CN114485898B - 光学无源微型振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学无源微型振动传感器，包括依次连接的振子组件和F‑P腔组件。解决了现有振动测量技术灵敏度低、抗干扰能力差、测量精度及制作工艺复杂等难题，可用于制作测量振动信号的高精度传感器；该测量装置原理利用弹簧振子感应器件振动并传递至F‑P腔的敏感面产生形变，基于F‑P光纤传感技术监测装置的振动信号，通过光纤解调仪将光信号转化为电信号，最后实现振动信号的检测，具有无源、高精度、高响应度、抗干扰能力强等良好性能。
Description
技术领域
本发明属于光学传感技术领域，涉及一种光学无源微型振动传感器。
背景技术
如今，大型电机组向着大容量、高参数等方向发展，其中汽轮发电机作为火电和核电的关键设备，汽轮发电机组运行状态的好坏直接影响着整个电力系统。如果汽轮发电机组在运行时发生故障，将会对电网以及电厂的经济效益产生巨大影响。
为了避免汽轮发电机组故障的发生，国内外开始对汽轮发电机组振动监测与故障诊断技术进行研究。振动监测是一种有效监测设备运行状态的方式。汽轮发电机组在工作时会产生机械振动，所产生的振动信号中包含着大量信息，通过监测振动信号，工作人员可以查看汽轮发电机组的运行状态，当监测到振动信号出现异常时，可对设备进行提前维修，才能避免事故的发生，尽可能的减少财产损失。传统的振动检测方法有机械式和电学式，这两种方法的传感端都需要外加电源使其工作，且灵敏度低，抗干扰能力差，在一些干扰较大的环境下对传感信号有很大影响。而利用全光纤无源传感技术的优异的抗电磁干扰能力、高精度、低成本、结构简单等特点构建智能传感监测网络显得越来越重要。在汽轮发电机组出现故障初期，所造成的影响比较小，维修成本较低，通过对汽轮发电机组振动进行监测可以有效的在故障初期将其解决，避免更大故障的发生。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学无源微型振动传感器，解决了现有振动测量技术存在的灵敏度低、抗干扰能力差、测量精度及制作工艺复杂的问题。
本发明所采用的技术方案是，光学无源微型振动传感器，包括依次连接的振子组件和F-P腔组件。
本发明的特点还在于：
振子组件包括连接层，连接层中心处设有空腔B，空腔B的中心处设有弹簧，弹簧的上端连接在支撑层的底部，弹簧的下端连接有质量块，质量块与F-P腔组件连接。
F-P腔组件包括硅层，硅层与支撑层之间设有敏感膜，硅层的中心处设有空腔A，空腔A的上下两侧分别设有反射面，硅层的底部设有双抛硅片，双抛硅片的中心处连接有光纤。
光纤为准直扩束光纤。
双抛硅片上的光纤所发出光在敏感膜下端的反射面上产生干涉，由于法珀腔长发生改变，导致反射光强IR与干涉相位差之间发生改变，关系式如下：
式中，R1和R2为别为两反射面的反射率，I0为入射光强。其中可以表达为：
式中，n为法珀腔内介质折射率，L为腔长，λ为入射光波长，θ为反射光与反射平面法线的夹角。
本发明的有益效果如下：
1.光纤传感器为无源器件，电绝缘性好，抗电磁干扰；
2.光纤传感器适合于强电磁干扰及易燃易爆场合使用；
3.通过复用技术光纤传感器可进行串/并联复用，形成传感器网络或者阵列，实现了光纤传感器分布式传感测量，符合“物联网+”应用技术发展需求，可以形成“光纤传感网”；
4.光纤传输光波损耗小，可实现远距离测量和控制。
附图说明
图1是本发明光学无源微型振动传感器的结构示意图。
图中，1.支撑层，2.连接层，3.敏感膜，4.硅层，5.双抛硅片，6.光纤，7.反射面，8.弹簧，9.质量块,10.空腔A，11.空腔B。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明光学无源微型振动传感器，如图1所示，包括依次连接的振子组件和F-P腔组件；F-P腔组件包括依次连接的敏感膜3、硅层4。
硅层4为F-P腔主体，硅层4的中心处设有空腔A10，空腔A10是光进行折反射的场所；空腔A10的上下两侧分别设有反射面7，敏感膜3的下端面与位于空腔A10上表面的反射面7相接；反射面7为高反射膜。
硅层4的下方设有双抛硅片5，双抛硅片5的中心处设有圆通孔，该圆通孔中可通入光纤6。位于空腔A10下侧的反射面7与该圆通孔相应的位置处设有通孔A，光纤6依次穿过圆通孔和通孔A进入空腔A10；
振子组件包括依次连接在支撑层1上的弹簧8，弹簧8的一端连接在支撑层1上，弹簧8的另一端连接质量块9，质量块9设置在敏感膜3的上表面。
即在弹簧8受到质量块9重力的拉伸作用下自然接触。支撑层1与敏感膜3之间设有连接层2，连接层2中设有空腔B11，空腔B11内设有振子组件。
光纤6为准直扩束光纤，准直扩束光纤将敏感膜3导致的法珀腔长形变量转化为光信号，珀腔长变化量与振动之间有一定数量关系，由此可以确定所测振动量。并通过光纤解调仪进行光电信号转换，将转换后的电信号上传至智能终端进行数据处理，实现对振动的监测。
本发明光学无源微型振动传感器的工作过程为：在电动机、发电机这些电力设备产生振动时，安装于电力设备的该传感器受迫振动，导致传感器内的弹簧8振动，质量块9压迫敏感膜3形变，进而使F-P腔腔长发生变化，并产生干涉相位差，由此通过光纤6接受光信号并传输至光纤解调仪中进行解调进行光电转换，将转换后的电信号上传至智能终端进行数据处理，实现对装置振动的测量。
固定在双抛硅片5上的光纤6所发出光在敏感膜3下端的反射面7上产生干涉，由于法珀腔长发生改变，导致反射光强IR与干涉相位差之间发生改变，其关系式如下：
式中，R1和R2为别为两反射面的反射率，I0为入射光强。其中可以表达为：
式中，n为法珀腔内介质折射率，L为腔长，λ为入射光波长，θ为反射光与反射平面法线的夹角。
本发明光学无源微型振动传感器的特点为，解决了现有振动测量技术灵敏度低、抗干扰能力差、测量精度及制作工艺复杂等难题，可用于制作测量振动信号的高精度传感器；该测量装置原理利用弹簧振子感应器件振动并传递至F-P腔的敏感面产生形变，基于F-P光纤传感技术监测装置的振动信号，通过光纤解调仪将光信号转化为电信号，最后实现振动信号的检测，具有无源、高精度、高响应度、抗干扰能力强等良好性能。
Claims (1)
1.光学无源微型振动传感器，其特征在于：包括依次连接的振子组件和F-P腔组件；
所述振子组件包括连接层，连接层中心处设有空腔B，空腔B的中心处设有弹簧，弹簧的上端连接在支撑层的底部，弹簧的下端连接有质量块，质量块与F-P腔组件连接；
所述F-P腔组件包括硅层，硅层与支撑层之间设有敏感膜，硅层的中心处设有空腔A，空腔A的上下两侧分别设有反射面，硅层的底部设有双抛硅片，双抛硅片的中心处连接有光纤；
所述光纤为准直扩束光纤；
所述双抛硅片上的光纤所发出光在敏感膜下端的反射面上产生干涉，由于法珀腔长发生改变，导致反射光强IR与干涉相位差之间发生改变，关系式如下：
式中，R1和R2为别为两反射面的反射率，I0为入射光强；其中可以表达为：
式中，n为法珀腔内介质折射率，L为腔长，λ为入射光波长，θ为反射光与反射平面法线的夹角。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201449289U (zh) * | 2009-08-07 | 2010-05-05 | 西北工业大学 | 一种强度解调型光纤光栅法布里-珀罗腔振动传感器 |
| CN102080972A (zh) * | 2009-11-30 | 2011-06-01 | 西门子公司 | 外腔式光纤法布里-珀罗传感器及振动监测系统和方法 |
| CN103308148A (zh) * | 2013-06-19 | 2013-09-18 | 天津大学 | 直线型多通道光纤声振动传感装置及方法 |
| CN104502016A (zh) * | 2014-12-04 | 2015-04-08 | 刘玉珏 | 一种基于mems工艺的腔长可调f-p压力传感器及成型方法 |
| WO2016041214A1 (zh) * | 2014-09-15 | 2016-03-24 | 江苏昂德光电科技有限公司 | 一种f-p腔光纤压力传感装置及其解调方法 |
| CN113804281A (zh) * | 2021-08-03 | 2021-12-17 | 西安理工大学 | 一种基于f-p光纤法珀传感原理的声波振动测量装置 |
-
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201449289U (zh) * | 2009-08-07 | 2010-05-05 | 西北工业大学 | 一种强度解调型光纤光栅法布里-珀罗腔振动传感器 |
| CN102080972A (zh) * | 2009-11-30 | 2011-06-01 | 西门子公司 | 外腔式光纤法布里-珀罗传感器及振动监测系统和方法 |
| CN103308148A (zh) * | 2013-06-19 | 2013-09-18 | 天津大学 | 直线型多通道光纤声振动传感装置及方法 |
| WO2016041214A1 (zh) * | 2014-09-15 | 2016-03-24 | 江苏昂德光电科技有限公司 | 一种f-p腔光纤压力传感装置及其解调方法 |
| CN104502016A (zh) * | 2014-12-04 | 2015-04-08 | 刘玉珏 | 一种基于mems工艺的腔长可调f-p压力传感器及成型方法 |
| CN113804281A (zh) * | 2021-08-03 | 2021-12-17 | 西安理工大学 | 一种基于f-p光纤法珀传感原理的声波振动测量装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 基于电磁同步原理的电力电缆故障定点仪的研究;梁硕;董爱华;;电子质量(第06期);全文 * |
| 基于端面反射的高频光纤振动传感系统研究;祁耀斌;刘路杰;高雪清;王汉熙;;中国海洋大学学报(自然科学版)(11);全文 * |
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