CN114646380A - 板式光纤振动传感器 - Google Patents
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Abstract
一种板式光纤振动传感器，包括传感光纤和载体，在所述载体的同一侧布设有一个以上的由传感光纤盘绕而成的渐开线式的光纤盘，每个所述光纤盘所用光纤的长度大于等于5米，所述载体是用硬质材料制成的，所述载体的面积大于所述光纤盘的面积，所述光纤盘被粘接在所述载体上。本发明具有对中频的测振灵敏度适当、对甚低频到超高频信号响应较灵敏的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤探测振动领域，尤其是涉及一种板式光纤振动传感器。
背景技术
光纤传感器的历史可追溯到上世纪70年代，那时，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。由于其具有常规传感器所无法比拟的优点和广阔的发展前景，很多国家不遗余力地加大对光纤传感器的研究力度，也涌现出许多研究成果。
光纤传感器作为一种优势明显的新型传感器，不但在高、精、尖领域得到应用，而且在传统的工业领域被迅速推广，其本身产品也不断推层出新，显示出强大的生命力。光纤传感器也发展出了许多功能，如有探测温度的，探测湿度的，探测振动的等等；现有的测振光纤传感器主要有以下几种形式，一是以整条光纤作为传感元的结构，二是以一根光纤绕成螺旋弹簧式结构等等；以整条光纤作为传感元的结构存在灵敏度低的问题，而以一根光纤绕成螺旋弹簧式结构又存在灵敏度太高，存在太多误报的问题；且上述两种结构都对甚低频或超高频信号响应不灵敏。如何做到光纤传感器的测振灵敏度适当，不要太低，也不要太高，且对甚低频到超高频信号响应灵敏是本行业技术人员亟待解决的问题。
发明内容
为了克服上述问题，发明向社会提供一种光纤传感器对中频的测振灵敏度适当、对甚低频到超高频信号响应较灵敏的板式光纤振动传感器。
本发明的技术方案是：提供一种板式光纤振动传感器，包括传感光纤和载体，在所述载体的同一侧布设有n个由传感光纤盘绕而成的渐开线式的光纤盘，其中，n为大于等于1的整数，每个所述光纤盘所用光纤的长度大于等于5米，所述载体是用硬质材料制成的，所述载体的面积大于所述光纤盘的面积，所述光纤盘被粘接在所述载体上。
作为对本发明的改进，所述载体的厚度在0.01mm-10mm之间选择。
作为对本发明的改进，所述载体的灵敏度满足公式
,其中，E为杨氏模量，𝜌为载体密度，S为载体面积，h为载体厚度。
作为对本发明的改进，在所述载体的表面设有第一渐开线式槽，所述光纤盘被粘在所述第一渐开线式槽内。
作为对本发明的改进，所述载体是金属材料板。
作为对本发明的改进，所述金属材料板是不锈钢板或铝板。
作为对本发明的改进，所述载体是非金属材料板。
作为对本发明的改进，所述非金属材料板是塑料板或硬质木板。
作为对本发明的改进，所有光纤盘的总损耗小于光电探测器探测的预定损耗。
其中，所述预定损耗为30dB。
作为对本发明的改进，在所述光纤盘与所述载体之间还设有中间载体，所述中间载体粘接在所述载体上，所述光纤盘粘接在所述中间载体上。
作为对本发明的改进，在所述中间载体的表面设有第二渐开线式槽，所述光纤盘被粘在所述第二渐开线式槽内。
本发明由于采用了在所述载体的同一侧布设有一个以上的由传感光纤盘绕而成的渐开线式的光纤盘，每个所述光纤盘所用光纤的长度大于等于5米，所述载体是用硬质材料制成的，所述载体的面积大于所述光纤盘的面积，所述光纤盘被粘接在所述载体上的结构，这样，光纤盘本身可以探测信号，以及载体也可以接受振动信号，并传递给光纤盘，联合作用，所以，使得本发明具有对中频的测振灵敏度适当、对甚低频到超高频信号响应较灵敏的优点；本发明对甚低频到超高频的各种能引起振动的能量信号都可以适用；传感光纤的灵敏度优于-150dBre：1V/μPa，能探测0.1Hz以上的微振动信号。
附图说明
图1是本发明一种实施例的立体结构示意图。
图2是本发明第二种实施例的立体结构示意图。
图3是将图2所示实施例布置在载体上后的立体结构示意图。
具体实施方式
为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释发明，并不用于限定本发明。
请参见图1，图1揭示的是一种板式光纤振动传感器第一实施例，包括传感光纤1和载体2，在所述载体2的同一侧布设有一个以上的由传感光纤1盘绕而成的渐开线式光纤盘11，每个所述光纤盘11所用光纤的长度大于等于5米，所述载体2是用硬质材料制成的，所述载体2的面积大于所述光纤盘11的面积，所述光纤盘11被粘接在所述载体2上。本发明采用了传感光纤1紧贴在载体2上的结构，且所述载体2的面积大于所述光纤盘11的面积，当外界某一振动能量作于载体2时，载体2可以快速的将振动信号传递给光纤盘11，由于光纤盘11可以是多个，这样，多个光纤盘11所接收息号叠加后，通过转接盒4传输给后台处理器（未画出）；多个光纤盘11在转接盒4处可以并联，也可以串联，并联时，总信号是各个分信号叠加，各个光纤盘11的光损耗低，适用大规模集群探测，需要硬件较多成本高；串联时，信号在一个系统处理，较为方便快捷，部署简单，成本低，由于总损耗限制，在数量上限制光纤盘11个数。采用本发明的结构，可以得到测振灵敏度适当传感器。
优选的，用传感光纤1盘绕而成的渐开线式光纤盘11内的光纤最好都处于同一平面内，这样有利于改善测振灵敏度，使得本发明对甚低频到超高频的各种能引起振动的能量信号都可以适用；传感光纤的灵敏度优于-150dBre：1V/μPa，能探测0.1Hz以上的微振动信号；本发明中的处于同一平面内是指光纤被绕成光纤盘11后，光纤盘11内的传感光纤在同一平面内。
为了保证光纤盘11在同一平面内，最好在所述载体2的表面设有第一渐开线式槽21，将所述光纤盘11粘在所述第一渐开线式槽21内，所述第一渐开线式槽21的截面可以是圆形，也可以是半圆形，圆的直径略大于传感光纤1；当所述第一渐开线式槽21的截面是圆形时，可以将所述光纤盘11的传感光纤1全部埋在所述第一渐开线式槽21内；当所述第一渐开线式槽21的截面是半圆形时，可以将所述光纤盘11的传感光纤1的一部分埋在所述第一渐开线式槽21内，另外一部分突出于所述载体2的表面。
所述光纤盘11所用的传感光纤1的直径大小，对测振灵敏度也有影响，传感光纤1的直径最好介于10um-500um之间，且传感光纤1的弯曲半径大于等于25mm。
每个所述光纤盘11的传感光纤的长度大于等于5米，或所有串联的所述光纤盘11总长度也大于等于5米，其总度不限，只要所有传感光纤1的总损耗小于光电探测器探测的预定光损耗。
其中，所述预定光损耗为30dB。
也就是说，只要所述光纤盘11的传感光纤1的长度大于5m即可，无论多长只要光损耗小于30dB即可，例如传感光纤1的总长度为1000m，损耗只有20dB，这样是可以的；若传感光纤1的总长度为100m，但光损耗超过了30dB。如有31dB,则也不可以。
经研究，所述载体2的灵敏度𝜉应满足公式
,其中，E为杨氏模量，𝜌为载体密度，S为载体面积，h为载体厚度。
其中，杨氏模量E越大，载体密度𝜌越小、载体面积S越小和载体厚度h越小，其载体2的灵敏度𝜉越好。
本发明中的杨氏模量是用来描述固体材料抵抗形变能力的物理量。当一条长度为L、截面积为S的金属丝在力F作用下伸长ΔL时，F/S叫应力，其物理意义是金属丝单位截面积所受到的力；ΔL/L叫应变，其物理意义是金属丝单位长度所对应的伸长量。应力与应变的比叫弹性模量。ΔL是微小变化量。杨氏模量（Young's modulus），又称拉伸模量（tensilemodulus）是弹性模量（elastic modulus or modulus of elasticity）中的一种。杨氏模量衡量的是一个各向同性弹性体的刚度（stiffness）， 定义为在胡克定律适用的范围内，单轴应力和单轴形变之间的比。与弹性模量是包含关系，除了杨氏模量以外，弹性模量还包括体积模量（bulk modulus）和剪切模量（shear modulus）等。
当然，本发明中除了考虑载体2的灵敏度𝜉除了要考虑杨氏模量E、载体密度𝜌、载体面积S和载体厚度h这些因素外，还要综合考虑所选材料的其它特性，如材料本的抗外力破坏的性能、防暴晒性能等。
综合考虑这些因素后，在金属材料板中以不锈钢板或铝板为优选。在非金属材料板以塑料板、硬质木板、碳纤维板或玻璃纤维为优选。
本发明中，所述载体2的厚度在0.01mm-10mm之间选择，如果载体2太薄，虽然，可以提高本发明的灵敏度，但是，抗折以及抗外力破坏性能降低；载体2的厚度太厚，会降低本发明的灵敏度。
本实施例中，在所述载体2上设有四个光纤盘11，四个光纤盘11共用一个转接盒4；实际上，根据不同需要，所述光纤盘11的数量可以在2-10个之间选择。
请参见图2和图3，图2和图3揭示的是一种板式光纤振动传感器第二实施例，图2和图3所示实施例与图1所示实施相比，其大体结构相同，所不同的是在所述光纤盘11与所述载体2之间还设有中间载体3，所述中间载体3粘接在所述载体2上，所述光纤盘11粘接在所述中间载体3上。之所以要设置中间载体3，主要是方便生产加式，加工时，可以先将所述光纤盘11粘在中间载体3上，然后，再将中间载体3粘接在所述载体2上，可以大大地提高生产效率。本发明中，所述中间载体3可以圆形，也可以正方形。
本发明中的中间载体3与载体2可以是相同的材料制成，也可以是不相同的材料制成的，这要根据不同的需要而定。
经研究，所述中间载体3的灵敏度𝜉应满足公式
,其中，E为杨氏模量，𝜌为载体密度，S为载体面积，h为载体厚度。
其中，杨氏模量E越大，载体密度𝜌越小、载体面积S越小和载体厚度h越小，其中间载体3的灵敏度𝜉越好。
本发明中的杨氏模量是用来描述固体材料抵抗形变能力的物理量。当一条长度为L、截面积为S的金属丝在力F作用下伸长ΔL时，F/S叫应力，其物理意义是金属丝单位截面积所受到的力；ΔL/L叫应变，其物理意义是金属丝单位长度所对应的伸长量。应力与应变的比叫弹性模量。ΔL是微小变化量。杨氏模量（Young's modulus），又称拉伸模量（tensilemodulus）是弹性模量（elastic modulus or modulus of elasticity）中的一种。杨氏模量衡量的是一个各向同性弹性体的刚度（stiffness）， 定义为在胡克定律适用的范围内，单轴应力和单轴形变之间的比。与弹性模量是包含关系，除了杨氏模量以外，弹性模量还包括体积模量（bulk modulus）和剪切模量（shear modulus）等。
当然，本发明中除了考虑中间载体3的灵敏度𝜉除了要考虑杨氏模量E、载体密度𝜌、载体面积S和载体厚度h这些因素外，还要综合考虑所选材料的其它特性，如材料本的抗外力破坏的性能、防暴晒性能等。
综合考虑这些因素后，在金属材料板中以不锈钢板或铝板为优选。在非金属材料板以塑料板、硬质木板、碳纤维板或玻璃纤维为优选。
本发明中，所述中间载体3的厚度在0.01mm-10mm之间选择，如果中间载体3太薄，虽然，可以提高本发明的灵敏度，但是，不便于粘贴光纤盘11；中间载体3的厚度太厚，会降低本发明的灵敏度。
为了保证光纤盘11在同一平面内，最好在所述中间载体3的表面设有第二渐开线式槽31，将所述光纤盘11粘在所述第二渐开线式槽31内，所述第二渐开线式槽31的截面可以是圆形，也可以是半圆形，圆的直径略大于传感光纤1；当所述第二渐开线式槽31的截面是圆形时，可以将所述光纤盘11的传感光纤1全部埋在所述第二渐开线式槽31内；当所述第二渐开线式槽31的截面是半圆形时，可以将所述光纤盘11的传感光纤1的一部分埋在所述第二渐开线式槽31内，另外一部分突出于所述中间载体3的表面。
不脱离发明思想的情况下，凡应用发明说明书及附图内容所做的各种等效变化，均理同包含于发明的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种板式光纤振动传感器，包括传感光纤（1），其特征在于：还包括载体（2），在所述载体（2）的同一侧布设有设有n个由传感光纤盘绕而成的渐开线式的光纤盘，其中，n为大于等于1的整数，每个所述光纤盘（11）所用光纤的长度大于等于5米，所述载体（2）是用硬质材料制成的，所述载体（2）的面积大于所述光纤盘（11）的面积，所述光纤盘（11）被粘接在所述载体（2）上。
2.根据权利要求1所述的板式光纤振动传感器，其特征在于：所述载体（2）的厚度在0.01mm-10mm之间选择。
3.根据权利要求1或2所述的板式光纤振动传感器，其特征在于：所述载体（2）的灵敏度满足公式
,其中，E为杨氏模量，𝜌为载体密度，S为载体面积，h为载体厚度。
4.根据权利要求1或2所述的板式光纤振动传感器，其特征在于：在所述载体（2）的表面设有第一渐开线式槽（21），所述光纤盘（11）被粘在所述第一渐开线式槽（21）内。
5.根据权利要求1或2所述的板式光纤振动传感器，其特征在于：所述载体（2）是金属材料板。
6.根据权利要求5所述的板式光纤振动传感器，其特征在于：所述金属材料板是不锈钢板或铝板。
7.根据权利要求1或2所述的板式光纤振动传感器，其特征在于：所述载体（2）是非金属材料板。
8.根据权利要求7所述的板式光纤振动传感器，其特征在于：所述非金属材料板是塑料板、硬质木板、碳纤维板或玻璃纤维。
9.根据权利要求1或2所述的板式光纤振动传感器，其特征在于：在所述光纤盘（11）与所述载体（2）之间还设有中间载体（3），所述中间载体（3）粘接在所述载体（2）上，所述光纤盘（11）粘接在所述中间载体（3）上。
10.根据权利要求9所述的板式光纤振动传感器，其特征在于：在所述中间载体（3）的表面设有第二渐开线式槽（31），所述光纤盘（11）被粘在所述第二渐开线式槽（31）内。
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