CN116412894A - 光波导法珀振动传感器 - Google Patents

Abstract

本公开描述一种光波导法珀振动传感器，其包括敏感单元和振动信号耦合单元，敏感单元包括基座、悬臂梁、和质量块，振动信号耦合单元包括沿着悬臂梁的轴向依次连接且布置于悬臂梁的第一光波导、第二光波导和第三光波导，第二光波导的折射率相异于第一光波导的折射率和第三光波导的折射率，第一光波导与第二光波导的交界面、以及第三光波导与第二光波导的交界面分别形成相互平行的第一光反射面和第二光反射面，质量块感应于振动而发生位移以使悬臂梁、以及第二光波导发生形变，以使第一光反射面与第二光反射面之间的距离发生变化。根据本公开，提供一种具有高精确度的光波导法珀振动传感器。

Description

光波导法珀振动传感器

技术领域

本公开大体涉及振动传感器领域，具体涉及一种光波导法珀振动传感器。

背景技术

近些年来，高温恶劣环境下振动参数的测量需求广泛存在于军用、民用和航空航天等领域，振动的测量与一些生产生活的安全息息相关。传统的压电式或涡流式振动传感器由于制作材料不耐高温、抗干扰能力差以及信号线热传导对解调系统造成不良影响等问题，难以在高温恶劣环境下进行高精度的振动测量。

高温振动传感器在航空航天、能源勘探、天然气管道运输、核反应堆开发和汽车工业中发挥了重要作用。光波导法珀振动传感器基于光学干涉原理，具有抗电磁干扰、光学干涉不受温度影响、远距离传输等特点，此外，传感器敏感单元可选用耐高温的材料进行制作并且高温不易对上述光学原理的应用产生影响，因此光波导法珀式振动传感器适用于上述高温恶劣环境下的振动测量。常见的耐高温材料有很多种，例如高温金属、Pyrex玻璃、硅、蓝宝石、SiC以及熔融石英玻璃材料等。每种材料的工作温度范围不一样将决定传感器的工作温度。近年来，相关材料的加工技术主要有MEMS技术、化学腐蚀技术、电弧放电技术和激光加工技术等。根据不同材料选择不同加工技术可以降低传感器的制备周期和加工成本。

目前已经报道国外一种振动传感器，其利用Pyrex玻璃圆片和硅片实现光波导法珀振动传感器的批量化制造且该种传感器能在350℃高温环境下进行振动测量，然而由于材料自身特性的限制，使得该种传感器难以实现在更高温度环境下的振动测试。而且，由于使用了两种不同热膨胀系数的材料进行传感器的制作，当传感器在高温环境下工作时，由于不同材料间的热膨胀系数不匹配将会影响传感器的使用性能，这也是限制该种传感器在高温下应用的原因之一。并且在光波导与敏感单元连接方法上，目前比较常用的方法是利用紫外环氧树脂或耐高温粘接剂，在需要工作于高温环境的振动传感器中引入粘结材料将会进一步影响振动传感器在高温下的稳定性及使用寿命。

石英玻璃材料其软化点高达1730℃左右，且耐酸碱腐蚀，相比于目前常用的用于制造光波导法珀振动传感器的材料，例如金属、Pyrex玻璃、硅、蓝宝石、SiC等来说，石英玻璃材料具有更低的热膨胀系数，这使其成为制造高温振动传感器的良好材料。在本发明中，利用不同反射率的耐高温材料制造并验证了一种光波导法珀振动传感器，使得该种传感器能在高温环境下稳定工作，同时具有高精确度和高稳定性。

发明内容

本公开是有鉴于上述的状况而提出的，其目的在于提供一种能够在高温环境下稳定工作并同时具有高精确度和高稳定性的光波导法珀振动传感器。

为此，本公开提供了一种光波导法珀振动传感器，包括敏感单元和振动信号耦合单元，所述敏感单元包括基座、悬置于所述基座且呈长条状的悬臂梁、以及质量块，所述质量块设置于所述悬臂梁远离所述基座的一端，所述振动信号耦合单元包括沿着所述悬臂梁的轴向依次连接且布置于所述悬臂梁的第一光波导、第二光波导和第三光波导，所述第二光波导的折射率相异于所述第一光波导的折射率和所述第三光波导的折射率，所述第一光波导与所述第二光波导的交界面、以及所述第三光波导与所述第二光波导的交界面分别形成相互平行的第一光反射面和第二光反射面，所述质量块感应于振动而发生位移以使所述悬臂梁、以及所述第二光波导发生形变，以使所述第一光反射面与所述第二光反射面之间的距离发生变化。

在本公开所涉及的光波导法珀振动传感器中，当光波导法珀振动传感器进行测量时，能够通过质量块来传递外部力学参数(例如加速度、速度、位移等)变化，质量块的振动使第二光波导发生形变，从而改变了法珀腔的腔长，由此能够提供一种可在高温恶劣环境下测量振动的光波导法珀振动传感器。

另外，在本公开所涉及的光波导法珀振动传感器中，可选地，所述第一光波导远离所述第二光波导的端面的反射率小于0.01％。在这种情况下，经由第一光反射面进入第一光波导的光信息在第一光波导远离第二光波导的端面再次进行反射回到第一光反射面的光信号很少，不会造成过多的干扰光信号。

另外，在本公开所涉及的光波导法珀振动传感器中，可选地，所述第一光波导远离所述第二光波导的端面不平行于所述第一光反射面。在这种情况下，经由第一光反射面进入第一光波导的光信息不会在第一光波导远离第二光波导的一端再次进行反射回到第一光反射面后造成干扰光信号。

另外，在本公开所涉及的光波导法珀振动传感器中，所述第一光波导、所述第二光波导和所述第三光波导为圆柱形光波导。在这种情况下，第一光波导、第二光波导和第三光波导为光纤，能够使振动信号耦合单元有较强的抗干扰能力和稳定的测量性能。

另外，在本公开所涉及的光波导法珀振动传感器中，所述第一光波导的轴心、所述第二光波导的轴心、与所述第三光波导的轴心位于同一直线。在这种情况下，光信号在光波导的轴心直线上进行传输，能够保证光进行全反射，能够减少能量的损失。

另外，在本公开所涉及的光波导法珀振动传感器中，可选地，所述第二光波导的中心位置的横剖面经过所述悬臂梁形变时变化最大的区域。在这种情况下，即在振动环境下，第二光波导位于悬臂梁应变最大的位置，能够使法珀腔更易于发生形变，从而使法珀腔的腔长变化更大，更易于振动传感器感受振动的变化，从而得到更精确的测量结果。

另外，在本公开所涉及的光波导法珀振动传感器中，可选地，所述敏感单元由第一预定材料制备而成，所述第一预定材料包括单晶硅、石英、蓝宝石或氧化镁中的一种或多种。在这种情况下，光波导法珀振动传感器测量时能够承受更高的温度而不降低精确度。

另外，在本公开所涉及的光波导法珀振动传感器中，可选地，所述振动信号耦合单元由第二预定材料制备而成，所述第二预定材料包括石英或蓝宝石中的一种或多种。在这种情况下，光波导法珀振动传感器测量时能够承受更高的温度而不降低精确度。

另外，在本公开所涉及的光波导法珀振动传感器中，可选地，经由所述第三光波导进入所述第二光波导的光线在所述第一光反射面与所述第二光反射面之间进行反射。在这种情况下，光信号能够在第一光反射面与第二光反射面之间进行反复地反射，以形成干涉光信号并传输至光波解调设备进行解调，从而获得外界力学参数。

根据本公开的光波导法珀振动传感器，能够提供一种能够在高温环境下稳定工作并同时具有高精确度的光波导法珀振动传感器。

附图说明

现在将仅通过参考附图的例子进一步详细地解释本公开，其中：

图1是本公开示例所涉及的振动传感器的应用场景的示意图。

图2a是本公开示例所涉及的振动传感器的整体外观的立体示意图；

图2b是本公开示例所涉及的振动传感器的整体外观的正面示意图。

图3a是本公开示例所涉及的敏感单元静止状态下的示意图；图3b是本公开示例所涉及的敏感单元的一种振动状态下的示意图；图3c是本公开示例所涉及的敏感单元的另一种振动状态下的示意图。

图4a是本公开示例所涉及的振动信号耦合单元静止状态下的示意图；图4b是本公开示例所涉及的振动信号耦合单元振动状态下的示意图。

图5a是本公开示例所涉及的干涉变化的示意图；图5b是本公开示例所涉及的干涉变化的示意图。

附图标记说明：

1…振动传感器，3…传输单元，4…光源，5…光波解调设备，10…

敏感单元，11…基座，12…悬臂梁，13…质量块，20…振动信号耦合单元，21…第一光波导，22…第二光波导，23…第三光波导，

221…第一光反射面，222…第二光反射面。

具体实施方式

以下，参考附图，详细地说明本公开的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，需要说明的是，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。

需要说明的是，本公开中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，例如所包括或所具有的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可以包括或具有没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本公开的实施方式涉及一种光波导法珀振动传感器。在本实施方式中，光波导法珀振动传感器可以简称为振动传感器或称为加速度传感器。通过本实施方式的振动传感器，能够进一步提高振动传感器的测量精度。，从而使振动传感器能够在高温环境下稳定准确地进行测量工作。

在本实施方式中，振动传感器可以安装在高温环境下探测振动信息(例如探测飞机发动机的振动信息)，振动传感器能够通过敏感单元获得外部的力学参数(加速度、速度、位移等)变化情况，再根据法珀腔干涉原理将力学参数变化情况转换成干涉光信号的相位变化信息，通过传输单元将干涉光信号传至光波解调设备，利用光波解调设备对干涉光信号进行解调从而获得振动的测量结果，进而计算出外部的力学参数信息。

在本实施方式中，法珀腔是指由相对设置、相互平行并且具有预定间距的两个导光面组成的光学谐振腔，光线可以在法珀腔的两个导光面之间进行反射从而提供光反馈。在法珀腔中，光线在两个导光面之间进行反射时的光反馈与两个导光面之间的间距具有对应关系。

在本实施方式中，振动传感器可以包括具有两个导光面的法珀腔，光束在法珀腔的两个导光面之间进行反射并形成干涉光信号，通过对该干涉光信号进行解析，能够获得两个导光面之间的距离。

图1是本公开示例所涉及的振动传感器1的应用场景的示意图。

图2a是本公开示例所涉及的振动传感器1的整体外观的立体示意图。

图2b是本公开示例所涉及的振动传感器1的整体外观的正面示意图。在一些示例中，参见图1，振动传感器1的一端可以与传输单元3连接，传输单元3可以与可以发出光信号的光源4连接，传输单元3也可以与用于对感应信号进行解调的光波解调设备5连接。在一些示例中，传输单元3可以是光纤。当振动传感器1工作时，光信号由光源4发出，经传输单元3的传输，一部分光信号(也称为第一反射光信号)在第三光波导23与第二光波导22连接的端面处发生反射，另一部分光信号可以经法珀腔入射到第一光反射面221，在第一光反射面221与第二光反射面222之间进行反射，反射的光信号(也称为第二反射光信号)可以传输回第三光波导23与第二光波导22连接的端面并耦合进传输单元3中，两束光信号(即第一反射光信号和第二反射光信号)由此发生干涉，并通过传输单元3将干涉光信号传输至光波解调设备5。在这种情况下，当外界力学参数发生变化时，质量块13因受振动作用而发生位移，从而改变法珀腔的腔长，使得干涉光条纹发生变化。此时，利用光波解调设备5对干涉光信号进行解调就能够获得法珀腔腔长的变化信息，从而最终获得振动的测量结果。

在一些示例中，振动传感器1可以包括敏感单元10和振动信号耦合单元20及图2b。敏感单元10可以对振动进行感应，振动信号耦合单元20可以获得对振动的感应信号。振动信号耦合单元20形成有法珀腔。在一些示例中，敏感单元10可以由第一预定材料制备而成，第一预定材料可以包括单晶硅、石英、蓝宝石或氧化镁中的一种或多种。在一些示例中振动信号耦合单元20可以由第二预定材料制备而成，第二预定材料可以包括石英或蓝宝石中的一种或多种。在这种情况下，振动传感器1测量时能够承受更高的温度而不降低精确度。

图3a是本公开示例所涉及的敏感单元10静止状态下的示意图。图3b是本公开示例所涉及的敏感单元10的一种振动状态下的示意图。

图3c是本公开示例所涉及的敏感单元10的另一种振动状态下的示意图。

在本实施方式中，参见图3a、图3b及图3c，敏感单元10可以包括基座11、悬臂梁12和质量块13。在一些示例中，敏感单元10可由不同耐高温材料如高温金属、单晶硅、Pyrex玻璃、蓝宝石、氧化镁、SiC以及熔融石英玻璃等材料制备而成，耐高温材料适用于不同温度段。在这种情况下，敏感单元10可以适应不同的温度环境。

在一些示例中，参见图3a，基座11可以是呈L型设置的固定结构。在另一些示例中，基座11也可以是其他的形状的固定结构。在一些示例中，基座11可以是坚硬且不易损坏的结构，如不锈钢、高强度铝合金等。在一些示例中，基座11也可以是振动传感器1的外壳。

在一些示例中，悬臂梁12可以悬置于基座11。在一些示例中，悬臂梁12可以呈长条状。在一些示例中，悬臂梁12也可以是薄片状。由此，悬臂梁12更易于发生形变。在一些示例中，悬臂梁12也可以是其他形状，例如圆柱形、扇形、梯形等。在一些示例中，悬臂梁12可以呈长方体的形状；悬臂梁12的长的尺寸可以为1mm至100mm，例如可以为1mm、5mm、10mm、15mm、30mm、50mm、100mm；悬臂梁12的宽的尺寸可以为1mm至50mm，例如可以为1mm、3mm、5mm、10mm、15mm、50mm；悬臂梁12的高的尺寸可以为0.1mm至10mm，例如可以为0.1mm、0.3mm、0.5mm、1mm、5mm、10mm。优选地，悬臂梁12的长宽高可以分别为15mm、5mm、0.3mm。

在一些示例中，悬臂梁12的一端固定在基座11上。悬臂梁12可以利用粘接剂粘合固定在基座11上，优选地，可以使用无机胶。在这种情况下，悬臂梁12的一端处于固定的状态，不会发生形变或位移。在另一些示例中，悬臂梁12和基座11可以是一体成型的结构。在一些示例中，悬臂梁12和基座11可以经由热键合而结合。在一些示例中，悬臂梁12和基座11可以经由高温热压键合或低温键合而结合。

在一些示例中，悬臂梁12可以为等强度悬臂梁。在这种情况下，可以不限制振动信号耦合单元20在悬臂梁12轴线方向上设置的位置。在一些示例中，悬臂梁12可以为等截面悬臂梁。在这种情况下，悬臂梁12在重力作用下不同位置有不同的挠度。在一些示例中，悬臂梁12可以为应变放大梁。在这种情况下，悬臂梁12的灵敏度较高，固有频率较低。需要说明的是，以上对悬臂梁12的描述并不能理解为对悬臂梁12所述种类的限制，悬臂梁12也可以为其他的类型的悬臂梁结构。

在一些示例中，悬臂梁12可以由全石英(即全二氧化硅)材料制作而成。由此，悬臂梁12可以承受较高的温度、耐酸碱腐蚀且不影响悬臂梁12的应变性能。

在一些示例中，质量块13可以设置于悬臂梁12远离基座11的一端。在一些示例中，质量块13可以悬置于悬臂梁12远离基座11一端的下表面。在这种情况下，质量块13能够感应于外界振动而发生位移。在一些示例中，质量块13可以通过粘接剂粘合在悬臂梁12上，优选地，可以使用无机胶。在这种情况下，质量块13和悬臂梁12之间可以保持一个较稳定的结构。在另一些示例中，质量块13和悬臂梁12也可以是一体成型的机构。在一些示例中，质量块13和悬臂梁12可以经由热键合而结合。在一些示例中，质量块13和悬臂梁12可以经由高温热压键合或低温键合而结合。

在一些示例中，质量块13可以由全石英(即全二氧化硅)材料制作而成。由此，质量块13可以承受较高的温度且耐酸碱腐蚀。

在一些示例中，质量块13的形状可以为正方体、长方体、球体形、椭球形或其他形状。在一些示例中，质量块13可以为与悬臂梁12的尺寸相匹配。在一些示例中，质量块13可以呈长方体的形状；质量块13的长的尺寸可以为1mm至10mm，例如可以为1mm、3mm、5mm、8mm、10mm；质量块13的宽的尺寸可以为1mm至50mm，例如可以为1mm、3mm、5mm、10mm、15mm、50mm；质量块13的高的尺寸可以为0.1mm至10mm，例如可以为0.1mm、1mm、3mm、5mm、10mm。优选地，质量块13的长宽高可以分别为5mm、5mm、1mm。

在一些示例中，质量块13可以为空心体或实心体。由此可以通过改变质量块13的结构来适应不同的外部振动环境。

在一些示例中，敏感单元10包括的基座11、悬臂梁12和质量块13之间可以都使用粘接剂进行粘合，优选地，可以使用无机胶。由此，敏感单元10能在不同的环境下有一个稳定的结构。

在一些示例中，参见图3a，当振动传感器1的外界处于静止状态时，敏感单元10同样处于静止状态。在这种情况下，质量块13没有发生运动，所以悬臂梁12没有发生形变。在一些示例中，参见图3b及图3c，当振动传感器1的外界处于振动状态时，敏感单元10同样处于非静止状态。在这种情况下，质量块13感应于振动发生位移，以使悬臂梁12发生形变，图3b为悬臂梁12发生形变到达某一位置的示意图，图3c为悬臂梁12发生形变到达另一位置的示意图。

图4a是本公开示例所涉及的振动信号耦合单元20静止状态下的示意图。图4b是本公开示例所涉及的振动信号耦合单元20振动状态下的示意图。

在本实施方式中，参见图4a和图4b，振动信号耦合单元20可以包括第一光波导21、第二光波导22和第三光波导23。

在一些示例中，振动信号耦合单元20和质量块13可以分别位于悬臂梁12相对的两侧。优选地，振动信号耦合单元20可以位于悬臂梁12的上表面，质量块13可以位于悬臂梁12的下表面。在一些示例中，振动信号耦合单元20可以通过粘接剂粘合在悬臂梁12上，优选地，可以使用无机胶。在这种情况下，在外界的振动作用下，质量块13感应于振动发生位移，以使悬臂梁12发生形变，位于悬臂梁12上表面的振动信号耦合单元20跟随悬臂梁12发生形变；由于振动信号耦合单元20和质量块13处于悬臂梁12相对两侧的位置，振动信号耦合单元20更易于感受振动而发生形变。

在另一些示例中，振动信号耦合单元20和质量块13也可以位于悬臂梁12相同的一侧或相邻的一侧。只要悬臂梁12能够在质量块13感应于振动发生位移而形变，以使位于悬臂梁12上表面的振动信号耦合单元20跟随悬臂梁12一起发生形变即可。

在一些示例中，振动信号耦合单元20可以为圆柱形光波导，也即振动信号耦合单元20可以为光纤。在另一些示例中，振动信号耦合单元20也可以为集成光波导。在这种情况下，振动信号耦合单元20可以为平面介质光波导，也可以为条形介质光波导。

在一些示例中，振动信号耦合单元20的类型可以是法布里-珀罗干涉仪，简称法珀干涉仪。在另一些示例中，振动信号耦合单元20的类型也可以是迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪、萨格纳克干涉仪或光栅。

在一些示例中，第一光波导21、第二光波导22和第三光波导23为圆柱形光波导，即第一光波导21、第二光波导22和第三光波导23为光纤，能够使振动信号耦合单元20有较强的抗干扰能力和稳定的测量性能。在一些示例中，第一光波导21、第二光波导22和第三光波导23沿着悬臂梁12的轴向依次连接。在一些示例中，第一光波导21的轴心、第二光波导22的轴心、与第三光波导23的轴心位于同一直线。在这种情况下，光信号在光波导的轴心直线上进行传输，能够保证光进行全反射，能够减少能量的损失。在一些示例中，第一光波导21可以和第二光波导22共轴，第一光波导21可以和第三光波导23共轴，第二光波导22可以和第三光波导23共轴。在一些示例中，第二光波导22的外径和第一光波导21的外径相同，并且第二光波导22的外径和第三光波导23的外径也相同。在一些示例中，第二光波导22和第一光波导21的轴向横截面均匀且大致相同，第二光波导22和第三光波导23的轴向横截面均匀且大致相同。在一些示例中，第一光波导21和第三光波导23的轴向横截面均匀且相同。

在另一些示例中，第一光波导21、第二光波导22和第三光波导23也可以为集成光波导。

在一些示例中，第一光波导21、第二光波导22和第三光波导23可以呈直列式排列，具体而言，第一光波导21、第二光波导22和第三光波导23可以呈直列式线性依次排列。在一些示例中，第一光波导21远离第二光波导22的一端与悬臂梁12与基座11固定的一端同向。

在一些示例中，第一光波导21与第二光波导22的交界面可以形成第一光反射面221。在一些示例中，第一光波导21与第二光波导22之间形成的第一光反射面221平整且光滑。在一些示例中，第三光波导23与第二光波导22的交界面可以形成第二光反射面222。在一些示例中，第三光波导23与第二光波导22之间形成的第二光反射面222平整且光滑。在一些示例中，第一光反射面221与第二光反射面222相互平行。在这种情况下，有利于光线以垂直光反射面的方式进入法珀腔，经由第三光波导23进入法珀腔的光线可以在第一光反射面221与第二光反射面222之间进行反复反射，由此，有利于形成较强的干涉光信号。

在一些示例中，第一光波导21可以是圆柱形光波导，即第一光波导21可以是光纤。优选地，第一光波导21可以是镀金单模光纤。在这种情况下，第一光波导21可以在高温下正常工作，并且具有且耐酸碱腐蚀性、高抗弯曲强度和密封性，也方便了第一光波导21进行焊接。在一些示例中，第一光波导21可以由耐高温材料制备而成，例如全石英制备而成。由此，第一光波导21可以在较高的温度下正常工作。

在一些示例中，第一光波导21远离第二光波导22的端面的反射率小于0.01％。在这种情况下，经由第一光反射面221进入第一光波导21的光信息在第一光波导21远离第二光波导22的端面再次进行反射回到第一光反射面221的光信号很少，不会造成过多的干扰光信号。

在一些示例中，第一光波导21远离第二光波导22的端面进行打毛处理。在这种情况下，第一光波导21远离第二光波导22的端面是粗糙不平的。由此，经由第一光反射面221进入第一光波导21的光信息不会在第一光波导21远离第二光波导22的一端再次进行反射回到第一光反射面221后造成干扰光信号。

在一些示例中，第一光波导21远离第二光波导22的端面可以不平行于第一光反射面221或第二光反射面222，换言之第一光波导21远离第二光波导22的一端的端面与第一光反射面221或第二光反射面222形成倾斜的角度。在这种情况下，经由第一光反射面221进入第一光波导21的光信息不会在第一光波导21远离第二光波导22的一端再次进行反射回到第一光反射面221后造成干扰光信号。

在一些示例中，第一光波导21远离第二光波导22的端面可以做处理。在这种情况下，经由第一光反射面221进入第一光波导21的光信息不会在第一光波导21远离第二光波导22的一端再次进行反射回到第一光反射面221后造成干扰光信号。

在一些示例中，第二光波导22可以由石英制备而成。优选地，第二光波导22可以是中空石英玻璃管。在一些示例中，第二光波导22可以是圆柱形光波导。在一些示例中，第二光波导22可以是圆柱空心管结构。在一些示例中，第二光波导22可以是具有气体介质的长条形结构。

在一些示例中，第二光波导22的两端可以分别焊接在第一光波导21和第三光波导23朝向第二光波导22的端面上。在一些示例中，第二光波导22具有中空圆柱结构，第二光波导22的两端可以分别套设在第一光波导21和第三光波导23朝向第二光波导22的一端。第二光波导22中可以填充有介质，该介质可以为可透光的气体、液体或固体。在这种情况下，第二光波导22的折射率不同于第一光波导21和第三光波导23。

在一些示例中，第三光波导23可以由光纤制备而成。优选地，第三光波导23可以由镀金单模光纤制备而成。在这种情况下，第三光波导23可以在高温下正常工作，并且具有且耐酸碱腐蚀性、高抗弯曲强度和密封性，也方便了第三光波导23进行焊接。在一些示例中，第三光波导23可以由耐高温材料制备而成，例如全石英制备而成。由此，第三光波导23可以在较高的温度下正常工作。

在一些示例中，第三光波导23可以是圆柱形光波导。在一些示例中，第三光波导23可以向远离第二光波导22的方向延伸，并通过光学耦合系统与传输单元3非接触连接。

在本实施方式中，第一光波导21和第三光波导23可以为结构相同的镀金单模光纤，第二光波导22可以为中空石英玻璃管，第一光波导21、第二光波导22和第三光波导23依次连接后形成法珀腔。在一些示例中，第一光波导21的外径可以为125μm，第三光波导23的外径可以为125μm，第二光波导22的外径可以为125μm，第二光波导22的内径可以为50μm。

在一些示例中，第一光波导21的折射率可以相异于第二光波导22的折射率，第二光波导22的折射率也可以相异于第三光波导23的折射率。在这种情况下，经由第三光波导23进入第二光波导22的光信号会发生折射，并在第一光反射面221和第二光反射面222之间进行反射。在一些示例中，第一光波导21的折射率可以与第三光波导23的折射率相同。在另一些示例中，第一光波导21的折射率也可以与第三光波导23的折射率不相同。在一些示例中，第一光波导21、第二光波导22和第三光波导23之间的折射率可以各不相同。

在本实施方式中，经传输单元3传输的光信号可以经由第三光波导23入射到第二光反射面222，一部分光信号在第二光反射面222朝向第三光波导23的一面发生发射，这部分光信号可以称为第一反射光信号。另一部分光信号穿过第二光反射面222并进入第二光波导22，这一部分光信号在位于第二光波导22两端的第一光反射面221和第二光反射面222之间进行反射，反射的光信号穿过第二光反射面222重新进入第三光波导23，这一部分光信号可以称为第二反射光信号。第二反射光信号经由第三光波导23耦合进传输单元3中，第一反射光信号和第二反射光信号由此发生干涉，并通过传输单元3将干涉光信号传至光波解调设备5。在这种情况下，当外界力学参数发生变化时，质量块13因受振动作用而发生位移，从而改变法珀腔的腔长，使得干涉光条纹发生变化。此时，利用光波解调设备5对干涉光信号进行解调就能够获得法珀腔腔长的变化信息，从而最终获得振动的测量结果。

在一些示例中，第二光波导22的中心位置的横剖面可以经过悬臂梁12形变时变化最大的区域。换言之，当质量块13感应于振动发生位移以使悬臂梁12发生形变，悬臂梁12的中央为受应力形变最大的位置，第二光波导2的中心位置的横剖面可以经过该位置。第二光波导22跟随悬臂梁12一起发生形变，位于第二光波导22内的法珀腔的腔长由于形变而发生变化。在这种情况下，即在振动环境下，第二光波导22位于悬臂梁12应变最大的位置，能够使法珀腔更易于发生形变，从而使法珀腔的腔长变化更大，更易于振动传感器1感受振动的变化，从而得到更精确的测量结果。

参见图4a和图4b，图4a为外部环境静止时振动信号耦合单元20的示意图，第二光波导22内的法珀腔的腔长为L₀。图4b为外部环境振动时振动信号耦合单元20的示意图，第二光波导22内地法珀腔的腔长为L₁，腔长L₁的长度随着质量块13震动时所处的不同位置而变化。在两种不同的状态下，腔长L₀不等于腔长L₁。在一些示例中，腔长L₀可以留有预设距离，例如预设距离可以为0.1mm至1.2mm，优选的，预设距离为617.9947μm。

在本实施方式中，振动传感器1还包括振动信号传输单元，参见图1，振动信号传输单元可以是光信号通过光学耦合系统与第三光波导23非接触连接的传输单元3。第三光波导23远离第二光波导22的一端的端面与传输单元3的朝向第三光波导23一端的端面光滑平整且平行，且中间可以填充可透光的气体、液体或固体等介质。在这种情况下，光信号可以在振动信号传输单元和振动信号耦合单元20之间稳定传输。在一些示例中，传输单元3可以是第三光波导23向远离第二光波导22延伸的一端，即第三光波导23本身对光信号和干涉信号进行传输。

图5a是本公开示例所涉及的干涉变化的示意图。图5b是本公开示例所涉及的干涉变化的示意图。

在一些示例中，第一光反射面221可以作为法珀腔的一个反射面，第二光反射面222可以作为法珀腔的另一个反射面。光线通过传输单元3进入法珀腔之后，可以在两个反射面之间发生反射，由此叠加形成干涉光信号，干涉光信号可以耦合进传输单元3中进行传输。由于干涉光信号携带了法珀腔的腔长信息，当质量块13在外界待测力学参数的作用下发生位移时，悬臂梁12受应力作用开始发生形变，以使设置于悬臂梁12的振动信号耦合单元20发生形变，而第二光波导22位于悬臂梁12应变最大的位置，因此第二光波导22的形变最为明显，相应的第一光波导21、第三光波导23与第二光波导22形成的法珀腔的腔长也会发生变化，干涉光信号携带的信息(例如相位信息)也会相应地发生变化，通过光波解调设备5接收并处理干涉光信号即可获得腔长的变化信息，进而获得外界振动量的信息。

在一些示例中，参见图5a和图5b，外部环境处于静止状态时，进入第二光波导22的光信号会在第一光反射面221和第二光反射面222之间进行反射，此时第一光反射面221和第二光反射面222之间的距离未发生变化，光信号在第一光反射面221和第二光反射面222之间的行程保持不变。当振动传感器1进行测量工作时，在外部振动的作用下，质量块13发生位移以使第二光波导22发生形变，此时第一光反射面221和第二光反射面222之间的距离发生变化，光信号在第一光反射面221和第二光反射面222之间的行程不同，从而改变谐振条件，造成投射峰发生移动，从而形成不同的干涉光信号。干涉光信号在传输单元3处耦合后传输至光波解调设备5，从而计算出法珀腔的腔长变化，获得振动信息(即外部力学数据参数)。

在本公开中，所描述的无机胶，也可以是无机耐高温胶。由此，无机胶的粘合力更强，耐火耐高温，抗冲击力好，无毒无物质挥发。在这种情况下，利用石英材料制成的全石英光波导法珀振动传感器1能够在高温环境下稳定地工作，获得更精确的测量结果。

另外，虽然以上结合附图和示例对本公开进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本公开。本领域技术人员在不偏离本公开的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本公开进行变形和变化，这些变形和变化均落入本公开的范围内。

Claims (9)

1.一种光波导法珀振动传感器，其特征在于，包括敏感单元和振动信号耦合单元，所述敏感单元包括基座、悬置于所述基座且呈长条状的悬臂梁、以及质量块，所述质量块设置于所述悬臂梁远离所述基座的一端，所述振动信号耦合单元包括沿着所述悬臂梁的轴向依次连接且布置于所述悬臂梁的第一光波导、第二光波导和第三光波导，所述第二光波导的折射率相异于所述第一光波导的折射率和所述第三光波导的折射率，所述第一光波导与所述第二光波导的交界面、以及所述第三光波导与所述第二光波导的交界面分别形成相互平行的第一光反射面和第二光反射面，所述质量块感应于振动而发生位移以使所述悬臂梁、以及所述第二光波导发生形变，以使所述第一光反射面与所述第二光反射面之间的距离发生变化。

2.如权利要求1所述的光波导法珀振动传感器，其特征在于：所述第一光波导远离所述第二光波导的端面的反射率小于0.01％。

3.如权利要求1所述的光波导法珀振动传感器，其特征在于：所述第一光波导远离所述第二光波导的端面不平行于所述第一光反射面。

4.如权利要求1所述的光波导法珀振动传感器，其特征在于：所述第一光波导、所述第二光波导和所述第三光波导为圆柱形光波导。

5.如权利要求4所述的光波导法珀振动传感器，其特征在于：所述第一光波导的轴心、所述第二光波导的轴心、与所述第三光波导的轴心位于同一直线。

6.如权利要求4所述的光波导法珀振动传感器，其特征在于：所述第二光波导的中心位置的横剖面经过所述悬臂梁形变时变化最大的区域。

7.如权利要求1所述的光波导法珀振动传感器，其特征在于：所述敏感单元由第一预定材料制备而成，所述第一预定材料包括单晶硅、石英、蓝宝石或氧化镁中的一种或多种。

8.如权利要求1所述的光波导法珀振动传感器，其特征在于：所述振动信号耦合单元由第二预定材料制备而成，所述第二预定材料包括石英或蓝宝石中的一种或多种。

9.如权利要求1至8任一项所述的光波导法珀振动传感器，其特征在于：经由所述第三光波导进入所述第二光波导的光线在所述第一光反射面与所述第二光反射面之间进行反射。

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