CN211401409U - 基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加速度传感器，特别公开了一种基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器。该波长可调式加速度传感器，包括安装于外壳内底部的本体结构，其特征在于：所述本体结构包括与外壳底部连接的基座，基座两侧对称安装有铰链，两铰链上连接有对称的质量块，质量块上开有横槽并安装有贯穿横槽的紧定螺钉，质量块顶端设置有竖直的延长杆；延长杆顶端安装有温度补偿体，外壳两侧对称安装有伸入内部的支撑管，光纤激光器穿过温度补偿体且两端尾纤穿出支撑管。本发明结构设计合理，具有高灵敏度、宽频带，有效改善了传感器的频响特性，实现了地交叉灵敏度、波长可调节、具有温度补偿的功能，适于广泛推广应用。

Description

基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器

（一）技术领域

本发明涉及一种加速度传感器，特别涉及一种基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器。

（二）背景技术

光纤加速度传感器以光纤作为传感和信号传输媒介，利用被测量振动等信号对光纤产生的调制，还原振动的加速度量。与传统电子类传感器相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰、不怕水、信号传输远、可靠性高等有点。特别是基于光纤激光器的光纤加速度传感器，还具有分辨率高、易于复用成阵、结构简单体积小等优势，在设备振动监测、地震检波、军事安防等领域有重要应用。

现有的基于光纤激光器的加速度传感器主要通过质量块弹性结构构成的惯性敏感结构来检测微震的加速度信号。黄俊斌等发明了一种潜艇用光纤激光加速度传感器及其制作方法和工作方法，采用质量块和毛细管结构，拓宽光纤激光加速度传感器的工作频带并改善其频响特性，完善了光纤激光加速度传感器的封装工艺一致性，但没有有效限制交叉灵敏度；张文涛等发明了一种可用于陆地及水下的光纤激光检波器，采用质量块和双膜片的圆筒型结构，虽然体积较为小巧，但灵敏度较低。此外，上述方案均存在但灵敏度较低、封装制作时不易控制光纤激光器的波长且存在外壳热膨胀导致对光纤激光器的附加拉力，温度范围有限等问题。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种灵敏度高、频带宽、交叉灵敏度低的基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器，包括安装于外壳内底部的本体结构，其特征在于：所述本体结构包括与外壳底部连接的基座，基座两侧对称安装有铰链，两铰链上连接有对称的质量块，质量块上开有横槽并安装有贯穿横槽的紧定螺钉，质量块顶端设置有竖直的延长杆；延长杆顶端安装有温度补偿体，外壳两侧对称安装有伸入内部的支撑管，光纤激光器穿过温度补偿体且两端尾纤穿出支撑管。

本发明中，外壳用于保护内部结构，基座与外壳连接，其两侧的铰链可绕中心产生扭转变形，两对称的质量块在加速度作用下带动铰链产生变形，且通过调节紧定螺钉，可以是延长杆相对质量块产生偏移；温度补偿体用于补偿本体结构热膨胀产生的形变，光纤激光器用于通过波长变化测量加速度，而支撑管用于保护光纤激光器的尾纤，且降低尾纤自振效应。

本发明的更优技术方案为：

所述温度补偿体和支撑管安装于同一水平线的高度上，实现光纤激光器的水平安装。

所述外壳和本体结构为低膨胀系数合金材料，优选为invar合金材料；温度补偿体为相对本体结构膨胀系数高的合金材料，优选为不锈钢材料。

所述温度补偿体与延长杆在相对于本体结构的外侧面接触并形成耦合面，两者的耦合方式为焊接或螺纹连接；光纤激光器与温度补偿体的耦合点在温度补偿体相对于本体结构的内侧位置，两者的耦合方式为环氧胶粘结或焊接。

所述温度补偿体上开设有中心通孔，光纤激光器穿过中心通孔

所述光纤激光器具有预紧力，且预紧力为0.1-0.5N；通过调节紧定螺钉，可以对光纤激光器的预紧力进行调节，从而调节光纤激光器的中心波长。

所述本体结构为合金材料经线切割或激光切割而成，有效提高本体结构的一致性。

所述光纤激光器上设置有毛细石英管护套，以限制外界环境对激光器的影响，并限制横向振动的影响，降低横向灵敏度。

本发明通过铰链杠杆放大结构提高了传感器的灵敏度；通过质量块与铰链结合的结构，以及尾纤支撑结构，扩宽了传感器的工作频带并改善其频响特性；通过结构对称性与毛细管结构结合，降低交叉灵敏度；通过在质量块上增加调节结构，实现通过调节光纤激光器的预应力来调节波长；通过匹配温度补偿结构，消除结构热膨胀导致对光纤激光器的附加拉力，扩大了工作温度范围。

本发明结构设计合理，具有高灵敏度、宽频带，有效改善了传感器的频响特性，实现了地交叉灵敏度、波长可调节、具有温度补偿的功能，适于广泛推广应用。

（四）附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的局部结构示意图。

图中，01外壳，02本体结构，201基座，202铰链，203质量块，204横槽，205紧定螺钉，206延长杆，03温度补偿体，301耦合点，302耦合面，303中心通孔，04光纤激光器，05支撑管。

（五）具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

参见附图1，为本发明提供的基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器的整体结构图，包括：外壳01，本体结构02，基座201，铰链202，质量块203，横槽204，紧定螺钉205，延长杆206，温度补偿体03，光纤激光器04，支撑管05。

参见附图2，为本发明提供的基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器的局部结构图，包括：延长杆206，温度补偿体03，温度补偿体03与光纤激光器04的耦合点301，温度补偿体03与延长杆206的耦合面302，温度补偿体03的中心通孔303。

如图1中，本发明提供的一种基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器，外壳01为方槽形金属结构，并配有金属盖，用于保护内部结构。

安装于外壳内底部的本体结构02，较佳的，由具有极低的热膨胀系数的Invar合金加工而成，为保证工艺一致性，一般采用合金板材线切割或激光切割加工而成；包括基座201，与外壳01连接，安装于外壳01内侧底部，安装方式为焊接或螺纹连接；基座201两侧对称的铰链202，通过线切割或激光切割加工而成，可绕中心产生扭转变形；与铰链202连接对称的质量块203，在加速度作用下带动铰链202产生变形。

质量块203上开有横槽204，一般通过线切割或激光切割获得，将质量块分为连接的上下两部分，其中，上部分边缘开有螺纹孔，并安装有紧定螺钉205，贯穿横槽204，与质量块下部分接触；质量块具有延长杆206，通过调节紧定螺钉205，可以使延长杆206相对质量块204产生偏移。

延长杆开有通孔或螺纹孔，并穿过通孔安装在延长杆顶端温度补偿体03，用于补偿本体结构02热膨胀产生的形变；温度补偿体03开有中心通孔，温度补偿体03与延长杆206相对与本体结构02的外侧面接触并耦合，较佳的，耦合方式为焊接或螺纹连接；温度补偿体03为相对本体结构02膨胀系数较高的合金材料，如不锈钢。

光纤激光器04穿过温度补偿体03的中心通孔，且光纤激光器04与补偿体03的耦合点在温度补偿体相对与本体结构02的内侧位置，较佳的，耦合方式为环氧胶粘接或焊接；光纤激光器04用于通过波长变化测量加速度。

安装于外壳两侧且中间有光纤激光器04尾纤穿出的支撑管05，用于保护尾纤，且降低尾纤自振效应。

光纤激光器04安装之后，可通过如下方式调节波长：通过调节紧定螺钉205，可以对光纤激光器04的预紧力进行调节，从而调节光纤激光器04的中心波长；拧紧紧定螺钉205，可以使延长杆206相对质量块204产生向内侧偏移，从而使光纤激光器04的预紧力降低，使波长变小；相反的，松弛紧定螺钉205，可以使延长杆206相对质量块204产生向外侧偏移，从而使光纤激光器04的预紧力增大，使波长增大；光纤激光器04具有一定的预紧力，较佳的，预紧力为0.1 N-0.5N。

本发明提供的基于光纤激光器04的波长可调式加速度传感器的工作原理如下：外壳01与被测物体耦合，耦合方式为通过螺纹连接、高强度胶粘接、通过夹具固定等，耦合效果为刚性耦合。当有竖直方向振动信号时，质量块203在惯性力作用下，相对本体结构02产生振动，振动的相对位移通过铰链202和延长杆206转变为对光纤激光器04的拉伸，且对称两端的拉伸方向相反，放大为光纤激光器04的轴向应变，引起其激光波长发生变化，通过光纤激光器04的波长解调设备检测波长变化，可以获得微震信号；其中，惯性力与振动加速度幅度成正比，因此，光纤激光器04的波长变化与振动加速度幅度成正比。

若振动方向为横向，质量块203质心、铰链202的旋转中心与振动方向在同一轴线上，铰链202不易产生扭转，且对称的导致延长杆206对光纤激光器04的拉伸方向相同，相互抵消，光纤激光器04的轴向应变较小，对横向振动不敏感；若振动方向为垂直与附图1方向，导致铰链202不易产生扭转，且对称的导致延长杆206对光纤激光器的拉伸方向相同，相互抵消，光纤激光器04的轴向应变较小，对振动不敏感。

参考图1、图2，本发明提供的基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器通过如下方式消除结构热膨胀导致对光纤激光器的附加拉力，扩大工作温度范围：延长杆206开有通孔，温度补偿体03穿过通孔安装在延长杆206顶端，温度补偿体03与延长杆206在相对于本体结构02的外侧面接触并耦合，较佳的，耦合方式为焊接或螺纹连接；温度补偿体03开有中心通孔，光纤激光器04穿过中心通孔303，且光纤激光器04与补偿体03的耦合点301在温度补偿体03相对于本体结构02的内侧位置，较佳的，耦合方式为环氧胶粘接或焊接；温度补偿体03为相对本体结构02膨胀系数较高的合金材料，较佳的，本体结构02为低膨胀系数的Invar合金，温度补偿体03为较高膨胀系数的不锈钢材料。这样，光纤激光器04为石英材料，膨胀系数低于本体结构02，温度补偿体03膨胀系数高于本体结构02，因此，必然存在合适的长度比例，使得温度补偿体03和光纤激光器04的热膨胀之和等于本体结构02的热膨胀，从而达到膨胀匹配，消除结构热膨胀导致对光纤激光器04的附加拉力。

进一步的，光纤激光器04具有毛细石英管护套，以限制外界环境对激光器的影响，并限制横向振动的影响，降低横向灵敏度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发名，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器，包括安装于外壳（01）内底部的本体结构（02），其特征在于：所述本体结构（02）包括与外壳（01）底部连接的基座（201），基座（201）两侧对称安装有铰链（202），两铰链（202）上连接有对称的质量块（203），质量块（203）上开有横槽（204）并安装有贯穿横槽（204）的紧定螺钉（205），质量块（203）顶端设置有竖直的延长杆（206）；延长杆（206）顶端安装有温度补偿体（03），外壳（01）两侧对称安装有伸入内部的支撑管（05），光纤激光器（04）穿过温度补偿体（03）且两端尾纤穿出支撑管（05）。

2.根据权利要求1所述的基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器，其特征在于：所述温度补偿体（03）和支撑管（05）安装于同一水平线的高度上。

3.根据权利要求1所述的基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器，其特征在于：所述外壳（01）和本体结构（02）为低膨胀系数合金材料，温度补偿体（03）为相对本体结构膨胀系数高的合金材料。

4.根据权利要求1所述的基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器，其特征在于：所述温度补偿体（03）与延长杆（206）在相对于本体结构（02）的外侧面接触并形成耦合面（302），光纤激光器（04）与温度补偿体（03）的耦合点（301）在温度补偿体（03）相对于本体结构（02）的内侧位置。

5.根据权利要求1所述的基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器，其特征在于：所述温度补偿体（03）上开设有中心通孔（303），光纤激光器（04）穿过中心通孔（303）。

6.根据权利要求1所述的基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器，其特征在于：所述光纤激光器（04）具有预紧力，且预紧力为0.1-0.5N。

7.根据权利要求1所述的基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器，其特征在于：所述本体结构（02）为合金材料经线切割或激光切割而成。

8.根据权利要求1所述的基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器，其特征在于：所述光纤激光器（04）上设置有毛细石英管护套。

9.根据权利要求3所述的基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器，其特征在于：所述外壳（01）和本体结构（02）为invar合金材料，温度补偿体（03）为不锈钢材料。

10.根据权利要求4所述的基于光纤激光器的波长可调式加速度传感器，其特征在于：所述温度补偿体（03）与延长杆（206）的耦合方式为焊接或螺纹连接；光纤激光器（04）与温度补偿体（03）的耦合方式为环氧胶粘结或焊接。

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