CN117054684A - 一种光传感装置、检测系统、检测方法及交通工具 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光传感装置、检测系统、检测方法及交通工具，其中，该光传感装置包括光纤、配重部件和应变部件，应变部件的一端与光纤连接，应变部件包括反射腔，反射腔相对的两端分别设置有第一反射面和第二反射面，第一反射面和第二反射面用于反射光纤传输来的光。配重部件与应变部件背离光纤的一端连接，用于挤压应变部件，使得应变部件的反射腔的腔长改变。本申请提供的光传感装置，利用光学原理可以根据应变部件中腔长的变化量来反映加速度的变化，结构简单，成本低，信号处理方便，可响应较高频段的加速度信号，能够应用于多种加速度、振动、冲击测试等场景。

Description

一种光传感装置、检测系统、检测方法及交通工具

技术领域

本申请涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光传感装置、检测系统、检测方法及交通工具。

背景技术

基于机动车以及零部件的状态监测场景，要求随车检测传感器具备低成本、无源器件、抗电磁干扰、体积小型化可嵌入等特点。

传统的加速度计一般利用压电陶瓷(PZT)的压电效应，可实现声波段的振动检测且有较高的动态范围以及分辨率，但由于较强压电特性，在强电场干扰、易燃、潮湿、油性等环境中难以使用，具有较大的使用局限性。

发明内容

本申请的目的在于提供一种光传感装置、检测系统、检测方法及交通工具，以解决上述传统的压电陶瓷加速度计因其较强的压电特性而导致使用受限的问题。

本申请第一方面提供一种光传感装置，其中，包括：光纤、配重部件和应变部件，

所述应变部件的一端与所述光纤连接，所述应变部件包括反射腔，沿所述反射腔的长度方向，所述反射腔的一端设置有第一反射面，所述反射腔的另一端设置有第二反射面，所述第一反射面和所述第二反射面用于反射所述光纤传输来光；所述配重部件与所述应变部件背离所述光纤的一端连接，用于挤压所述应变部件，使得所述应变部件的所述反射腔的腔长改变，所述腔长为所述第一反射面和所述第二反射面之间的距离。

其中，经过光纤输入的激光，一部分可以在第一反射面发生反射，另一部分可以经过应变部件后在第二反射面发生反射，两部分反射回来的激光叠加后可以被探测器接收，并进而分析出第一反射面和第二反射面之间腔长的变化量。该腔长为反射腔在第一反射面和第二反射面之间的距离长度。在被测对象产生加速度变化时，应变部件可以受到配重部件的挤压，并能够发生形变，导致腔长变化，通过第一反射面和第二反射面反射回的激光可以计算得到腔长的变化量，进而可以得到振动信号，对信号处理后可用于评价被测对象的振动状态。

由此，该光传感装置，利用光学原理可以根据应变部件中腔长的变化量来反映加速度的变化，结构简单，成本低，信号处理方便，可响应较高频段的加速度信号，能够应用于多种加速度变化量大的场景，如机动车及其零部件的振动检测，风电电机振动监控和健康管理，飞机发动机振动监控，防爆防火场景以及强EMC(电磁兼容)场景等。

在一种可能的设计中，所述光纤包括第一纤芯和第一套管，所述第一套管套设于所述第一纤芯，所述第一套管在所述第一纤芯靠近所述应变部件的一端具有安装端，所述第一套管的安装端连接于所述应变部件，所述第一纤芯靠近所述应变部件的一端与所述反射腔在所述反射腔的长度方向上对齐。

其中，第一套管固定包裹于第一纤芯的外侧，可以对第一纤芯进行保护。另外，第一套管的端部抵接于应变部件背离配重部件的一侧，可以在应变部件受到配重部件的挤压时提供支撑，便于应变部件发生形变，同时又不会损坏第一纤芯。

在一种可能的设计中，所述应变部件的材料为弹性材料。

其中，在应变部件受到配重部件的挤压时，应变部件可以发生弹性变形，使反射腔的长度缩短；在应变部件受到的挤压力逐渐减小时，应变部件可以恢复变形，使反射腔的长度变长。由此，在被测对象受到振动或加速度变化时，应变部件可以受到配重部件的反复挤压，从而使腔长反复发生变化，根据腔长的反复变化的数据最终可以转化为加速度频谱，用于评价被测对象的振动状态。

在一种可能的设计中，所述应变部件的材料为橡胶、硅胶、石英玻璃、石英晶体、硅晶体、陶瓷材料、有机玻璃或光刻胶等。

在一种可能的设计中，沿所述应变部件的厚度方向，所述第一反射面为所述应变部件靠近所述光纤一端的表面，所述第二反射面为所述应变部件靠近所述配重部件一端的表面。

其中，激光可以在应变部件内传输，应变部件可以通过配重部件的挤压在平行于激光传输方向上变形，而不会发生弯曲，通过应变部件的变形量可以直接等效腔长的变化量，有利于准确获取腔长变化量。

在一种可能的设计中，所述第一纤芯靠近所述应变部件一端的端面为斜面。从而可以消除在第一纤芯端面处的轴向反射，从而避免第一纤芯端面反射的部分激光与第一反射面和第二反射面所反射的激光相叠加，影响检测结构准确性。

在一种可能的设计中，所述第一反射面上设有第一反射膜。

其中，该第一反射膜可以为一种弱反射膜层，其反射率可以达到30％～40％，相比于采用应变部件表面的反射方案，该第一反射膜可以增强第一反射面的反射光强。

在一种可能的设计中，所述第二反射面上设有第二反射膜，所述第二反射膜的反射率高于所述第一反射膜的反射率。

其中，该第二反射膜可以为全反射膜层，其反射率可以大于90％。通过在第一反射面和第二反射面设置反射膜，可以形成光强相等的双光束干涉以提高动态范围。

在一种可能的设计中，沿所述应变部件的厚度方向，所述应变部件设置有通孔，所述光纤靠近所述应变部件的一端与所述通孔轴向对齐。

其中，反射腔为一种中空腔体，其内部填充空气介质，激光从该中空的反射腔内传输。对于应变部件的材料，可以为透光材料，也可以为不透光材料，应变部件具有弹性变形的能力即可。也就是说，通过在应变部件中开设通孔的方式，可以拓宽应变部件材料选择的范围，尤其对于不透光的材料而言，开孔可增加应变部件材料的选择性，例如，对于加速度较小的场景，可以优选适用硅胶、光刻胶以及光UV胶等弹性材料。

在一种可能的设计中，所述通孔沿轴向的投影面积大于或等于所述第一反射面和第二反射面的面积，从而有利于穿过第一反射面的光能够几乎全部进入反射腔，并能够被第二反射面反射。

在一种可能的设计中，所述应变部件为非透光材料。非透光材料可以降低外界光线的干扰，使检测结果更准确。

在一种可能的设计中，所述第一纤芯靠近所述应变部件的一端的端面为所述第一反射面。

其中，第一纤芯中传输的部分激光可以在其端面发生第一次反射，另一部分激光可以进入反射腔，并经过第二反射面发生第二次反射。该第一反射面和第二反射面相互平行，可以使两次反射回的激光轴向叠加。

在一种可能的设计中，所述配重部件为反射镜，所述反射镜靠近所述应变部件的一端的表面为所述第二反射面。

其中，该反射镜具有一定的厚度和重量，其自身可以作为一种质量块，以实现挤压应变部件发生变形的功能，同时，其靠近应变部件一端的表面为镜面，该镜面可以作为第二反射面，能够实现光的全反射，其反射率高于金属材料的质量块，具有更好的反射效果。

在一种可能的设计中，所述应变部件包括第二纤芯和第二套管，所述第二套管固定套设于所述第二纤芯，所述第二套管沿光传播方向的一端与所述第一套管连接，所述第二套管沿光传播方向的另一端与所述配重部件连接，所述第二纤芯背离所述第一纤芯的一端与所述配重部件连接；所述第二纤芯靠近所述第一纤芯的一端的端面为所述第一反射面，所述第二纤芯与所述配重部件连接的一端的端面为所述第二反射面。

其中，该第二纤芯可以具有更高的灵敏度，能够检测平行于激光传输方向的微小的振动。

在一种可能的设计中，所述应变部件为第三纤芯，所述第三纤芯靠近所述第一纤芯的一端的端面为所述第一反射面，所述第三纤芯背离所述第一纤芯的一端的端面为所述第二反射面；所述配重部件包括第一质量块和第二质量块，沿垂直于所述第三纤芯的延伸方向，所述第一质量块和所述第二质量块夹持于所述第三纤芯相对的两端，且所述第一质量块与所述第二质量块之间保持有间隙。

其中，当振动的方向垂直于第三纤芯的延伸方向时，即在振动的方向垂直于激光的传输方向时，第一质量块和第二质量块可以相互靠近，从而可以对第三纤芯施加挤压力，使第三纤芯在挤压力的方向上发生变形，同时，第三纤芯因自身的弹性特性，可以在垂直于挤压力的方向上也发生变形，由此，可以使反射腔的腔长发生变化，从而根据该腔长的变化能够检测出在垂直于激光传输方向的振动。

在一种可能的设计中，所述应变部件通过光学胶水与所述光纤粘接固定。从而可以便于对应变部件的连接固定。

在一种可能的设计中，所述光传感装置还包括外壳，所述第一套管、所述应变部件和所述配重部件均设置于所述外壳中；所述第一套管与所述外壳的内壁固定相连；所述配重部件与所述第一套管相连，和/或所述配重部件背离所述第一套管的一端通过弹性部件与所述外壳的内壁相连。

该外壳可以实现对其内部的第一套管、应变部件、配重部件等部件的保护，该外壳也可以作为固定面安装于被测对象，以使该光传感装置能够与被测对象同步运动，从而可以实现对被测对象的振动及加速度检测。

在一种可能的设计中，所述弹性部件的材料为橡胶、硅胶、石英玻璃、石英晶体、硅晶体、陶瓷材料、有机玻璃或光刻胶，或者所述弹性部件为弹簧。

在一种可能的设计中，所述第一套管与所述外壳螺纹连接。从而可以保证第一套管与外壳固定连接的稳定性，保证光纤与外壳同步运动。

在一种可能的设计中，所述配重部件与所述第一套管螺纹连接。从而可以便于配重部件安装，同时可以使配重仅在平行于激光传输的方向上运动，以检测平行于激光传输方向上的振动。

在一种可能的设计中，所述第一套管上设置有第一磁性件，所述配重部件上设置有第二磁性件，所述配重部件通过所述第一磁性件和所述第二磁性件的磁性吸合与所述第一套管相连。通过第一磁性件和第二磁性件的配合，可以实现对配重部件的连接安装，还可以将应变部件限位在配重部件和第一套管之间，方便了配重部件和应变部件的安装。

在一种可能的设计中，所述第一磁性件和所述第二磁性件之间设置有缓冲层。该缓冲层可以为胶水层或者薄垫片，通过缓冲层可以填充第一磁性件和第二磁性件之间的间隙，使第一磁性件和第二磁性件的吸合更可靠。

本申请的第二方面提供了一种检测系统，其包括分光器、激光器、光探测器、跨阻放大器、模拟数字转换器和本申请第一方面提供的光传感装置；

所述激光器与所述分光器相连，用于向所述分光器输出光；

所述分光器分别与所述光传感装置和所述光探测器相连，所述分光器用于将接收的光按比例分成两部分，一部分光输入至所述光传感装置，另一部分光输入至所述光探测器；

所述光探测器与所述跨阻放大器相连，所述光探测器能检测出入射到其面上的光功率，并把光功率的变化转化为电流输入至所述跨阻放大器；

所述跨阻放大器与所述模拟数字转换器相连，所述跨阻放大器用于将光电流转换成电压信号输出至所述模拟数字转换器，所述模拟数字转换器采样获得数字信号，所述数字信号经过快速傅里叶变换得到频谱。

本申请的第三方面还提供了一种检测方法，其采用本申请第二方面提供的检测系统，所述方法包括如下步骤：

步骤S1、将光传感装置安装于被测对象上；

步骤S2、打开激光器以及探测器，调节足够的光功率到探测器的动态响应范围；

步骤S3、根据回波损耗，设置激光器的出光光强；

步骤S4、使激光器调谐波长范围覆盖一个干涉周期，通过检测整周期干涉谱确定斜率最大的波长为振动检测最佳工作点，并且通过所述工作点的波长值确定当前温度；

步骤S5、经过模拟数字转换器采用后获得的电信号进行低通数字滤波处理；

步骤S6、对信号进行数字快速傅里叶变换获得信号频谱。

在一种可能的设计中，所述将光传感装置安装于被测对象上，具体包括：

将所述光传感装置安装于被测对象的表面，或者至少部分嵌设于被测对象的内部，或者嵌设于被测对象上已有的传感器中。

本申请的第四方面还提供了一种交通工具，其包括本申请第二方面提供的检测系统。

在一种可能的设计中，所述交通工具包括发动机或发电机，所述光传感装置安装于所述发动机或所述发电机上。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为本申请实施例提供的检测系统的结构示意图；

图2为交通工具的结构示意图；

图3为图1中光传感装置的放大图；

图4为本申请实施例提供的光传感装置嵌入被测对象的示意图；

图5为本申请实施例提供的光传感装置与被测对象接触的示意图；

图6为本申请实施例提供的光传感装置嵌入被测对象的已有传感器中的示意图；

图7为本申请实施例提供的光传感装置检测15kHz振动信号时的振动频谱图；

图8为本申请实施例提供的光传感装置的结构示意图(一)；

图9为本申请实施例提供的光传感装置的结构示意图(二)；

图10为本申请实施例提供的光传感装置的结构示意图(三)；

图11为本申请实施例提供的光传感装置的结构示意图(四)；

图12为图11的右视图；

图13为本申请实施例提供的光传感装置的结构示意图(五)；

图14为配重部件与第一套管通过第一磁性件和第二磁性件配合连接的示意图；

图15为第一磁性件和第二磁性件之间具有缓冲件的结构示意图；

图16为本申请实施例提供的检测方法的流程图。

附图标记：

1-光传感装置；

11-光纤；

111-第一纤芯；

111a-斜面；

112-第一套管；

112a-第一磁性件；

12-应变部件；

121-反射腔；

122-第二纤芯；

123-第二套管；

124-第三纤芯；

125-通孔；

13-配重部件；

131-第一质量块；

132-第二质量块；

133-间隙；

134-反射镜；

135-第二磁性件；

14-第一反射面；

15-第二反射面；

16-第一反射膜；

17-第二反射膜；

18-外壳；

2-激光器；

3-探测器；

4-跨阻放大器；

5-模拟数字转换器；

6-分光器；

7-被测对象；

71-已有传感器；

8-缓冲件；

9-弹性部件；

100-交通工具；

101-发动机。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

具体实施方式

为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

目前，较多的领域均需要对振动进行检测或监控，如机动车及其零部件的振动检测，风电电机振动监控和健康管理，飞机发动机振动监控，防爆防火场景以及强EMC(电磁兼容)场景等。

其中，尤其在机动车领域，随着新能源汽车的急速增长以及电池刹车等引发的安全问题增多，基于对机动车进行PHM(Prognostics and Health Management)和PDM(Predictive Maintenance)维护的目标，新能源汽车的安全规范有了进一步完善。其中，对机动车及其零部件的振动检测对于启动车的安全性评价尤为重要。目前，基于机动车以及零部件的状态监测场景，要求随车检测传感器具备低成本、无源器件、抗电磁干扰、声频甚至超声频段、体积小型化可嵌入等特点。

然而，传统的加速度计一般利用压电陶瓷(PZT)的压电效应，可实现声波段的振动检测且有较高的动态范围以及分辨率，但由于较强压电特性，在强电场干扰、易燃、潮湿、油性等环境中难以使用，具有较大的使用局限性。

图1为本申请实施例提供的检测系统的结构示意图，如图1和图2所示，本申请提供了一种光传感装置1、检测系统及交通工具100，该检测系统可以应用于交通工具100中，如乘用车、商务车、摩托车等机动车，当然也可以应用于机动车零部件状态检测、风电电机振动监控和健康管理、飞机发动机振动监控、防爆防火场景以及强EMC(电磁兼容)场景等。本实施例中，该检测系统以应用在交通工具100场景为例进行说明，具体地，光传感装置1安装在燃油车的发动机101上，用于检测发动机101的振动，或者安装在电动车的电机上，用于检测电机的振动。

如图1所示，本实施例提供的检测系统包括分光器6、激光器2、光探测器3、跨阻放大器4、模拟数字转换器5和本申请实施例提供的光传感装置1。

其中，激光器2与分光器6相连，用于向分光器6输出光。该激光器2可依照使用场景以及检测灵敏度选择线宽合适的激光器2，本实施例中可使用2kHz、10kHz、100kHz、300kHz、1MHz激光器2。更优选的是，该激光器2可以为单纵模激光器2，且该单纵模激光器2为10kHz窄线宽激光器2。

分光器6分别与光传感装置1和光探测器3相连，分光器6用于将接收的光按比例分成两部分，一部分光输入至光传感装置1，另一部分光输入至光探测器3。本实施例中，该分光器6可以将输入光分成50:50两部分，其中50％的激光输入光传感装置1，另外50％的激光输入光探测器3。

光探测器3与跨阻放大器4相连，光探测器3能检测出入射到其面上的光功率，并把光功率的变化转化为电流输入至跨阻放大器4。跨阻放大器4与模拟数字转换器5相连，跨阻放大器4用于将光电流转换成电压信号输出至模拟数字转换器5，模拟数字转换器5采样获得数字信号，数字信号经过快速傅里叶变换得到频谱。

其中，由上述分光器6、激光器2、光探测器3、跨阻放大器4、模拟数字转换器5和本申请实施例提供的光传感装置1构成了一种光纤11式干涉装置，连续波单纵模激光经过分光器6输入到光传感装置1，回波经过分光器6由探测器3接收，对接收到的电信号进行滤波及快速傅立叶变换后可获得加速度频谱。该频谱可以反映出汽车及其零部件的振动状态，进而可以判断汽车的安全性。

其中，图3为图1中光传感装置1的放大图，如图3所示，对于光传感装置1，其具体包括光纤11、配重部件13和应变部件12。其中，光纤11是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。

配重部件13是具有一定质量的结构，其可以根据使用环境选用多种材料，如氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷等非金属材料或者金属材料。在该光传感装置1接收到加速度变化时，该配重部件13通过自身的质量可以对应变部件12产生挤压力，使应变部件12在平行于挤压力方向或垂直于挤压力方向发生变形。

该配重部件13可以根据应变部件12材料的杨氏模量以及待测试加速度范围选用合适的配重质量。例如，石英切片杨氏模量约2.8kN/mm，配重部件13的质量与加速度的乘积为作用到应变部件12上的力。在加速度范围和作用到应变部件12上的力可控时，可以适配合适质量的配重部件13。

本实施例提供的光传感装置1中，如图1所示，应变部件12的一端与光纤11连接，应变部件12背离光纤11的一端与配重部件13连接，本实施例中，应变部件12可以与光纤11和配重部件13直接接触，应变部件12包括反射腔121，沿所述反射腔121的长度方向，反射腔121的一端设置有第一反射面14，反射腔121的另一端设置有第二反射面15，第一反射面14用于反射光纤11传输来的一部分光，第二反射面15用于反射光纤传输来的另一部分经过反射腔121的光。其中，配重部件13用于在产生加速度的情况下挤压应变部件12，使应变部件12发生弹性变形，改变反射腔121的腔长，腔长121为第一反射面14和第二反射面15之间的距离。

光纤11输入的激光，一部分可以在第一反射面14发生反射，另一部分可以经过应变部件12的反射腔121后在第二反射面15发生反射，两部分反射回来的激光叠加后可以被探测器3接收，并进而分析出第一反射面14和第二反射面15之间腔长的变化量。该腔长为反射腔121在第一反射面14和第二反射面15之间的距离长度。在被测对象7产生加速度变化时，应变部件12可以受到配重部件13的挤压，并能够发生形变，导致腔长变化，通过第一反射面14和第二反射面15反射回的激光可以计算得到腔长的变化量，进而可以得到振动信号，对信号处理后可用于评价被测对象7的振动状态。

本申请实施例提供的光传感装置1，利用光学原理可以根据应变部件12中腔长的变化量来反映加速度的变化，结构简单，成本低，信号处理方便，可响应较高频段的加速度信号，能够应用于多种加速度变化量大的场景，如机动车及其零部件的振动检测，风电电机振动监控和健康管理，飞机发动机振动监控，防爆防火场景以及强EMC(电磁兼容)场景等。

此外，需要说明的是，传统的加速度计一般利用压电陶瓷(PZT)的压电效应，可实现声波段的振动检测且有较高的动态范围以及分辨率，但其也具有较大的使用局限性，例如：由于较强压电特性，在强电场干扰、易燃、潮湿、油性等环境中难以使用；由于压电陶瓷材料的蠕变性，加速度计需要定期校准使用；包含电极片、压电陶瓷、配重等部件，考虑到有源特点，结构相对复杂，成本难以降低；机械安装设计较复杂，需要在设计阶段预埋测点，无法灵活部署。

本申请实施例提供的光传感装置1，利用光学特性及原理，可以抗电磁干扰，对测点要求低。相对于传统加速度计的基频可提高一个数量级，应变部件12的材料选择空间相比于传统压电材料较大，材料蠕变性远低于压电陶瓷材料。本实施例的检测系统所测量得到的应变部件12的形变量为绝对值，无需频率校准操作。该光传感装置1整体大小可控，为无源光器件，可嵌入被测对象7中，或与被测对象7接触，或嵌入已有传感器71，具有多种部署方式，能够检测平行于激光传输方向或垂直于激光传输方向上的振动。其中，如图4所示，对于嵌入被测对象7的方式，可以在被测对象7上预留孔或槽等结构，也可以利用被测对象7上已有的孔或槽等结构，将该光传感装置1嵌入至孔或槽中。如图5所示，对于与被测对象7接触的方式，可以通过胶或固定装置等将该光传感装置1固定于被测对象7上，如固定在被测对象7的表面。如图6所示，对于嵌入已有传感器71的方式，可以在被测对象7的已有传感器71中嵌入该光传感装置1，从而可以减少对被测对象7的空间的占用。

具体地，如图16所述，该包括该光传感装置1的检测系统可以按如下步骤进行检测操作：

步骤S1、将光传感装置1安装于被测对象7上，具体可以嵌入被测对象7中，或与被测对象7接触，或嵌入被测对象7上的已有传感器71。

步骤S2、打开激光器2以及探测器3，调节足够的光功率到探测器3的动态响应范围。

步骤S3、根据回波损耗，设置激光器2的出光光强。

步骤S4、使激光器2调谐波长范围覆盖一个干涉周期，等间隔波长调谐采集100～1000个点，单点采集0.2s进行平均以减少振动信号的影响，通过检测整周期干涉谱可确定斜率最大的波长为振动检测最佳工作点，并且通过该工作点的波长值确定当前温度。

需要说明的是，应变部件12的厚度受温度影响而发生变化，温度变化频率小于振动信号频率，通过检测系统自检确定斜率最大的波长为振动检测最佳工作点，可以得知和排除在当前检测环境下温度对应变部件12材料厚度的影响，使该检测系统在不同检测环境下能够同时正常感知环境温度和振动信号。

步骤S5、经过模拟数字转换器5采用后获得的电信号进行低通数字滤波处理，或者在跨阻放大器4后端加低通RC无源滤波器或者集成有源低通模拟滤波器滤波处理，对于声频段滤波截止频率设置约200kHz左右。

步骤S6、检测系统获得滤波后对信号进行数字快速傅里叶变换获得信号频谱。

图7为本申请实施例提供的光传感装置1检测15kHz振动信号时的振动频谱图，该15kHz振动信号可以由振动源产生，本实施例中，振动源可以为压电陶瓷(PZT)，该光传感装置1可以安装在PZT上，并可以检测由PZT产生的15kHz振动信号，并得到如图7所示的振动频谱。

图8为本申请一种实施例提供的光传感装置1的结构示意图，如图8所示，具体地，光纤11包括第一纤芯111和第一套管112，第一套管112套设于第一纤芯111，第一套管112在第一纤芯111靠近所述应变部件12的一端具有安装端，第一套管112的安装端连接于应变部件12，第一纤芯111靠近所述应变部件12的一端与反射腔121在反射腔121的长度方向上对齐，该反射腔121的长度方向为垂直于第一反射面14和第二反射面15的方向，入射激光可以从第一纤芯111的端部输出至第一反射面14及第二反射面15。

可以理解的是，第一纤芯111一般为石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，性脆，易断裂。第一套管112固定包裹于第一纤芯111的外侧，可以对第一纤芯111进行保护。另外，第一套管112的端部抵接于应变部件12背离配重部件13的一侧，可以在应变部件12受到配重部件13的挤压时提供支撑，便于应变部件12发生形变，同时又不会损坏第一纤芯111。

其中，第一套管112的外径可以远大于第一纤芯111的外径，从而可以使第一套管112与应变部件12之间具有较大的接触面积，提升对应变部件12支撑的可靠性。

第一套管112的材料可以为陶瓷、不锈钢等，其具有相对于纤芯和应变材料较硬的材质特性，一方面可以实现对纤芯的有效保护，另一方面也可以对应变部件12提供稳定支撑，有利于应变部件12与配重部件13配合的一侧受压变形。

具体地，应变部件12的材料可以为弹性材料，在应变部件12受到配重部件13的挤压时，应变部件12可以发生弹性变形，使反射腔121的长度缩短；在应变部件12受到的挤压力逐渐减小时，应变部件12可以恢复变形，使反射腔121的长度变长。由此，在被测对象7受到振动或加速度变化时，应变部件12可以受到配重部件13的反复挤压，从而使腔长反复发生变化，根据腔长的反复变化的数据最终可以转化为加速度频谱，用于评价被测对象7的振动状态。

具体地，弹性材料可以为橡胶、硅胶、石英玻璃、石英晶体、硅晶体、陶瓷材料、有机玻璃或光刻胶等。该弹性材料能够使应变部件12发生微量的弹性变形即可。

在一种具体的实施例中，如图8所示，应变部件12可以为透光材料，并可以为具有一定厚度的片状，沿应变部件12的厚度方向，第一反射面14为应变部件12靠近光纤11一端的表面，第二反射面15为应变部件12靠近配重部件13一端的表面。

其中，应变部件12为一种结构密度均匀的透光薄片，应变部件12的材料可以为透光的石英玻璃、石英晶体、硅晶体、有机玻璃等，激光可以在应变部件12内传输。沿应变部件12的厚度方向，也即沿反射腔121的腔长方向，应变部件12的两侧表面可以分别形成为第一反射面14和第二反射面15，其中，第一反射面14可以为应变部件12上靠近光纤11的一侧表面，第二反射面15可以为应变部件12上靠近光纤11的一侧表面，该第二反射面15与配重部件13抵接。通过第一纤芯111输出的入射光一部分可以在第一反射面14被反射，另一部分可以经过应变部件12在第二反射面15被反射。

需要说明的是，第一纤芯111靠近所述应变部件12的一端的端面也相当于一个反射面，在激光从第一纤芯111的端面输出时，少部分的激光可以被第一纤芯111的端面反射，这部分反射光与第一反射面14和第二反射面15的反射光叠加形成三重反射，这会导致在根据第一反射面14和第二反射面15的反射光计算反应部件的形变量过程中造成干扰，导致频谱不能准确反应被测对象7的振动状态。

为此，本实施例中，如图8所示，将第一纤芯111靠近所述应变部件12的一端的端面设计为斜面111a，可以消除在第一纤芯111端面处的轴向反射，从而避免第一纤芯111端面反射的部分激光与第一反射面14和第二反射面15所反射的激光相叠加，影响检测结构准确性。

其中，如图8所示，第一反射面14可以为应变部件12靠近光纤11的一端的表面，还可以在该第一反射面14上设置第一反射膜16，该第一反射膜16可以仅设在应变部件12上与第一纤芯111对齐的位置，该第一反射膜16可以为一种弱反射膜层，其反射率可以达到30％～40％，相比于采用应变部件12表面的反射方案，该第一反射膜16可以增强第一反射面14的反射光强。

此外，如图8所示，第二反射膜17为应变部件12远离光纤11的一端的表面，第二反射面15上可以设置有第二反射膜17，第二反射膜17的反射率高于第一反射膜16的反射率。本实施例中，第二反射膜17可以为全反射膜层，其反射率可以大于90％。通过在第一反射面14和第二反射面15设置反射膜，可以形成光强相等的双光束干涉以提高动态范围。

当然，在另一种实施例中，第一反射面14和第二反射面15也可以均不设置反射膜，也可以是第一反射面14设置反射膜，第二反射面15不设置反射膜，还可以是第一反射面14不设置反射膜，第二反射面15设置反射膜。在第二反射面15不设置反射膜时，配重部件13与应变部件12抵接的表面可以实现全反射的效果，例如，配重部件13为金属材料，从而使配重部件13与应变部件12接触的表面为金属表面，其反射率可以达到80％以上，也具有接近全反射的效果。其中，配重部件13上与应变部件12接触的表面的反射率可以根据如下公式确定：

R＝(n1-n2)²/(n1+n2)²

其中，R为反射率，n1为应变部件的折射率，n2为配重部件的折射率。

图9为本申请另一种实施例提供的光传感装置1的结构示意图，如图9所示，在另一种具体的实施例中，沿应变部件12的厚度方向，应变部件12设置有通孔125，光纤11靠近所述应变部件12的一端与通孔125轴向对齐。在通过配重部件13挤压应变部件12时，可以使通孔125的轴向长度也发生改变，即可以使反射腔121的腔长发生改变。

本实施例中，通孔125内为反射腔121，使反射腔121为一种中空腔体，其内部填充空气介质，激光从该中空的反射腔121内传输。对于应变部件12的材料，可以为透光材料，也可以为不透光材料，应变部件12具有弹性变形的能力即可。也就是说，通过在应变部件12中开设通孔125的方式，可以拓宽应变部件12材料选择的范围，尤其对于不透光的材料而言，开孔可增加应变部件12材料的选择性，例如，对于加速度较小的场景，可以优选适用硅胶、光刻胶以及光UV胶等弹性材料。其中，应变部件12的材料优选为非透光材料，非透光材料可以降低外界光线的干扰，使检测结果更准确。

其中，通孔沿轴向的投影面积大于第一反射面14和第二反射面15的面积，从而有利于穿过第一反射面14的光能够几乎全部进入反射腔121，减少光的损失，并能够被第二反射面15反射。

本实施例中，第一纤芯111靠近所述应变部件12的一端的端面可以为第一反射面14。第一纤芯111中传输的部分激光可以在其端面发生第一次反射，另一部分激光可以进入反射腔121，并经过第二反射面15发生第二次反射。该第一反射面14和第二反射面15相互平行，可以使两次反射回的激光轴向叠加。

其中，配重部件13可以为金属材料的质量块，质量块上与反射腔121对齐的表面可以作为第二反射面15，该表面为近似镜面的表面，具有接近全反射效果的反射率。

此外，如图9所示，该配重部件13也可以为反射镜134，反射镜134靠近应变部件12的一端形成为第二反射面15。该反射镜134具有一定的厚度和重量，其自身可以作为一种质量块，以实现挤压应变部件12发生变形的功能，同时，其靠近应变部件12一端的表面为镜面，该镜面可以作为第二反射面15，能够实现光的全反射，其反射率高于金属材料的质量块，具有更好的反射效果。

当然，配重部件13无论采用金属材料的质量块，还是采用反射镜134，均可以在配重部件13靠近应变部件12的一侧增加全反射膜层，以提升在第二反射面15处的反射光强。当然，在第一纤芯111的端面也可以增加弱反射膜层，以提升在第一反射面14处的反射光强，并通过弱反射膜层和全反射膜层的配合，使反射腔121的两端形成光强相等的双光束干涉，以提高动态范围。

图10为本申请又一种实施例提供的光传感装置1的结构示意图，如图10所示，作为一种具体的实现方式，应变部件12包括第二纤芯122和第二套管123，第二套管123固定套设于第二纤芯122，第二套管123沿光传播方向的一端与第一套管112连接，所述第二套管沿光传播方向的另一端与配重部件13连接，第二纤芯122背离第一纤芯111的一端与配重部件13连接。第二纤芯122靠近第一纤芯111的一端的端面为第一反射面14，第二纤芯122与配重部件13连接的一端的端面为第二反射面15。

该第二纤芯122可以与第一纤芯111相同，其材料可以为光纤11玻璃或高分子光纤11材料。第二套管123包裹于第二纤芯122的外部，以保护第二纤芯122，第二纤芯122靠近配重部件13一侧的端面可以与第二套管123靠近配重一侧的端面平齐，当配重挤压应变部件12时，第二套管123和第二纤芯122能够同时受力而发生变形。其中，该第二纤芯122的两侧端面之间的部分即为反射腔121，该两端面分别为第一反射面14和第二反射面15，其中，第二反射面15与配重部件13抵接，配重部件13的表面可以为具有高反射率的表面，如金属表面、镜面等。该第二纤芯122可以具有更高的灵敏度，能够检测平行于激光传输方向的微小的振动。

需要说明的是，第二套管123的材料可以与第一套管112的材料不同，第一套管112的材料可以为金属、陶瓷等硬度较大的材料，以提供对应变部件12的支撑力，第二套管123的材料为陶瓷、橡胶等硬度较小的材料，从而可以在配重部件13挤压时能够发生轻微的弹性变形。

图11为本申请再一种实施例提供的光传感装置1的结构示意图，图12为图11的右视图，如图11和图12所示，作为另一种具体的实现方式，应变部件12可以为第三纤芯124，第三纤芯124靠近第一纤芯111的一端的端面为第一反射面14，第三纤芯124背离第一纤芯111的一端的端面为第二反射面15。配重部件13包括第一质量块131和第二质量块132，沿垂直于第三纤芯124的延伸方向，第一质量块131和第二质量块132夹持于第三纤芯124相对的两端，且第一质量块131与第二质量块132之间保持有间隙133。

其中，第三纤芯124可以与第一纤芯111相同，其材料可以为光纤11玻璃或高分子光纤11材料。该第三纤芯124的两侧端面之间的部分即为反射腔121。当振动的方向垂直于第三纤芯124的延伸方向时，即在振动的方向垂直于激光的传输方向时，第一质量块131和第二质量块132可以相互靠近，从而可以对第三纤芯124施加挤压力，使第三纤芯124在挤压力的方向上发生变形，同时，第三纤芯124因自身的弹性特性，可以在垂直于挤压力的方向上也发生变形，由此，可以使反射腔121的腔长发生变化，从而根据该腔长的变化能够检测出在垂直于激光传输方向的振动。

其中，第三纤芯124两端的第一反射面14和第二反射面15均可以设置反射膜，以提升反射光强。

此外，第三纤芯124的截面形状可以为圆形、长方形、正方形等形状，对此本实施例不做限定。

作为一种具体的实现方式，为了便于对应变部件12的连接固定，应变部件12可以通过光学胶水与光纤11粘接固定。例如，当应变部件12为透光的实体或中间开孔的薄片时，应变部件12可以通过光学胶水粘接于光纤11的第一套管112；当应变部件12包括第二套管123和第二纤芯122时，第二套管123可以通过光学胶水粘接于第一套管112。

作为一种具体的实现方式，如图3所示，本实施例提供的光传感装置1还包括外壳18，第一套管112、应变部件12和配重部件13均设置于外壳18中。该外壳18可以实现对其内部的第一套管112、应变部件12、配重部件13等部件的保护，该外壳18也可以作为固定面安装于被测对象7，以使该光传感装置1能够与被测对象7同步运动，从而可以实现对被测对象7的振动及加速度检测。该外壳18的材料可以为金属或者陶瓷等非金属材料。

其中，第一套管112与外壳18的内壁固定相连，从而可以使光纤11与外壳保持相对静止，在该光传感装置1受到振动时，外壳18和光纤11保持同步运动。配重部件13与第一套管112相连，和/或配重部件13背离第一套管112的一端通过弹性部件与外壳18的内壁相连，如图13所示。在该光传感装置1随被测对象7振动时，通过弹性部件9和应变部件12的变形，使配重部件13的运动状态不与外壳18同步，而是在外壳18加速度变化的瞬间，配重部件13由于自身重量及惯性的因素，会与外壳18产生相对运动，从而可以实现对应变部件12的挤压，使应变部件12的腔长发生变化。

其中，弹性部件9的材料可以与应变部件12的材料相同，即弹性部件9的材料可以为橡胶、硅胶、石英玻璃、石英晶体、硅晶体、陶瓷材料、有机玻璃或光刻胶，或者弹性部件9为弹簧。

具体地，如图3和图13所示，第一套管112与外壳18螺纹连接，从而可以保证第一套管112与外壳18固定连接的稳定性，保证光纤11与外壳同步运动。

具体地，如图3所示，在一种实施例中，配重部件13与第一套管112可以采用螺纹连接的方式，具体可以是在第一套管112上设置外螺纹，在配重部件13上设置能够与该外螺纹配合的内螺纹，由于螺纹连接的方式会在外螺纹和内螺纹之间存在间隙，这种间隙远远大于300nm，而应变部件12的变形量远小于300nm，因此，在该光传感装置1受到加速度变化时，配重部件13可以利用上述间隙运动以挤压应变部件12，从而使应变部件12的腔长发生变化。此外，采用螺纹连接的方式也可以便于配重部件13安装，同时可以使配重仅在平行于激光传输的方向上运动，以检测平行于激光传输方向上的振动。

此外，在另一种实施例中，如图14所示，第一套管112上可以设置有第一磁性件112a，配重部件13上设置有第二磁性件135，应变部件12可以被挤压在第一磁性件112a和第二磁性件135之间，即第一磁性件112a和第二磁性件135位于应变部件12的两侧不接触，应变部件12可以通过第一磁性件112a和第二磁性件135的磁力作用夹紧。当该光传感装置1受到加速度变化时，配重部件13可以通过第一磁性件112a和第二磁性件135对应变部件12的挤压而使应变部件12的腔长发生变化。此外，配重部件13通过第一磁性件112a和第二磁性件135的磁力作用可以与第一套管112相连，便于对配重部件13的连接安装，还可以将应变部件12限位在配重部件13和第一套管112之间，方便了配重部件13和应变部件12的安装。其中，配重部件13可以整体采用磁性材料，从而无需单独在配重部件13上添加一层第二磁性件135，第一套管112也可以整体采用磁性材料，无需单独在第一套管112上添加一层第一磁性件112a，从而可以便于配重部件13和第一套管112的制造。

此外，如图8和图15所示，对于反射腔121在应变部件12内的方案而言，也可以仅将应变部件12夹在第一套管112和配重部件13之间，使应变部件12的两侧分别与第一套管112和配重部件13抵接，而在第一磁性件112a和第二磁性件135之间设置胶水或薄垫片等缓冲件8，在该光传感装置1受到加速度变化时，配重部件13可以通过第一磁性件112a和第二磁性件135对缓冲件的挤压而使缓冲件变形，同时可以使应变部件12也发生变形，发生腔长变化。

其中，第一磁性件112a和第二磁性件135可以为强力磁铁，如铷磁铁。

需要说明的是，本申请各个实施例附图中的结构比例仅是示例性的，如长度、宽度、厚度等，以便于清楚地显示出各个特征。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (24)

1.一种光传感装置，其特征在于，包括：

光纤；

应变部件，所述应变部件的一端与所述光纤连接，所述应变部件包括反射腔，沿所述反射腔的长度方向，所述反射腔的一端设置有第一反射面，所述反射腔的另一端设置有第二反射面，所述第一反射面和所述第二反射面用于反射所述光纤传输来的光；

配重部件，所述配重部件与所述应变部件背离所述光纤的一端连接，用于挤压所述应变部件，使得所述应变部件的所述反射腔的腔长改变，所述腔长为所述第一反射面和所述第二反射面之间的距离。

2.根据权利要求1所述的光传感装置，其特征在于，所述光纤包括第一纤芯和第一套管，所述第一套管套设于所述第一纤芯，所述第一套管在所述第一纤芯靠近所述应变部件的一端具有安装端，所述第一套管的安装端连接于所述应变部件，所述第一纤芯靠近所述应变部件的一端与所述反射腔在所述反射腔的长度方向上对齐。

3.根据权利要求2所述的光传感装置，其特征在于，沿所述应变部件的厚度方向，所述第一反射面为所述应变部件靠近所述光纤一端的表面，所述第二反射面为所述应变部件靠近所述配重部件一端的表面。

4.根据权利要求2或3所述的光传感装置，其特征在于，所述第一纤芯靠近所述应变部件一端的端面为斜面。

5.根据权利要求1～3任一项所述的光传感装置，其特征在于，所述第一反射面上设有第一反射膜。

6.根据权利要求5所述的光传感装置，其特征在于，所述第二反射面上设有第二反射膜，所述第二反射膜的反射率高于所述第一反射膜的反射率。

7.根据权利要求2所述的光传感装置，其特征在于，沿所述应变部件的厚度方向，所述应变部件设置有通孔，所述光纤靠近所述应变部件的一端与所述通孔轴向对齐。

8.根据权利要求7所述的光传感装置，其特征在于，所述通孔沿轴向的投影面积大于所述第一反射面和第二反射面的面积。

9.根据权利要求7所述的光传感装置，其特征在于，所述第一纤芯靠近所述应变部件的一端的端面为所述第一反射面。

10.根据权利要求7所述的光传感装置，其特征在于，所述配重部件为反射镜，所述反射镜靠近所述应变部件的一端的表面为所述第二反射面。

11.根据权利要求2所述的光传感装置，其特征在于，所述应变部件包括第二纤芯和第二套管，所述第二套管固定套设于所述第二纤芯，所述第二套管沿光传播方向的一端与所述第一套管连接，所述第二套管沿光传播方向的另一端与所述配重部件连接，所述第二纤芯背离所述第一纤芯的一端与所述配重部件连接；

所述第二纤芯靠近所述第一纤芯的一端的端面为所述第一反射面，所述第二纤芯与所述配重部件连接的一端的端面为所述第二反射面。

12.根据权利要求2所述的光传感装置，其特征在于，所述应变部件为第三纤芯，所述第三纤芯靠近所述第一纤芯的一端的端面为所述第一反射面，所述第三纤芯背离所述第一纤芯的一端的端面为所述第二反射面；

所述配重部件包括第一质量块和第二质量块，沿垂直于所述第三纤芯的延伸方向，所述第一质量块和所述第二质量块夹持于所述第三纤芯相对的两端，且所述第一质量块与所述第二质量块之间保持有间隙。

13.根据权利要求1-11任一项所述的光传感装置，其特征在于，所述应变部件通过光学胶水与所述光纤粘接固定。

14.根据权利要求2-13任一项所述的光传感装置，其特征在于，所述光传感装置还包括外壳，所述第一套管、所述应变部件和所述配重部件均设置于所述外壳中；

所述第一套管与所述外壳的内壁固定相连；

所述配重部件与所述第一套管相连，和/或所述配重部件背离所述第一套管的一端通过弹性部件与所述外壳的内壁相连。

15.根据权利要求14所述的光传感装置，其特征在于，所述弹性部件的材料为橡胶、硅胶、石英玻璃、石英晶体、硅晶体、陶瓷材料、有机玻璃或光刻胶，或者所述弹性部件为弹簧。

16.根据权利要求14所述的光传感装置，其特征在于，所述第一套管与所述外壳螺纹连接。

17.根据权利要求16所述的光传感装置，其特征在于，所述配重部件与所述第一套管螺纹连接。

18.根据权利要求14所述的光传感装置，其特征在于，所述第一套管上设置有第一磁性件，所述配重部件上设置有第二磁性件，所述配重部件通过所述第一磁性件和所述第二磁性件的磁性吸合与所述第一套管相连。

19.根据权利要求18所述的光传感装置，其特征在于，所述第一磁性件和所述第二磁性件之间设置有缓冲层。

20.根据权利要求1-19任一项所述的光传感装置，其特征在于，所述应变部件的材料为橡胶、硅胶、石英玻璃、石英晶体、硅晶体、陶瓷材料、有机玻璃或光刻胶。

21.一种检测系统，其特征在于，包括分光器、激光器、光探测器、跨阻放大器、模拟数字转换器和权利要求1-20任一项所述的光传感装置；

所述激光器与所述分光器相连，用于向所述分光器输出光；

所述分光器分别与所述光传感装置和所述光探测器相连，所述分光器用于将接收的光按比例分成两部分，一部分光输入至所述光传感装置，另一部分光输入至所述光探测器；

所述光探测器与所述跨阻放大器相连，所述光探测器能检测出入射到其面上的光功率，并把光功率的变化转化为电流输入至所述跨阻放大器；

所述跨阻放大器与所述模拟数字转换器相连，所述跨阻放大器用于将光电流转换成电压信号输出至所述模拟数字转换器，所述模拟数字转换器采样获得数字信号，所述数字信号经过快速傅里叶变换得到频谱。

22.一种检测方法，其特征在于，采用权利要求21所述的检测系统，所述方法包括如下步骤：

将光传感装置安装于被测对象上；

打开激光器以及探测器，调节足够的光功率到探测器的动态响应范围；

根据回波损耗，设置激光器的出光光强；

使激光器调谐波长范围覆盖一个干涉周期，通过检测整周期干涉谱确定斜率最大的波长为振动检测最佳工作点，并且通过所述工作点的波长值确定当前温度；

经过模拟数字转换器采用后获得的电信号进行低通数字滤波处理；

对信号进行数字快速傅里叶变换获得信号频谱。

23.根据权利要求22所述的检测方法，其特征在于，所述将光传感装置安装于被测对象上，具体包括：

将所述光传感装置安装于被测对象的表面，或者至少部分嵌设于被测对象的内部，或者嵌设于被测对象上已有的传感器中。

24.一种交通工具，其特征在于，包括权利要求21所述的检测系统；

所述交通工具还包括发动机或发电机，所述光传感装置安装于所述发动机或所述发电机上。