CN114778890A - 微悬臂梁光纤加速度传感器机构 - Google Patents
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Abstract
本申请提供有一种微悬臂梁光纤加速度传感器机构，本方案中通过设计内部中空两段开口的载体，用于作为传感器的主体，用于承载第一光学元件和第二光学元件。同时，第一开口的一侧的外壁上设计沿第一方向的悬臂，用于承载振动机构。通过设计包括振片和配重的振动机构，可以使得当传感器机构收到惯性力作用时，通过配重带动振片进行振动。第二光学元件发射的光路经过第一光学元件，再经振片反射后经过第一光学元件将光路重新聚焦返回到第二光学元件中。最终通过干涉后进行光谱分析，得出F‑P腔长值，然后对比初始腔长值最终得出加速度值。
Description
技术领域
本公开具体公开一种微悬臂梁光纤加速度传感器机构。
背景技术
光纤加速度传感器的基本特点是都需要一个质量块作为传感元件之一，当质量块在加速度作用下发生振动，从而带动传感臂产生位移，导致输出的光信号发生变化，通过检测光信号的变化便可测得加速度的大小。但是传统的微悬臂梁式光纤F-P加速度传感器受限于悬臂梁挠度所造成的干涉对比度变化影响，其测量的动态范围有限，并且此类加速度传感器的测量精度同样受其影响无法保持稳定，不利于传感器的多场景应用。
当所测加速度变大时，传统的微悬臂梁式光纤F-P加速度传感器的弹性膜片的挠度也将变大，而弹性膜片又是作为F-P腔的第二谐振面，起到反射光束的作用，那么势必会导致反射回的光束发生偏折，从而部分回到甚至无法回到光纤内产生干涉。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本申请旨在提供一种微悬臂梁光纤加速度传感器机构，其特征在于，包括:承载机构，所述承载机构包括载体，所述载体为内部中空且两端开口，所述开口包括第一开口和第二开口；所述载体设有沿第一方向连通第一开口和第二开口的孔道；所述孔道包括安装段和靠近第一开口的空腔段；所述载体在第一开口的一侧的外壁上设有沿第一方向延伸的悬臂；
振动机构，所述振动机构设有沿第二方向第一端和沿第一方向的第二端，第一方向与第二方向垂直；所述振动机构的第一端与悬臂顶部固接；所述振动机构第二端为自由端；所述振动机构与载体的第一开口之间设有第一空间；当振动机构产生振动时，第一空间的体积会增大或减小；
第一光学元件，所述第一光学元件设有平面的第一面和球形的第二面；所述第一光学元件设于第一空间内，且与载体的第一开口固接；
第二光学元件，所述第二光学元件包括纤芯以及设于纤芯外部且与其同轴的包层；所述第二光学元件恰能沿第一方向进入安装段。
进一步的，所述振动机构包括：配重，所述配重沿第一方向设于第一空间外；所述配重沿第二方向的一侧的中部设有安装孔；振片，所述振片沿第一方向设置；所述振片的一端与悬臂固接，且另一端恰能进入安装孔中。
进一步的，所述空腔段的直径大于安装段的半径。
进一步的，所述空腔段和安装段相接部位设有谐振端面；所述设于安装段内的第二光学元件的端面与谐振端面齐平。
进一步的，所述空腔段的深度加上第一光学元件的厚度等于第一光学元件的焦距。
进一步的，所述振片于第一空间的一侧镀有第一反射膜，且所述第一反射膜反射率大于90％。
进一步的，所述谐振端面设有第二反射膜，且第二反射膜的反射率大于第二光学元件端面的反射率。
进一步的，所述第一光学元件设有增透膜。
进一步的，所述第一光学元件的直径大于空腔段的直径。
更进一步的，所述悬臂的长度公式如下：L1≧h1+1/2L2+0.5cm其中，L1为悬臂长度；h1为第一光学元件3的厚度；L2为配重21第一方向的长度。
有益效果：基于以上设计，本方案中通过设计内部中空两段开口的载体，用于作为传感器的主体，用于承载第一光学元件和第二光学元件。同时，第一开口的一侧的外壁上设计沿第一方向的悬臂，用于承载振动机构。通过设计包括振片和配重的振动机构，可以使得当传感器机构收到惯性力作用时，通过配重带动振片进行振动。第二光学元件发射的光路经过第一光学元件，再经振片反射后经过第一光学元件将光路重新聚焦返回到第二光学元件中。最终通过干涉后进行光谱分析，得出F-P腔长值，然后对比初始腔长值最终得出加速度值。
综上所述，一方面，本方案通过采用陶瓷材质的载体，且设计刚性较强的悬臂，提高了振动机构在振动过程中悬臂的稳定性，减少了因悬臂的形变引起的测量误差；另一方面，通过改变了以往设计中将振片作为谐振面的设计，将固定的谐振端面作为谐振面，减少了采用振片作为谐振面时容易使得光路无法回到第二光学元件中的情况，提高了测量的精度以及测量的范围。本方案设计精巧，能够提高微悬臂式光纤加速度传感器的稳定性以及精度，使得微悬臂式光纤加速度传感器能够适应更多的使用环境。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1所示的是一种微悬臂梁光纤加速度传感器机构的侧视图；
图2所示的是一种微悬臂梁光纤加速度传感器机构的立体图；
图3所示的是一种微悬臂梁光纤加速度传感器机构的剖视图；
图中：
1、承载机构；11、载体；12、悬臂；13、谐振端面；14、第二反射膜；111、孔道；112、安装段；113、空腔段；
2、振动机构；21、配重；22、振片；23、第一反射膜；211、安装孔；
3、第一光学元件；31、增透膜；
4、第二光学元件；41、纤芯；42、包层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
一种微悬臂梁光纤加速度传感器机构，其特征在于，包括:
请参考图1，承载机构1，所述承载机构1包括载体11，所述载体11为内部中空且两端开口，所述开口包括第一开口和第二开口；所述载体11设有沿第一方向连通第一开口和第二开口的孔道111；所述孔道111包括安装段112和靠近第一开口的空腔段113；所述载体11在第一开口的一侧设有沿第一方向延伸的悬臂12。
具体的，承载机构1，所述承载机构1包括载体11。在具体应用场景中，载体11采用经特殊处理的陶瓷插芯。载体11内部中空，中空部分为孔道111。孔道111又因为作用的不同分为两段，分别是安装段112和空腔段113。载体11两端均开口，两个开口分别是第一开口和第二开口，且孔道111将第一开口和第二开口连通。其中，空腔段113靠近第一开口，安装段112则相对靠近第二开口。载体11在第一开口的一侧外壁上设有沿第一方向延伸的悬臂12，其中悬臂12的顶端处于远离第二开口的方向。
请参考图1，振动机构2，所述振动机构2设有沿第二方向第一端和沿第一方向的第二端，第一方向与第二方向垂直；所述振动机构2的第一端与悬臂12顶部固接；所述振动机构2第二端为自由端；所述振动机构2与载体11的第一开口之间设有第一空间；当振动机构2产生振动时，第一空间的体积会增大或减小。
具体的，振动机构2，所述振动机构2设有沿第二方向第一端和沿第一方向的第二端，第一方向与第二方向垂直；所述振动机构2的第一端与悬臂12顶部固接；所述振动机构2第二端为自由端；所述振动机构2与载体11的第一开口之间设有第一空间；当振动机构2产生振动时，第一空间的体积会增大或减小。在具体应用环境中，当方案所述传感器机构收到惯性力作用时，振动机构2的自由端会发生振动，振动机构2自由端的摆动随之产生的效果即第一空间体积的缩小或增大。在本方案中主要是通过振动机构2的摆动来实现光路的反射即对折，最终实现测量的目的。
请参考图1，第一光学元件3，所述第一光学元件3设有平面的第一面和球形的第二面；所述第一光学元件3设于第一空间内，且通过第一面与载体11的第一开口的一端固接。
具体的，第一光学元件3，设有平面的第一面和球形的第二面。在本方案中，第一光学元件3为准直透镜，准直透镜的形状为一面平面一面球形结构。第一光学元件3的主要作用就是能够将振动机构2反射回的光路通过折射重新聚焦回光纤内，然后通过干涉光谱的分析来最终得出加速度值。所述第一光学元件3设于第一空间内，且与载体11的第一开口固接。
第二光学元件4，所述第二光学元件4包括纤芯41以及设于纤芯41外部且与其同轴的包层42；所述第二光学元件4恰能沿第一方向进入安装段112。
具体的，第二光学元件4，所述第二光学元件4包括纤芯41以及设于纤芯41外部且与其同轴的包层42；所述第二光学元件4恰能沿第一方向进入安装段112。在具体应用环境中，第二光学元件4为单模光纤，其主要结构包括纤芯41和包层42，包层42包裹在纤芯41之外。第二光学元件4可以沿第一方向进入安装段112。第二光学元件4的主要作用是发射单模光路作为传感器机构的初始光源，然后再接收重新聚焦回来的光路，然后将接收回来的光路进行干涉光谱分析，得出F-P腔长值，并通过对比初始腔长值来得出加速度值。
所述振动机构2包括：配重21，所述配重21沿第一方向设于第一空间外；所述配重21沿第二方向的一侧的中部设有安装孔211；振片22，所述振片22沿第一方向设置；所述振片22的一端与悬臂12固接，且另一端恰能进入安装孔211中。
具体的，振动机构2主要包括配重21和振片22。配重21，沿第一方向设置，位于第一空间外，而且在配重21第二方向的一侧的中部设有安装孔211。振片22沿第二方向设置，整体呈片状结构，振片22的一端与悬臂12的顶部固接，主要是采用黏结方式。另一端则恰能进入安装孔211中，然后与配重21固接。在具体应用场景中，振片22可以采用铍青铜或者弹簧钢等材质，本方案中优选铍青铜。配重21可以采用铂、钨、铜、铁等材质，从性价比及密度角度考量本方案中优选钨钢。配重21的主要作用是当传感器机构在收到惯性力作用时，通过振动机构2将较小的惯性力进行放大，使得振片22在配重21的作用下进行一定幅度的振动来获得更好的测量结果和测量范围。
所述空腔段113的直径大于安装段112的半径。所述空腔段113和安装段112相接部位设有谐振端面13；所述设于安装段112内的第二光学元件4的端面与谐振端面齐平。
具体的，孔道111分为两段，分别是空腔段113和安装段112，其中空腔段113的直径大于安装段112的直径。且在空腔段113和安装段112相接的部位设有谐振端面13，且谐振端面13与第二光学元件4的端面齐平。安装段112用于安装第二光学元件4也即单模光纤。空腔段113和安装段112相接部位产生平面，即谐振端面13。谐振端面13与第二光学元件4的端面齐平，也即与单模光纤的出光端面齐平。在具体应用场景中，谐振端面13作为传感器机构的谐振面出现，固定的谐振面可以保证光路能够最终回到光纤中，避免了传统的微悬臂式加速度传感器将振片22作为谐振面，导致光路无法返回光纤中，导致的无法测量的结果。
所述空腔段113的深度加上第一光学元件3的厚度等于第一光学元件3的焦距。
具体的，空腔段113的深度加上第一光学元件3的厚度等于第一光学元件3的焦距。设计的目的是便于光路被振片22反射后能够通过第一光学元件3再次聚焦，且返回到第二光学元件4中。
所述振片22于第一空间的一侧镀有第一反射膜23，且所述第一反射膜23反射率大于90％。
具体的，振片22于第一空间的一侧镀有第一反射膜23，且所述第一反射膜23反射率大于90％。振片22的主要作用是将第二光学元件4发射的光路反射回去，振片22的反射率要求非常高，要求反射率要大于90％，因此在振片22第一空间的一侧镀上第一反射膜23。
所述谐振端面13设有第二反射膜14，且第二反射膜14的反射率大于第二光学元件4端面的反射率。
具体的，谐振端面13设有第二反射膜14，且第二反射膜14的反射率大于第二光学元件4端面的反射率。谐振端面13镀第二反射膜14的主要目的是需要将通过振片22反射后没有重新聚焦回第二光学元件4的光路重新反射，因此谐振端面13需要镀第二反射膜14，且反射率要大于第二光学元件4端面的反射率。
所述第一光学元件3设有增透膜31。
具体的，所述第一光学元件3设有增透膜31，增透膜31的设计是降低光路通过第一光学元件3时的损耗，减少测量误差。
请参考图1，所述第一光学元件3的直径大于空腔段113的直径。
具体的，第一光学元件3的直径大于空腔段113的直径，设计的主要目的是便于第一光学元件3的架设。
请参考图1，所述悬臂12的长度公式如下：L1≧h1+1/2L2+0.5cm其中，L1为悬臂12长度；h1为第一光学元件3的厚度；L2为配重21第一方向的长度。
具体的，悬臂12的长度要满足一定的要求才能使得机构正常运行，悬臂12长度公式为：悬臂12长度≧第一光学元件3的厚度+配重21沿第一方向长度的一半+0.5cm。
基于以上设计，本方案中通过设计内部中空两段开口的载体11，用于作为传感器的主体，用于承载第一光学元件3和第二光学元件4。同时，第一开口的一侧的外壁上设计沿第一方向的悬臂12，用于承载振动机构2。通过设计包括振片22和配重21的振动机构2，可以使得当传感器机构收到惯性力作用时，通过配重21带动振片22进行振动。第二光学元件4发射的光路经过第一光学元件3，再经振片22反射后经过第一光学元件3将光路重新聚焦返回到第二光学元件4中。最终通过干涉后进行光谱分析，得出F-P腔长值，然后对比初始腔长值最终得出加速度值。
综上所述，一方面，本方案通过采用陶瓷材质的载体11，且设计刚性较强的悬臂12，提高了振动机构2在振动过程中悬臂12的稳定性，减少了因悬臂12的形变引起的测量误差；另一方面，通过改变了以往设计中将振片22作为谐振面的设计，将固定的谐振端面13作为谐振面，减少了采用振片22作为谐振面时容易使得光路无法回到第二光学元件4中的情况，提高了测量的精度以及测量的范围。本方案设计精巧，能够提高微悬臂式光纤加速度传感器的稳定性以及精度，使得微悬臂式光纤加速度传感器能够适应更多的使用环境。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种微悬臂梁光纤加速度传感器机构，其特征在于，包括:
承载机构（1），所述承载机构（1）包括载体（11），所述载体（11）为内部中空且两端开口，所述开口包括第一开口和第二开口；所述载体（11）设有沿第一方向连通第一开口和第二开口的孔道（111）；所述孔道（111）包括安装段（112）和靠近第一开口的空腔段（113）；所述载体（11）在第一开口的一侧的外壁上设有沿第一方向延伸的悬臂（12）；
振动机构（2），所述振动机构（2）设有沿第二方向第一端和沿第一方向的第二端，第一方向与第二方向垂直；所述振动机构（2）的第一端与悬臂（12）顶部固接；所述振动机构（2）第二端为自由端；所述振动机构（2）与载体（11）的第一开口之间设有第一空间；当振动机构（2）产生振动时，第一空间的体积会增大或减小；
第一光学元件（3），所述第一光学元件（3）设有平面的第一面和球形的第二面；所述第一光学元件（3）设于第一空间内，且通过第一面与载体（11）的第一开口的一端固接；
第二光学元件（4），所述第二光学元件（4）包括纤芯（41）以及设于纤芯（41）外部且与其同轴的包层（42）；所述第二光学元件（4）恰能沿第一方向进入安装段（112）。
2.根据权利要求1所述的一种微悬臂梁光纤加速度传感器机构，其特征在于：
所述振动机构（2）包括：配重（21），所述配重（21）沿第一方向设于第一空间外；所述配重（21）沿第二方向的一侧的中部设有安装孔（211）；振片（22），所述振片（22）沿第一方向设置；所述振片（22）的一端与悬臂（12）固接，且另一端恰能进入安装孔（211）中。
3.根据权利要求1或2所述的一种微悬臂梁光纤加速度传感器机构，其特征在于：所述空腔段（113）的直径大于安装段（112）的半径。
4.根据权利要求1或2所述的一种微悬臂梁光纤加速度传感器机构，其特征在于：所述空腔段（113）和安装段（112）相接部位设有谐振端面（13）；所述设于安装段（112）内的第二光学元件（4）的端面与谐振端面齐平。
5.根据权利要求1或2所述的一种微悬臂梁光纤加速度传感器机构，其特征在于：所述空腔段（113）的深度加上第一光学元件（3）的厚度等于第一光学元件（3）的焦距。
6.根据权利要求1或2所述的一种微悬臂梁光纤加速度传感器机构，其特征在于：所述振片（22）于第一空间的一侧镀有第一反射膜（23），且所述第一反射膜（23）反射率大于90%。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的一种微悬臂梁光纤加速度传感器机构，其特征在于：所述谐振端面（13）设有第二反射膜（14），且第二反射膜（14）的反射率大于第二光学元件（4）端面的反射率。
8.根据权利要求1或2所述的一种微悬臂梁光纤加速度传感器机构，其特征在于：所述第一光学元件（3）设有增透膜（31）。
9.根据权利要求1或2所述的一种微悬臂梁光纤加速度传感器机构，其特征在于：所述第一光学元件（3）的直径大于空腔段（113）的直径。
10.根据权利要求1或2所述的一种微悬臂梁光纤加速度传感器机构，其特征在于：所述悬臂（12）的长度公式如下：L1≧h1 + ½L2 + 0.5cm
其中，L1为悬臂（12）长度；h1为第一光学元件（3）的厚度；L2为配重（21）第一方向的长度。
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