质量块下端面的反射膜一和弧形光波导上端面的反射膜二均为金反射膜。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例光纤法珀振动传感器主视剖面图。
图2为本发明实施例基底反射部的主视剖面图。
图3为本发明实施例基底反射部的侧视图。
图4为本发明实施例弧型光波导结构示意图。
图5为本发明实施例振动敏感部的主视剖面图。
图6为本发明实施例振动敏感部的俯视图。
具体实施方式
实施例
一种微型耐高温光纤法珀振动传感器，图1为本例光纤法珀振动传感器主视剖面图，如图1所示，包括耐高温外壳10，耐高温外壳10内布置有基底反射部和振动敏感部，其结构特点是：
所述基底反射部包括固定基底21和由固定基底21的上侧面贯穿至竖直侧面的弧形光波22，所述弧形光波导22包括竖直部分、水平部分以及连接水平部分和竖直部分的弧形部分，弧形光波导22内设置有用于温度漂移补偿的光纤布拉格光栅结构23；图2为本例基底反射部的主视剖面图；图3为本例基底反射部的侧视图；图4为本例弧型光波导结构示意图，图4中a表示弧形光波导的竖直部分，b表示弧形光波导的弧形部分，c表示弧形光波导的水平部分；
所述振动敏感部包括布置在固定基底21上方的十字悬臂梁31，支撑十字悬臂梁31端部的支撑结构32和布置于十字悬臂梁31中心下部的质量块33；十字悬臂梁31与耐高温外壳10顶部之间留有空隙；图5为本例振动敏感部的主视剖面图，振动敏感部为十字对称结构，主视剖视图与侧视剖视图相同；图6为本例振动敏感部的俯视图；本例中支撑结构32为固定基底21上面布置的四个支撑侧壁；
所述质量块33的下端面和弧形光波导22的上端面均镀有反射膜，记质量块33下端面镀的反射膜为反射膜一34，弧形光波导22上端面镀的反射膜为反射膜二24；质量块33下端面的反射膜一34与弧形光波导22上端面的反射膜二24之间形成法珀腔；
所述固定基底21、支撑结构32、十字悬臂梁31和质量块33均为二氧化硅材质，弧形光波导22为耐高温石英材质，所述耐高温外壳10为镍铬铁耐高温合金材质。
本例中所述固定基底21、支撑结构32、十字悬臂梁31和质量块33的制备方法是：先采用二氧化硅材料和酚醛树脂混合加热固化成型为二氧化硅基底，再通过微纳加工方式在二氧化硅基底在形成具有弧形光波导通道的固定基底21、支撑结构32、十字悬臂梁31和质量块33。
本例中所述弧形光波导22的上端面与固定基底21的上侧面齐平，弧形光波导22的水平部分凸出固定基底21的竖直侧面，形成尾纤将传感信号导出，在所述耐高温外壳上开有用于将尾纤引出的圆孔。
本例中所述弧形光波导22通过等离子体沉积法制备，光纤布拉格光栅结构23设置于弧形光波导22的水平部分靠近尾纤的位置，采用飞秒激光写入方式加工而成，光纤布拉格光栅结构23的尺寸和周期根据测量所使用光源波长设计确定。
本例中所述质量块33下端面的反射膜一34和弧形光波导22上端面的反射膜二24均为金反射膜。
Claims (5)
1.一种微型耐高温光纤法珀振动传感器，包括耐高温外壳(10)，耐高温外壳(10)内布置有基底反射部和振动敏感部，其特征在于：
所述基底反射部包括固定基底(21)和由固定基底(21)的上侧面贯穿至竖直侧面的弧形光波导(22)，所述弧形光波导(22)包括竖直部分、水平部分以及连接水平部分和竖直部分的弧形部分，弧形光波导(22)内设置有用于温度漂移补偿的光纤布拉格光栅结构(23)；
所述振动敏感部包括布置在固定基底(21)上方的十字悬臂梁(31)，支撑十字悬臂梁(31)端部的支撑结构(32)和布置于十字悬臂梁(31)中心下部的质量块(33)；
所述质量块(33)的下端面和弧形光波导(22)的上端面均镀有反射膜，记质量块(33)下端面镀的反射膜为反射膜一(34)，弧形光波导(22)上端面镀的反射膜为反射膜二(24)；质量块(33)下端面的反射膜一(34)与弧形光波导(22)上端面的反射膜二(24)之间形成法珀腔；
所述固定基底(21)、支撑结构(32)、十字悬臂梁(31)和质量块(33)均为二氧化硅材质，弧形光波导(22)为耐高温石英材质；
所述固定基底(21)、支撑结构(32)、十字悬臂梁(31)和质量块(33)的制备方法是：先采用二氧化硅材料和酚醛树脂混合加热固化成型为二氧化硅基底，再通过微纳加工方式在二氧化硅基底形成具有弧形光波导通道的固定基底(21)、支撑结构(32)、十字悬臂梁(31)和质量块(33)；
所述弧形光波导(22)的上端面与固定基底(21)的上侧面齐平，弧形光波导(22)的水平部分凸出固定基底(21)的竖直侧面，形成尾纤将传感信号导出；
所述光纤布拉格光栅结构(23)设置于弧形光波导(22)的水平部分靠近尾纤的位置，采用飞秒激光写入方式加工而成。
2.根据权利要求1所述的一种微型耐高温光纤法珀振动传感器，其特征在于：所述耐高温外壳(10)为镍铬铁耐高温合金材质。
3.根据权利要求1所述的一种微型耐高温光纤法珀振动传感器，其特征在于：所述光纤布拉格光栅结构(23)的尺寸和周期根据测量所使用光源波长设计确定。
4.根据权利要求1所述的一种微型耐高温光纤法珀振动传感器，其特征在于：所述弧形光波导(22)通过等离子体沉积法制备。
5.根据权利要求1所述的一种微型耐高温光纤法珀振动传感器，其特征在于：所述质量块(33)下端面的反射膜一(34)和弧形光波导(22)上端面的反射膜二(24)均为金反射膜。
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