CN218213064U - 一种基于f-p腔的量子mems光纤加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体公开了一种基于F‑P腔的量子MEMS光纤加速度传感器，包括：腔体；插芯，设置在腔体内，用于将腔体内光纤的入射光和出射光呈预设角度进行耦合；弹性膜片，设置在腔体内，且与插芯间隔设置，能够在腔体振动时发生弹性形变；质量块，设置在弹性膜片上，且质量块朝向插芯的表面与插芯的端面之间形成F‑P腔，质量块能够根据弹性膜片的弹性形变改变F‑P腔的腔长；反射金膜，设置在质量块朝向插芯的表面，能够对光纤的入射光进行反射后形成反射光；其中F‑P腔的腔长为反射金膜与插芯的端面之间的距离。本实用新型提供的基于F‑P腔的量子MEMS光纤加速度传感器具有灵敏度高的优势。

Description

一种基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器。

背景技术

光纤加速度传感器作为一种区别于传统电学加速度传感器的新型加速度传感器，由于其精度高、抗干扰能力强、使用寿命长等优点，逐渐走入大家的视野。光纤中的多种参量可以实现加速度传感，例如可以通过改变光纤中传输光的光程来进行加速度调制，同样可以利用光纤光栅的反射波长和反射光强变化进行加速度测量。由于灵活的传感结构设计方案、极大的复用容量和准分布式长距离测量潜力，光纤加速度传感器正逐渐成为传统加速度传感器的有力竞争对手。

目前商用成熟的压电型传感器属于传统的电学式加速度传感器，同时还有压阻型和电容型传感器，由于精度和灵敏度较高，并且电学信号处理技术成熟，目前，基于上述类型的电学加速度传感器已经融入了日常生活和工业生产，市面上购买到的加速度传感器也大都属于这些类型。但是电学器件无法克服电磁干扰、强腐蚀等极端环境的特点，限制了传统的加速度传感器的运用场合，而且电学式加速度传感器不便于复用，从而难以适用于大范围、多节点的加速度测量。

相较于电学式加速度传感器，光纤加速度传感器抗电磁干扰、抗腐蚀能力强，加上光纤自身细小、敏感的特点，使其近年来得到了大量发展。相较于其它光学方法的加速度传感器，光纤加速度传感器制作方便，不需要复杂的波导结构加工，同时由于光纤自身低损耗、易复用的特点使光纤加速度传感器更适用于大范围组网和多节点测量。在建筑物健康监测、系统振动抑制、地震波监测等领域，光纤加速度传感器的需求量逐渐增加。由于电类传感器易受强电磁场的干扰，因此某些电力系统的振动监测，只能用光纤加速度传感器。

虽然光纤加速度传感具有结构简单，重复性好等优点，但其灵敏度和谐振频率都比较低，无法满足一些灵敏度高等场合的需求，因此如何提供一种高灵敏度的光纤加速度传感器成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本实用新型提供了一种基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器，解决相关技术中存在的加速度传感器灵敏度低的问题。

作为本实用新型的一个方面，提供一种基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器，其中，包括：

腔体；

插芯，设置在所述腔体内，用于将腔体内光纤的入射光和出射光呈预设角度进行耦合；

弹性膜片，设置在所述腔体内，且与所述插芯间隔设置，能够在所述腔体振动时发生弹性形变；

质量块，设置在所述弹性膜片上，且所述质量块朝向所述插芯的表面与所述插芯的端面之间形成F-P腔，所述质量块能够根据所述弹性膜片的弹性形变改变所述F-P腔的腔长；

反射金膜，设置在所述质量块朝向所述插芯的表面，能够对所述光纤的入射光进行反射后形成反射光；

其中所述F-P腔的腔长为所述反射金膜与所述插芯的端面之间的距离。

进一步地，所述弹性膜片包括膜片主体以及对称设置在所述膜片主体上的镂空结构，所述膜片主体的外形与所述腔体的内径适配。

进一步地，所述膜片主体的形状包括圆形，所述膜片主体上对称设置的所述镂空结构包括多条环绕所述膜片主体的圆心设置的圆弧状镂空结构。

进一步地，所述质量块的外径不大于所述圆弧状镂空结构的内径。

进一步地，所述膜片主体上设置第一固定孔和第二固定孔，所述第一固定孔用于实现所述膜片主体与所述腔体的固定连接，所述第二固定孔用于实现所述膜片主体与所述质量块的固定连接。

进一步地，所述第一固定孔包括环绕所述镂空结构外围对称设置的四个圆形孔，所述第二固定孔包括位于所述膜片主体的中心位置的圆孔。

进一步地，所述插芯包括底座和形成在所述底座上的圆锥部，所述圆锥部与所述底座一体成型，所述圆锥部的外侧对称设置入射光纤槽和出射光纤槽，入射光纤能够穿过所述入射光纤槽后发出入射光，出射光纤能够接收反射光后穿过所述出射光纤槽。

进一步地，所述入射光纤槽和所述出射光纤槽之间的夹角为56°。

进一步地，所述质量块包括形状为正方体的硅质量块。

进一步地，所述腔体的外形包括圆柱状。

本实用新型提供的基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器，通过将质量块设置在弹性膜片上，弹性膜片由于能够跟随腔体的振动发生弹性形变，从而能够使得质量块与插芯之间形成的F-P腔的腔长发生改变，在光纤进入时能够探测到该腔长的变化量，进而能够根据该腔长的变化量实现加速度的计算。由于质量块能够在弹性膜片发生微小弹性形变时放大弹性形变的形变量，因而能够更加灵敏的检测到微小的振动，因此本实用新型提供的基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器能够有效提高加速度探测的灵敏度。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。

图1为本实用新型提供的基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器的结构示意图。

图2为本实用新型提供的弹性膜片的俯视图。

图3为本实用新型提供的插芯的剖视图。

图4为本实用新型提供的插芯的立体图。

图5为本实用新型提供的腔长、夹角与耦合效率之间的关系曲线图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了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，而是可包括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。

在本实施例中提供了一种基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器，图1是根据本实用新型实施例提供的基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器10的结构示意图，如图1所示，包括：

腔体100；

插芯200，设置在所述腔体100内，用于将腔体100内光纤的入射光和出射光呈预设角度进行耦合；

弹性膜片300，设置在所述腔体100内，且与所述插芯200间隔设置，能够在所述腔体100振动时发生弹性形变；

质量块400，设置在所述弹性膜片300上，且所述质量块400朝向所述插芯200的表面与所述插芯200的端面之间形成F-P腔500，所述质量块400能够根据所述弹性膜片300的弹性形变改变所述F-P腔500的腔长；

反射金膜600，设置在所述质量块400朝向所述插芯200的表面，能够对所述光纤的入射光进行反射后形成反射光；

其中所述F-P腔500的腔长L为所述反射金膜600与所述插芯200的端面之间的距离。

在本实用新型中，通过将质量块设置在弹性膜片上，弹性膜片由于能够跟随腔体的振动发生弹性形变，从而能够使得质量块与插芯之间形成的F-P腔的腔长发生改变，在光纤进入时能够探测到该腔长的变化量，进而能够根据该腔长的变化量实现加速度的计算。由于质量块能够在弹性膜片发生微小弹性形变时放大弹性形变的形变量，因而能够更加灵敏的检测到微小的振动，因此本实用新型提供的基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器能够有效提高加速度探测的灵敏度。

如图1所示，入射光纤700经过所述插芯200的入射光纤槽进入后，能够向所述反射金膜600发出入射光710，入射光710经过反射金膜600的反射后形成反射光810，通过反射光纤800传出，最后进入到光电探测器进行光电转换，并进而通过上位机等处理获得所述F-P腔的腔长变化量获得探测到的加速度值。

需要说明的是，插芯200的尾端面充当 F-P 腔的前反射镜；质量块400被固定在弹性膜片上，经抛光处理的质量块400表面与插芯200的端面一同构成 F-P腔。在质量块400朝向所述插芯200的表面沉积一层金属作为反射金膜600，整体传感器腔体通过精密设计和加工，将 F-P腔500的初始腔长确定为1 mm ，此时获得的干涉条纹具有最大的对比度，便于信号解调，同时也满足大动态范围测量的要求。当轴向加速度作用到加速度传感头时，质量块400产生的位移代表F-P 腔的腔长变化，且与加速度成正比例关系，最终通过快速白光干涉解调系统对加速度信号进行实时解调。

在一些实施方式中，所述质量块400具体可以包括形状为正方体的硅质量块。

质量块400还可以包括圆柱形质量块，此处对质量块的形状并不做限定，可以根据需要进行选择。

应当理解的是，通过MEMS技术制作得到的硅质量块可以达到体积小适用性强的目的。

在一些实施方式中，所述腔体100的外形包括圆柱状。

如图1所示，所述腔体100为圆柱状，插芯200和弹性膜片300均与所述腔体100的其中一个腔内底壁110固定连接；所述插芯200设置在圆柱状腔体的另一个腔内底壁位置，即所述插芯200的底座可以形成为所述腔体100的另一个腔内底壁。

优选地，所述腔体100具体可以为不锈钢材质，所述插芯200具体可以为光学玻璃材质，所述插芯200的底座与所述腔体100的侧壁之间具体可以通过UV胶进行粘结密封。

为了能够有效提高加速度传感器的灵敏度，如图2所示，所述弹性膜片300包括膜片主体310以及对称设置在所述膜片主体310上的镂空结构320，所述膜片主体310的外形与所述腔体100的内径适配。

应当理解的是，当腔体产生振动时，弹性膜片300会发生弹性形变，通常弹性常数越低，质量块越大，则灵敏度越高，而通过在弹性膜片300上设置镂空结构能够有效降低弹性常数，因此，通过弹性膜片300上的镂空结构的改进能够进一步提高加速度传感器的灵敏度，并且由于镂空结构的设置还能够有效降低横向串扰。

因此，在本实用新型实施例中，利用激光微雕刻技术完成对弹性膜片镂空结构的制作，使得质量块的位移变化更加明显，进而提升了加速度传感器的探测灵敏度，并且能够降低横向串扰。

如图2所示，所述膜片主体310的形状包括圆形，所述膜片主体310上对称设置的所述镂空结构320包括多条环绕所述膜片主体的圆心设置的圆弧状镂空结构。

在一些实施方式中，在所述膜片主体310上设置四部分对称设置的圆弧状镂空结构能够使得质量块位移的变化效果最优。

应当理解的是，为了不影响镂空结构320的效果，所述质量块400的外径不大于所述圆弧状镂空结构的内径。

以图2所示为例，所述质量块400若为正方体形状，其正方形的对角线长度不能大于所述圆弧状镂空结构的内径，即不能大于圆弧状镂空结构的最内侧的内径，可以比图中的第二固定孔340的直径稍微大一些。

在一些实施方式中，所述膜片主体310上设置第一固定孔330和第二固定孔340，所述第一固定孔330用于实现所述膜片主体310与所述腔体100的固定连接，所述第二固定孔340用于实现所述膜片主体310与所述质量块400的固定连接。

进一步具体地，所述第一固定孔330包括环绕所述镂空结构外围对称设置的四个圆形孔，所述第二固定孔340包括位于所述膜片主体310的中心位置的圆孔。

如图2所示，所述膜片主体310上设置有四个第一固定孔330，能够使得所述膜片主体310通过螺钉固定在所述腔体100的腔内底壁110上，所述质量块400上同样设置螺纹孔，然后通过螺钉将所述质量块400与所述膜片主体310固定连接。

具体实现时，弹性膜片有四个螺纹孔，通过螺钉穿过第一固定孔将弹性膜片与腔体固定起来，再把质量块在固定在弹性膜片上面。

需要说明的是，所述膜片主体310的具体制作材料可以为合金，在制作时，可以将弹性膜片固定在激光打标机工作平台上，根据材料及效果要求，调整打标参数至合适的值；调整硬件在工作状态，调整打标机的电流大小以控制输出激光功率的大小，焦距位置于合适的值，同时严格控制打标时间，避免因激光输出功率过大、时间过长所导致的金属表面氧化，从而影响膜片的设计精度。

在一些实施方式中，如图3和图4所示，所述插芯200包括底座210和形成在所述底座210上的圆锥部220，所述圆锥部220与所述底座210一体成型，所述圆锥部220的外侧对称设置入射光纤槽221和出射光纤槽222，入射光纤700能够穿过所述入射光纤槽221后发出入射光710，出射光纤800能够接收反射光810后穿过所述出射光纤槽222。

应当理解的是，通过在圆锥部220的外侧设置入射光纤槽221和出射光纤槽222，能够更好的看清楚光纤在整个运行中的状态。

在一些实施方式中，所述插芯200的制作材料具体可以为光学玻璃。

在一些实施方式中，所述入射光纤槽221和所述出射光纤槽222之间的夹角a为56°。

如图3所示，所述入射光纤槽221和所述出射光纤槽222之间的夹角a的不同能够影响耦合效率。

如图5所示，对于不同的夹角而言，耦合效率随F-P腔的腔长的变化趋势是一致的。当腔长较短时，耦合效率比较稳定，随腔长变化缓慢下降，而经过一个特定的腔长位置后，耦合效率随着腔长的增加急速下降。而当腔长确定时，其耦合效率随着倾角的增加而下降，且倾角越大，下降速率越快。

需要说明的是，在本实用新型实施例中，设置夹角a为56°能够达到耦合效率最优。

综上，本实用新型提供的基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器，通过弹性膜片与质量块的设置，能够有效提升加速度传感器的探测灵敏度；另外与传统的传感器相比，基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器具有传感端头电绝缘、无需电源、抗电磁干扰、尺寸小、传输距离长以及封装快等优点，且能在强电、强磁等恶劣环境工作，具有可靠性高和环境稳定性高的优势，且通过超长光纤连接，无信号损失。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器，其特征在于，包括：

腔体；

插芯，设置在所述腔体内，用于将腔体内光纤的入射光和出射光呈预设角度进行耦合；

弹性膜片，设置在所述腔体内，且与所述插芯间隔设置，能够在所述腔体振动时发生弹性形变；

质量块，设置在所述弹性膜片上，且所述质量块朝向所述插芯的表面与所述插芯的端面之间形成F-P腔，所述质量块能够根据所述弹性膜片的弹性形变改变所述F-P腔的腔长；

反射金膜，设置在所述质量块朝向所述插芯的表面，能够对所述光纤的入射光进行反射后形成反射光；

其中所述F-P腔的腔长为所述反射金膜与所述插芯的端面之间的距离。

2.根据权利要求1所述的基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器，其特征在于，所述弹性膜片包括膜片主体以及对称设置在所述膜片主体上的镂空结构，所述膜片主体的外形与所述腔体的内径适配。

3.根据权利要求2所述的基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器，其特征在于，所述膜片主体的形状包括圆形，所述膜片主体上对称设置的所述镂空结构包括多条环绕所述膜片主体的圆心设置的圆弧状镂空结构。

4.根据权利要求3所述的基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器，其特征在于，所述质量块的外径不大于所述圆弧状镂空结构的内径。

5.根据权利要求2所述的基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器，其特征在于，所述膜片主体上设置第一固定孔和第二固定孔，所述第一固定孔用于实现所述膜片主体与所述腔体的固定连接，所述第二固定孔用于实现所述膜片主体与所述质量块的固定连接。

6.根据权利要求5所述的基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器，其特征在于，所述第一固定孔包括环绕所述镂空结构外围对称设置的四个圆形孔，所述第二固定孔包括位于所述膜片主体的中心位置的圆孔。

7.根据权利要求1所述的基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器，其特征在于，所述插芯包括底座和形成在所述底座上的圆锥部，所述圆锥部与所述底座一体成型，所述圆锥部的外侧对称设置入射光纤槽和出射光纤槽，入射光纤能够穿过所述入射光纤槽后发出入射光，出射光纤能够接收反射光后穿过所述出射光纤槽。

8.根据权利要求7所述的基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器，其特征在于，所述入射光纤槽和所述出射光纤槽之间的夹角为56°。

9.根据权利要求1所述的基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器，其特征在于，所述质量块包括形状为正方体的硅质量块。

10.根据权利要求1所述的基于F-P腔的量子MEMS光纤加速度传感器，其特征在于，所述腔体的外形包括圆柱状。

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