CN113916353A - 一种基于光纤的透射式振动传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及振动探测领域，具体提供了一种基于光纤的透射式振动传感装置。本发明提供了一种基于光纤的透射式振动传感装置，包括第一光纤、第二光纤、透明弹性材料部、空腔、第一连接部、第二连接部。透明弹性材料部内有空腔，空腔为柱状，透明弹性材料部沿空腔轴线方向的两侧分别设有第一光纤和第二光纤，第一光纤和第二光纤的端部嵌在透明弹性材料部内，第一光纤和第二光纤与透明弹性材料部之间粘合连接，空腔与第一光纤和第二光纤之间均有透明弹性材料隔开，透明弹性材料部在与空腔轴线垂直方向的两侧分别固定连接有第一连接部和第二连接部。通过透射光谱的变化，探测待测振源的振动情况。

Description

一种基于光纤的透射式振动传感装置

技术领域

本发明涉及振动传感领域，具体涉及一种基于光纤的透射式振动传感装置。

背景技术

振动传感器的应用领域十分广阔，几乎涉及任何领域。常见的振动传感器有机械式振动传感器、电学式振动传感器、光学式振动传感器。机械式振动传感器由于体积大、寿命短、精度差在市场上占有率不高。电学式振动传感器发展时间较长，能够满足大部分传感需求，目前在市场上的占有率较高，但其灵敏度和精确度已经不能满足振动的探测需求。

光学式振动传感器具有抗电磁干扰能力强、成本低、精度高、灵敏度高等优点。但光学式振动传感器的研究起步较晚，目前市场占有率提升空间较大。光学式振动传感器中研究较多的是基于FP腔的传感器，如专利CN 103994818 B（光纤 FP 腔声波传感探头）利用FP腔一端弹性膜的形变改变激光探测振动。其中，FP腔的形变仅发生在一个维度上，探测灵敏度较低。另外，由于利用了弹性膜，弹性膜的弹性随着使用时间的增加会变差，这极大地减少了传感器的寿命。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种基于光纤的透射式振动传感装置，包括第一光纤、第二光纤、透明弹性材料部、空腔、第一连接部、第二连接部，透明弹性材料部内有空腔，空腔为柱状，透明弹性材料部沿空腔轴线方向的两侧分别设有第一光纤和第二光纤，第一光纤和第二光纤的端部嵌在透明弹性材料部内，第一光纤和第二光纤与透明弹性材料部之间粘合连接，空腔与第一光纤和第二光纤之间均有透明弹性材料隔开，透明弹性材料部在与空腔轴线垂直方向的两侧分别固定连接有第一连接部和第二连接部。

更进一步地，空腔沿其轴线垂直方向上的截面形状为矩形或圆。

更进一步地，空腔内壁有贵金属颗粒。

更进一步地，贵金属颗粒的粒径为20nm-100nm。

更进一步地，透明弹性材料部内设有金属块。

更进一步地，第一光纤为入射光纤，第二光纤为接收透射光的光纤。

更进一步地，第一光纤和第二光纤为单模光纤、多模光纤、塑料光纤中的一种。

更进一步地，透明弹性材料部的材料为聚甲基丙烯酸甲酯或透明橡胶。

更进一步地，第一连接部和第二连接部的材料为硅、氮化硅、钢材、硬质木材中的一种。

更进一步地，第一连接部和第二连接部上与透明弹性材料部连接处有凹陷，凹陷与透明弹性材料部的形状、尺寸、位置相匹配。

本发明的有益效果：本发明提供了一种基于光纤的透射式振动传感装置。本发明通过透射光谱的变化，探测待测振源的振动情况。激光在空腔靠近第一光纤和第二光纤的两侧壁之间振荡，形成FP腔，振动时，空腔的腔长和腔宽均发生变化，振荡波长与空腔的腔长和腔宽的比值正相关，相比于仅改变腔长的现有技术，本发明灵敏度更高。振动幅度较大时，FP腔的形状改变较大，这样沿表面传播的激光损耗更大，透射光强度变化更大。另外，本发明还通过引入贵金属颗粒进一步提高灵敏度，贵金属颗粒在光场中发生局域表面等离激元共振，且与邻近的贵金属颗粒发生局域表面等离激元共振耦合，进而更大程度改变透射光谱，且由于贵金属颗粒的局域表面等离激元共振及其耦合与贵金属颗粒的间距密切相关，故本发明装置的灵敏度较高。本发明装置中没有使用弹性膜，故本发明装置的寿命较长。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是一种基于光纤的透射式振动传感装置的示意图。

图2是又一种基于光纤的透射式振动传感装置的示意图。

图3是又一种基于光纤的透射式振动传感装置的示意图。

图4是又一种基于光纤的透射式振动传感装置的示意图。

图5是又一种基于光纤的透射式振动传感装置的示意图。

图中：1、第一连接部；2、第一光纤；3、第二连接部；4、空腔；5、第二光纤；6、透明弹性材料部；7、贵金属颗粒；8、金属块。

具体实施方式

为使本发明的目的、原理、技术方案和优点更加清晰明白，以下将结合具体实施例，并参照附图对本发明做详细的说明。

实施例1

本发明提供了一种基于光纤的透射式振动传感装置，如图1所示，包括第一光纤2、第二光纤5、透明弹性材料部6、空腔4、第一连接部1、第二连接部3。透明弹性材料部6的材料为聚甲基丙烯酸甲酯或透明橡胶。透明弹性材料部6内有空腔4，空腔4的形状为柱状，空腔4沿其轴线垂直方向上的截面形状可以为矩形也可以为圆，矩形边长或圆的直径小于10μm。透明弹性材料部6沿空腔4轴线方向的两侧分别设有第一光纤2和第二光纤5，第一光纤2和第二光纤5的端部嵌在透明弹性材料部6内，第一光纤和第二光纤与透明弹性材料部粘合连接在一起，优选地，嵌入方向与空腔4轴线方向平行，嵌入位置为空腔4轴线与透明弹性材料部6两侧面几何相交处，这样第一光纤2的纤芯与第二光纤5的纤芯在同一条直线上，从而激光能量的利用率更高。空腔4与第一光纤2和第二光纤5之间可以有透明弹性材料隔开，也可以不隔开，隔开时，中间透明弹性材料的厚度小于300nm，不隔开时，第一光纤2和第二光纤5的端面构成FP腔。第一光纤2和第二光纤5可以为单模光纤，也可以为多模光纤，还可以为塑料光纤。第一光纤2和第二光纤5可以相同也可以不同。第一光纤2为入射光纤，激光由第一光纤2进入透明弹性材料部6内，第二光纤5为接收透射光的光纤。透明弹性材料部6在与空腔4轴线垂直方向的两侧分别固定连接有第一连接部1和第二连接部3。第一连接部1和第二连接部3的材料为硅、氮化硅、钢材、硬质木材中的一种。第一连接部1和第二连接部3的材料种类可以相同，也可以不同。第一连接部1和第二连接部3的形状可以为长方体，也可以为其他形状。第一连接部1和第二连接部3上与透明弹性材料部6连接处均有凹陷，凹陷与透明弹性材料部6的形状、尺寸、位置等相匹配。这样，第一连接部1和第二连接部3与透明弹性材料部6的连接更加稳固，使得装置更加稳定。第一连接部1和第二连接部3与透明弹性材料部6接触一侧的表面积大于接触一侧透明弹性材料部6的表面积。这样，有突出部，方便将第一连接部1和第二连接部3固定在固定物和待测振源上。

应用时，第一连接部1可拆卸地固定在固定物上，第二连接部3可拆卸地固定在待测振源表面，第一连接部1和第二连接部3的固定对象可以根据待测环境调整。第一光纤2与激光器连接，第二光纤5依次与光谱仪和光探测器连接。振源振动使得第二连接部3随之振动，进而透明弹性材料部6发生形变，一方面，透明弹性材料的密度分布发生变化，折射率分布变化，透射光的强度发生变化。另一方面，空腔4的形状变化时，激光由透明弹性材料部6透射进入空腔4，由于空腔4截面的边长小于10μm，空腔4的尺寸为微纳尺寸，激光沿空腔4的腔壁传播，传播过程中的损耗与腔壁的形状密切相关，这样进入第二光纤5的光强发生变化；同时，激光在空腔4靠近第一光纤2和第二光纤5的两侧腔壁之间振荡，形成FP腔，振荡波长与空腔4的腔长和腔宽均有关，具体地，振荡波长灵敏地依赖于腔长与腔宽的比值，空腔4形变时，腔长和腔宽均会改变，这样振荡波长的改变更大，对透射光波长的改变更大，提高探测灵敏度。振动幅度较大时，空腔4形变较大，透射光的变化主要由沿表面传播的损耗引起，主要是透射光光强的变化；振动幅度较小时，空腔4形变较小，透射光的变化主要由FP腔的振荡波长引起，主要是透射光波长的变化。由透射光谱的分析，能够得到振源的振动情况，包括振动幅度、振动频率及振动方向。

实施例2

在实施例1的基础上，空腔4沿其轴线垂直方向上的截面形状为矩形，矩形的边长小于300nm，在空腔4的上下内壁均粘贴固定有贵金属颗粒7，示意图如图2所示。贵金属颗粒7的材料为金或银。贵金属颗粒7的粒径为20nm-100nm。由于空腔4截面的尺寸小于300nm，激光沿空腔4的中间向前传输，由于贵金属颗粒7对激光具有很好的反射性能，激光进一步被局限在空腔4的内部，空腔4发生形变时，激光的能量密度和传播方向发生变化，从而进入第二光纤5的激光能量发生变化。同时，在激光作用下，贵金属颗粒7产生局域表面等离激元共振，上下内壁的贵金属颗粒7之间产生局域表面等离激元共振耦合，内壁上相邻贵金属颗粒7之间也会产生局域表面等离激元共振耦合，共振耦合的强度与内壁上相邻贵金属颗粒7的间距和空腔4上下内壁之间的距离有关。振动时，透明弹性材料部6发生形变，导致空腔4发生明显形变，这样空腔4的内壁上相邻贵金属颗粒7的间距和空腔4上下内壁之间的距离均会发生变化，导致局域表面等离激元共振耦合的强度和波长发生变化，在透射光谱上表现为共振耦合对应谷的深度和位置的变化。空腔4形变时，内壁上相邻贵金属颗粒7的间距和空腔4上下内壁之间的距离之间有一定的几何关系。在透射光谱上，上下内壁的贵金属颗粒7之间产生的局域表面等离激元共振耦合和内壁上相邻贵金属颗粒7之间产生的局域表面等离激元共振耦合对应的谷的深度和位置之间存在关系，二者结合在一起，能够更精准地反映振源的振动情况。这提高了本装置的传感精确度和灵敏度。

实施例3

在实施例2的基础上，如图3所示，沿第一连接部1和第二连接部3所在方向设置有两个与实施例2中尺寸相同的空腔4，两空腔4上下内壁上均粘附有贵金属颗粒7，两空腔4之间有充满透明弹性材料的间隙，间隙的宽度小于300nm。振动时，除实施例2中描述的有益效果外，间隙的形状和宽度也会发生变化，使得紧挨间隙两侧内壁上的贵金属颗粒7之间局域表面等离激元共振耦合的强度和波长发生变化，两内壁上的相邻贵金属颗粒7之间的共振耦合强度也会发生变化。由于远离间隙的两内壁上的贵金属颗粒7还起到了分配电场能量的作用，使得空腔4上下内壁上贵金属颗粒7上的能量也随振动变化，这样共振耦合强度和波长的变化更大。从而，在相同形变下，能够产生更多的光强和波长变化，本实施例相比于实施例2具有更高的精确度和灵敏度。另外，由于存在两个空腔4，当振幅较大时，透射光谱上仍有明显的谱线变化，故本发明装置还提升了探测的量程。

实施例4

在实施例1的基础上，如图4所示，透明弹性材料部6内设有金属块8，进一步地，金属块8设置在空腔4与透明弹性材料部6界面处，更进一步地，金属块8在空腔4轴线方向两侧，且两金属块8不在同一竖直线上，更进一步地，两金属块8之间的距离最远。金属块8的材料为金或银，金属块8的形状为球体或长方体，金属块8的尺寸不小于5μm，两金属块8的尺寸可以相同也可以不同，优选地，两金属块8的尺寸不同，这样质量分布的不均匀性更强。应用时，与实施例1的不同在于，第一连接部1/第二连接部3固定在待测振源表面，第二连接部3/第一连接部1不需要固定在固定物上。振动时，由于金属块8和透明弹性材料部6惯性不同，二者之间有相对运动，且两个金属块8分别位于空腔4两侧，这会使空腔4发生倾斜，倾斜后激光的传播表面发生变化，激光的能量密度及方向发生变化。从而进入第二光纤5的光强发生变化，透射光谱上谱线的高度变化。同时，金属块8在光场作用下会产生局域表面等离激元共振，共振强度与照射在其表面的光强有关。振幅较小时，照射在金属块8表面的光强较弱，金属块8的局域表面等离激元共振较弱，局域的光场能量较少，透射光谱上的谷较浅；振幅较大时，照射在金属块8表面的光强较强，金属块8的局域表面等离激元共振较强，局域的光场能量较多，透射光谱上的谷较深，光探测器接收到的光强会急剧减少。这样，能够及时发现异常振动，防止损坏传感装置，并且金属块8增大了传感器局部质量，使其具备更大惯性，进而可以使得装置在使用的过程中，能够更大程度上的发生相对运动，增大探测精度。

实施例5

与实施例1不同的是，如图5所示，空腔4沿轴线方向上的长度小于其沿轴线垂直方向上的高度，空腔4沿轴线方向上的长度小于10μm，沿轴线垂直方向上的高度大于30μm，这样尺寸相对较大，容易制备。激光进入空腔4后，在空腔4的上下两壁之间振荡，形成FP腔。当振动较微弱时，空腔4发生的形变极小，空腔4形状基本不变，这样振荡波长几乎不变，振荡耦合的强度与激光照射在空腔4侧壁上的位置密切相关，这与空腔4在其轴线垂直方向上的移动距离相关，即与振源的振动情况相关。通过探测透射光的波长和强度，能够探测振源的振动情况。振动稍大一些，空腔4的位置和形状变化较大，这样透射光的波长和强度均会发生变化，透射光谱上谱线的高度和位置均发生明显变化。从而，本实施例传感装置对微小振动的探测灵敏度较高。

应当理解的是上述实施方式描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于光纤的透射式振动传感装置，其特征在于，包括第一光纤、第二光纤、透明弹性材料部、空腔、第一连接部、第二连接部，所述透明弹性材料部内有所述空腔，所述空腔为柱状，所述透明弹性材料部沿所述空腔轴线方向的两侧分别设有所述第一光纤和所述第二光纤，所述第一光纤和所述第二光纤的端部嵌在所述透明弹性材料部内，所述第一光纤和所述第二光纤与所述透明弹性材料部之间粘合连接，所述空腔与所述第一光纤和所述第二光纤之间均有透明弹性材料隔开，所述透明弹性材料部在与所述空腔轴线垂直方向的两侧分别固定连接有第一连接部和第二连接部。

2.如权利要求1所述的基于光纤的透射式振动传感装置，其特征在于：所述空腔沿其轴线垂直方向上的截面形状为矩形或圆。

3.如权利要求2所述的基于光纤的透射式振动传感装置，其特征在于：所述空腔内壁有贵金属颗粒。

4.如权利要求3所述的基于光纤的透射式振动传感装置，其特征在于：所述贵金属颗粒的粒径为20nm-100nm。

5.如权利要求2所述的基于光纤的透射式振动传感装置，其特征在于：所述透明弹性材料部内设有金属块。

6.如权利要求1所述的基于光纤的透射式振动传感装置，其特征在于：所述第一光纤为入射光纤，所述第二光纤为接收透射光的光纤。

7.如权利要求6所述的基于光纤的透射式振动传感装置，其特征在于：所述第一光纤和所述第二光纤为单模光纤、多模光纤、塑料光纤中的一种。

8.如权利要求1所述的基于光纤的透射式振动传感装置，其特征在于：所述透明弹性材料部的材料为聚甲基丙烯酸甲酯或透明橡胶。

9.如权利要求1所述的基于光纤的透射式振动传感装置，其特征在于：所述第一连接部和所述第二连接部的材料为硅、氮化硅、钢材、硬质木材中的一种。

10.如权利要求9所述的基于光纤的透射式振动传感装置，其特征在于：所述第一连接部和所述第二连接部上与所述透明弹性材料部连接处有凹陷，所述凹陷与所述透明弹性材料部的形状、尺寸、位置相匹配。

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