CN114235131A - 一种基于惯性原理的光学式振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及振动探测领域，具体提供了一种基于惯性原理的光学式振动传感器，传感器由下到上依次包括衬底层、反射层、弹性部、透明部、光纤。光纤与透明部无间隙连接，光纤的端面朝向反射层方向，弹性部由具有弹性的柱状物组成，柱状物上端与透明部固定连接，柱状物下端与反射层固定连接，反射层固定连接于衬底层。待测振源振动时，由于具有惯性，透明部与衬底层之间的相对位置发生改变，这使得弹性部发生形变，产生挤压或拉伸，改变弹性部的密度，进而改变其折射率，其折射率的改变使得光线的传播路径发生变化，使得激光传播过程中的损耗改变，从而改变反射光谱。因此，本发明振动传感器的灵敏度较高。

Description

一种基于惯性原理的光学式振动传感器

技术领域

本发明涉及振动传感领域基于惯性原理的光学式振动传感器，具体涉及一种基于惯性原理的光学式振动传感器。

背景技术

振动传感器是一种测量振源振动幅度、振动频率、振动方向的传感器。常见的振动传感器分为机械式、电学式、光学式振动传感器。机械式振动传感器利用弹性部件的形变带动指针摆动，指示振源振动情况；电学式振动传感器利用压电材料的压电特性或者电容器件储存电荷的特性。由于适用范围广泛，目前，电学式振动传感器的市场占有率最高，但是，随着科技的发展，电学式振动传感器的灵敏度已经不能满足生产需要。光学式振动传感器的灵敏度较高，且电磁干扰能力较强，适合在特殊场合工作。但光学式振动传感器的研究较晚，实际的灵敏度还有很大提升空间。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种基于惯性原理的光学式振动传感器，传感器由下到上依次包括衬底层、反射层、弹性部、透明部、光纤，光纤与透明部无间隙连接，光纤的端面朝向反射层方向，弹性部由具有弹性的柱状物组成，柱状物的一个底面与透明部固定连接，柱状物的另一个底面与反射层固定连接，反射层固定连接于衬底层。

更进一步地，柱状物的数量大于等于2。

更进一步地，柱状物不等间距排布。

更进一步地，柱状物的材料为聚甲基丙烯酸甲酯或透明橡胶。

更进一步地，光纤嵌入透明部。

更进一步地，光纤嵌入透明部内的部分去掉包层。

更进一步地，透明部内设置二氧化硅颗粒。

更进一步地，衬底层的上表面面积大于反射层的下表面面积。

更进一步地，反射层与衬底层的几何中心重合。

更进一步地，衬底层的材料为硅或氮化硅或硬质木材或硬质合金。

本发明的有益效果：本发明提供了一种基于惯性原理的光学式振动传感器。待测振源振动时，由于具有惯性，透明部与衬底层之间的相对位置发生改变，这使得弹性部发生形变，产生挤压或拉伸，改变弹性部的密度，进而改变其折射率，其折射率的改变使得光线的传播路径发生变化，使得激光传播过程中的损耗改变，从而改变反射光谱。弹性部的形变灵敏依赖于振源的振动，激光传播过程中的损耗灵敏依赖于弹性部折射率的改变，反射光谱灵敏依赖于激光的传播损耗。因此，本发明振动传感器的灵敏度较高。

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是一种基于惯性原理的光学式振动传感器的示意图。

图2是又一种基于惯性原理的光学式振动传感器的示意图。

图3是再一种基于惯性原理的光学式振动传感器的示意图。

图4是再一种基于惯性原理的光学式振动传感器的示意图。

图5是再一种基于惯性原理的光学式振动传感器的示意图。

图中：1、衬底层；2、反射层；3、弹性部；4、透明部；5、光纤；6、质量块；7、贵金属颗粒。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1

本发明提供了一种基于惯性原理的光学式振动传感器，如图1所示，传感器由下到上依次包括衬底层1、反射层2、弹性部3、透明部4、光纤5。衬底层1的材料为硅或氮化硅或硬质木材或硬质合金。反射层2的材料可以为金属材料也可以为高反膜。弹性部3的材料为聚甲基丙烯酸甲酯或透明橡胶。透明部4的材料为透明材料，具体的，透明部4的材料为玻璃。光纤5为单模石英光纤或多模石英光纤或塑料光纤。单模石英光纤具有远距离传输激光质量高的特点，适用于特殊场合的远程探测；多模石英光纤能够传输多种模式的激光，适用性较强；塑料光纤的纤芯是石英光纤的20倍，纤芯较粗，数值孔径较大，激光更容易耦合进塑料光纤，从而提高探测效率。光纤1与透明部3无间隙连接，光纤1的端面朝向反射层2的方向，这样，激光由光纤1入射到透明部3的能量损耗较小，激光垂直进入透明部3。弹性部3由具有弹性的柱状物组成，柱状物的一个底面与透明部3固定连接，另一个底面与反射层2固定连接。反射层2固定连接于衬底层1上。

应用时，光纤5通过光纤环形器连接光源和光探测器，激光由光源发出，由光纤5进入透明部4，再进入弹性部3，经反射层2反射，再次经过弹性部3、透明部4，最终进入光纤5被光探测器检测其光强，得到反射光谱。将衬底层1可拆卸地固定在待测振源表面。激光光源为宽带光源。振源振动时，由于惯性，透明部4与衬底层1之间的相对位置发生改变，二者之间产生相对运动，这使得弹性部3发生形变，产生挤压或拉伸，改变弹性部3的密度，进而改变其折射率。折射率的改变使激光的传播路径发生变化，改变激光在传播过程中的能量损耗，改变反射激光的能量，最终使得反射光谱发生变化。弹性部3的形变灵敏依赖于待测振源的振动，激光传播过程中的损耗灵敏依赖于弹性部3折射率的改变，反射光谱灵敏依赖于激光的能量损耗。因此，本发明振动传感器的灵敏度较高。另外，由于弹性部3具有弹性，振源沿竖直方向振动时，弹性部3的拉伸或压缩较明显，即折射率变化较大，激光能量损耗较大，反射光谱变化明显；振源沿水平方向振动时，弹性部3产生倾斜和拉伸，使得弹性部3在水平方向上的局域密度发生变化，即激光在其中传播时的折射率变化更大，折射率对弹性部3形变的依赖性更强，导致反射光谱的变化更加明显。因此，本发明传感器能够灵敏探测水平方向和竖直方向上的振动。

实施例2：

在实施例1的基础上，光纤5的一部分嵌入透明部4内，这样激光直接由光纤5进入透明部4，进一步减少了激光进入透明部4的能量损耗，提高探测效率。进一步地，光纤5嵌入透明部内的部分去掉包层，这样激光更容易进入透明部4，从而提高探测效率。弹性部3为柱状物，柱状物的数量可以为一个也可以为多个，优选地，柱状的数量为多个，且每个柱状物的两个底面分别与反射层2和透明部4固定连接。这样一来，一方面，柱状物的表面积增大，光与物质的相互作用更加充分，使得激光的能量损耗更大，反射光谱上谱线的高度变化更大，提升探测的灵敏度；另一方面，振动时，多个柱状物相比于一个柱状更容易发生形变，能够测量更小振幅的振动，增加了本发明传感器的传感量程。柱状物的底面的尺寸为10μm-2cm，更小时，透过的激光太少，经过反射损耗后难以检测到，更大时，传感器的体积过大，不能体现出光学式振动传感器的优势。各个柱状物的底面的尺寸可以相同，也可以不相同。各个柱状物的底面的尺寸相同时，制备不需要考虑不同的尺寸，制备方便；各个柱状物的底面的尺寸不相同时，相较于尺寸较小的柱状物，激光在尺寸较大的柱状物内的传输路径较长，能量损耗更大，体现在反射光谱上为谱线的高度变化明显，传感器的灵敏度更高。衬底层1的上表面面积大于反射层2的下表面面积，且二者几何中心重合，这样衬底层1相对于反射层2有凸出部分，这样方便将衬底层1固定在待测振源表面上。衬底层1的形状可以为柱状也可以为长方体，优选地，衬底层1的形状为长方体，长方体有四个凸出的角，更方便于将衬底层1固定在待测振源表面上。

实施例3

在实施例1或2的基础上，组成弹性部3的柱状物可以均匀分布也可以不均匀分布。柱状物的间距为10μm-2cm，更小时，惯性作用下难以发生明显形变，更大时，传感器的体积过大，不能体现出光学式振动传感器的优势。柱状物均匀分布，制备时参数统一，方便制备，柱状物不均匀分布，会使激光在弹性部3中传输时的能量损耗更大，从而提高本发明传感器的灵敏度；优选地，组成弹性部3的柱状物不均匀分布；更优选地，从左到右柱状物的间距由大变小或由小变大，如图2所示。这样，振源振动时，两边的柱状物对透明部4的支持力的大小不同，间距较大一边的支持力较间距较小一边的小，支持力的不平衡使得透明部4发生倾斜，同时，间距较大一边的柱状物的形变量更大。这样，一方面，激光斜入射进入弹性部3，相比于垂直入射，激光在弹性部3内（包括柱状物内的反射和柱状物间的反射，其中主要是柱状物内的反射，柱状物间的反射较少，因为柱状物间空气的折射率为1小于柱状物的折射率，激光更容易在折射率较大的介质中传输）反射次数更多，这样由反射带来的激光能量损耗更大，从而反射率的变化更大，导致反射光谱上谱线的高度变化更明显，提升本发明传感器的灵敏度。另一方面，振源沿水平方向振动时，弹性部3在水平方向上的密度分布不均匀，进而其折射率在水平方向上的分布不均匀。这样，激光斜入射时，水平方向折射率的不均匀分布对激光的路径影响较大，使得斜入射激光的能量损耗更大，从而反射率发生变化，反射光谱上谱线的高度变化更明显，所以，本实施例的传感器在探测振源水平方向振动时的灵敏度高。再一方面，柱状物间距的不同，使得振动时每个柱状物的形变量不同，柱状物间距较大处的柱状物形变程度较大，其密度变化较大，进而折射率的改变较大，激光能量损耗的变化较大，反射率变化较大，反射光谱上谱线高度变化明显；柱状物间距较小处的柱状物形变程度较小，其密度变化较小，进而折射率的改变较小，激光能量损耗的变化较小，反射率变化较小，反射光谱上谱线高度变化不明显；这样，传感器的灵敏度主要取决于间距较大处的柱状物的形变，因此，本实施例的传感器灵敏度较高。

实施例4

在实施例3的基础上，如图3所示，透明部4的两端分别可拆卸固定连接有两质量块6。质量块6的材料为不透光的重物，两质量块6的材料可以相同也可以不同。质量块6的形状可以为长方体、球体、椭球体、棱台状中的一种，进一步地，质量块6的形状为长方体，长方体有直角结构，方便固定。两质量块6至少有一个表面形状及尺寸相同，这样将相同形状及尺寸的表面与透明部4连接，尺寸统一，方便更换其他质量的质量块6。

质量块6增强了振动时的惯性，使得衬底层1和透明部4之间的相对位移的变化更大，这样一来，弹性部3的形变程度更大，拉伸和压缩更加明显，从而，弹性部4的密度分布变化更大，折射率的变化更大，激光反射时的能量损耗的变化更大，反射光谱上谱线的高度变化更大，提高本发明传感器的灵敏度。两质量块6的质量可以相同，也可以不相同，优选地，两质量块6的质量不同，更优选地，柱状物间距较大一侧的质量块6的质量大于间距较小一侧的质量块6的质量。两质量块6的质量相同，会相同比例地增加所有柱状物的形变程度，两质量块6的质量不同，柱状物间距较大一侧的质量块6的质量大于间距较小一侧的质量块6的质量，这样，较重质量块6比较小质量块的惯性大，对间距较大一侧的柱状物的形变量的增加更大，从而，相比于两质量块6的质量相同，两质量块6质量不同时，透明部4的倾斜程度更大，依据实施例3的描述，两质量块6质量不同时，本发明传感器的灵敏度更高。另外，质量块6可拆卸固定，可以通过是否增加质量块6、是否更换质量块6、增加什么质量的质量块6来调整本发明传感器的灵敏度，这提高了本发明传感器的适用性。

实施例5

在实施例4的基础上，如图4所示，组成弹性部3的柱状物内镶嵌有贵金属颗粒7。贵金属颗粒7分布在柱状物的侧周，形成圆柱面形状，贵金属颗粒7可以是一层也可以是多层。贵金属颗粒7的材料为金或银。贵金属颗粒7的粒径为150nm-800nm。在光场作用下，贵金属颗粒7的表面产生局域表面等离激元共振，光场能量局域在贵金属颗粒7的表面，导致反射光谱中某以波长的激光被局域在弹性部3内，这样，在反射光谱上会出现谷，谷的位置和深度与贵金属颗粒7的尺寸、间距、排布、周围介质密切相关。同时，贵金属颗粒7与邻近的贵金属颗粒7之间会产生局域表面等离激元共振耦合，在反射光谱上会产生对应的耦合谷，耦合谷的深度和位置与贵金属颗粒7、贵金属颗粒7之间的间距、贵金属颗粒7周围的介质密切相关。振动时，一方面，弹性部3的密度发生变化，其折射率变化，这样，贵金属颗粒7周围的介质发生变化，其局域表面等离激元共振及共振耦合对应的谷的位置和深度发生变化；另一方面，弹性部3的形变使得贵金属颗粒7的间距发生变化，使得贵金属颗粒7间的局域表面等离激元共振耦合的强度和波长变化，反射光谱上对应耦合谷的深度和位置发生变化。本实施例不仅能够根据反射光谱上峰的位置和高度变化判断振源振动情况，还可以根据共振谷和共振耦合谷的深度和位置判断振源的振动情况；且贵金属颗粒7的局域表面等离激元共振和共振耦合的强度和波长与弹性部3的折射率变化和贵金属颗粒7的间距变化密切相关；因此，本实施例振动传感器的灵敏度较高。

实施例6

在实施例5的基础上，将每个柱状物均等划分为上部、中部、下部三部分，每部分的贵金属颗粒7分布不同，如图5所示。上部贵金属颗粒7至少为里外两层，两层对应贵金属颗粒7的水平位置相同，且两层之间的间距小于300nm，竖直方向上贵金属颗粒7的间距大于500nm；这样，两层之间的贵金属颗粒7距离近，能够产生局域表面等离激元共振耦合，而竖直方向上的贵金属颗粒7的距离大于500nm，之间不会产生局域表面等离激元共振耦合。另外，贵金属颗粒7的分布由上部的最上端开始排布，上部分布有贵金属颗粒7的高度大于等于上部分高度的三分之一，且小于等于上部分高度的二分之一，这样，既有足够的贵金属颗粒7产生共振耦合，获得明显的反射光谱变化，也可以在激光斜入射时有足量的激光进入柱状物，提高探测效率。

中部的贵金属颗粒7至少为一层，竖直方向上的贵金属颗粒7之间能够产生局域表面等离激元共振耦合。竖直方向上可以两两一组，二者间距小于300nm，组与组之间的间距大于800nm，也可以不设置组，贵金属颗粒7间在竖直方向上的间距小于300nm，优选地，贵金属颗粒7在竖直方向上两两一组，这样，贵金属颗粒7只能与其一组的贵金属颗粒7共振耦合，相较于不分组时，贵金属颗粒7的耦合情况更简单，在反射光谱上对应的耦合谷具有更窄的半峰宽，传感器的精确度较高。若为多层时，层与层之间的距离大于800nm，这样，层与层之间的贵金属颗粒7不会产生局域表面等离激元共振耦合；同时，层数应小于5层，这样，使得足够的激光透过柱状物，到达反射层2，从而反射光携带更多与振源振动相关的信息，这里的信息主要指反射光的波长和光强，提高传感器的工作效率。另外，贵金属颗粒7的分布在中部的中间高度处，振源振动时，中间位置的拉伸和压缩最明显，即贵金属颗粒7竖直方向的间距变化最大，这样，贵金属颗粒7局域表面等离激元共振耦合的强度和波长变化最大，反射光谱上共振耦合谷的深度和位置变化最大，传感器的探测灵敏度较高。中部分布有贵金属颗粒7的高度大于等于中部分高度的三分之一，且小于等于中部分高度的二分之一，这样，既有足够的贵金属颗粒7产生共振耦合，获得明显的反射光谱变化，也可以在激光斜入射时有足量的激光进入柱状物，提高探测效率。

下部贵金属颗粒7至少为里外两层，两层对应贵金属颗粒7的水平位置相同，且两层之间的间距小于300nm，竖直方向上贵金属颗粒7的间距大于500nm；这样，两层之间的贵金属颗粒7距离近，能够产生局域表面等离激元共振耦合，而竖直方向上的贵金属颗粒7的距离大于500nm，之间不会产生局域表面等离激元共振耦合。另外，贵金属颗粒7的分布由下部的最下端开始排布，下部分布有贵金属颗粒7的高度大于等于下部分高度的三分之一，且小于等于下部分高度的二分之一，这样，既有足够的贵金属颗粒7产生共振耦合，获得明显的反射光谱变化，也可以在激光斜入射时有足量的激光进入柱状物，提高探测效率。

上部和下部的贵金属颗粒7的粒径相同，为250nm-800nm；中部的贵金属颗粒7的粒径为150nm-250nm。贵金属颗粒7的粒径与其局域表面等离激元共振耦合的波长范围密切相关，因此，上部和下部的贵金属颗粒7的共振耦合的波长范围与中部的贵金属颗粒7的共振耦合的波长范围不同。

振源沿竖直振动时，中部的贵金属颗粒7的竖直方向的间距变化较大，贵金属颗粒7间的局域表面等离激元共振耦合的强度和波长变化明显，反射光谱上对应共振耦合谷的深度和位置变化明显，因此，本实施例的传感器对竖直方向振动的传感灵敏度较高。振源沿水平振动时，由于上部的贵金属颗粒7由上端开始分布，下部的贵金属颗粒7由下端开始分布，振源沿水平方向振动时，上部和下部的贵金属颗粒7距离使柱状物形变的力的距离较近，上下两端产生的水平方向的形变较大。这使得上部和下部两层贵金属颗粒7之间的距离变化较大，进而，贵金属颗粒7之间的局域表面等离激元共振耦合的强度和波长的变化较大，反射光谱上的共振耦合谷的深度和位置变化更明显，本实施例的传感器对水平方向振动的探测灵敏度较高。由于上部和下部的贵金属颗粒7的粒径与中部的贵金属颗粒7的粒径不同，贵金属颗粒7的粒径与其局域表面等离激元共振耦合的波长范围密切相关，因此，振源的水平振动和竖直振动在反射光谱上对应的波段不同，本发明实施例可以将振源的水平方向振动和竖直方向振动区分开，且水平方向振动和竖直方向振动的传感灵敏度均较高。

实施例7

在实施例2或实施例3或实施例4或实施例5或实施例6的基础上，在透明部4内镶入多个二氧化硅小球。二氧化硅小球的粒径为200nm-20μm。激光在二氧化硅小球的边界处发生散射，使得激光扩散在整个透明部4内，这样，激光与两侧柱状物的相互作用较强，激光能量损耗较强，使得反射率的变化更大，反射光谱上谱线的高度变化更大，本发明传感器更灵敏。

实施例8

与实施例2或实施例3或实施例4或实施例5或实施例6或实施例7不同的是，光纤5有多个，每个柱状物或每3个柱状物对应一根光纤5，光纤5与对应柱状物的中心轴线重合。这样，激光与弹性部3的作用更加充分，激光反射时的能量损耗的变化更大，反射率变化更大，反射光谱上谱线的高度变化更大，传感灵敏度更高。每根光纤5均会得到对应的反射率，在实施例2中，将反射率求平均后得到最终的反射光谱。在实施例3或实施例4或实施例5或实施例6中，使用反射率变化最大的光纤5的反射光谱描述振源振动的幅度，在同一次探测中，不能更换描述振源振动的光纤5；在质量块6不更换的情况下，也可以使用最大反射率和最小反射率的差值描述振源振动的幅度，透明部4的倾斜角度越大，最大反射率和最小反射率的差值越大，说明振源的振动幅度越大。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于惯性原理的光学式振动传感器，其特征在于，所述传感器由下到上依次包括衬底层、反射层、弹性部、透明部、光纤，所述光纤与所述透明部无间隙连接，所述光纤的端面朝向所述反射层方向，所述弹性部由具有弹性的柱状物组成，所述柱状物的一个底面与所述透明部固定连接，所述柱状物的另一个底面与所述反射层固定连接，所述反射层固定连接于所述衬底层。

2.如权利要求1所述的基于惯性原理的光学式振动传感器，其特征在于：所述柱状物的数量大于等于2。

3.如权利要求2所述的基于惯性原理的光学式振动传感器，其特征在于：所述柱状物不等间距排布。

4.如权利要求3所述的基于惯性原理的光学式振动传感器，其特征在于：所述柱状物的材料为聚甲基丙烯酸甲酯或透明橡胶。

5.如权利要求1所述的基于惯性原理的光学式振动传感器，其特征在于：所述光纤嵌入所述透明部。

6.如权利要求5所述的基于惯性原理的光学式振动传感器，其特征在于：所述光纤嵌入所述透明部内的部分去掉包层。

7.如权利要求1所述的基于惯性原理的光学式振动传感器，其特征在于：所述透明部内设置二氧化硅颗粒。

8.如权利要求1所述的基于惯性原理的光学式振动传感器，其特征在于：所述衬底层的上表面面积大于所述反射层的下表面面积。

9.如权利要求8所述的基于惯性原理的光学式振动传感器，其特征在于：所述反射层与所述衬底层的几何中心重合。

10.如权利要求9所述的基于惯性原理的光学式振动传感器，其特征在于：所述衬底层的材料为硅或氮化硅或硬质木材或硬质合金。

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