一种结构简单的新型光纤振动加速度传感器

摘要

本发明公开了一种结构简单的新型光纤振动加速度传感器，包括：基片、悬臂梁、固定片和单模光纤，在基片四个角的尺寸相同位置上各有一个固定孔，悬臂梁安装在基片上，并靠近基片的边线，悬臂梁一端固定，另一端悬空；固定片中间施压固定悬臂梁的一端；单模光纤以被压方式固定在基片和悬臂梁之间；当振动信号作用到悬臂梁上时，悬臂梁挤压传感光纤，使光纤产生微小形变，从而使光纤末端产生的反射光功率受到振动信号的调制，光电检测器检测光功率的变化，即可确定振动信号的频率和幅度；本发明可以解决现有光纤振动加速度传感器及其解调系统结构复杂和由此带来的成本高、稳定性差等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及振动加速度传感领域，尤其涉及一种结构简单的新型光纤振动 加速度传感器。

背景技术

与传统的基于压电结构的振动加速度传感器相比，基于光纤结构的振动加 速度传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、易复用等特点，已广泛应用于土木工 程、航空航天、石油化工等各领域。测量振动加速度是振动监测常用的一种方 法，根据传感原理的不同，目前广泛研究的光纤振动加速度传感器可分为波长 调制型、相位调制型、偏振调制型、强度调制型等。波长调制型传感器采用光 纤光栅作为敏感器件，相位调制型传感器采用Fabry-Perot结构或Mach-Zehnder 干涉仪实现相位调制，偏振调制型传感器通过改变光纤的偏振特性实现振动传 感，强度调制型传感器通过光纤微弯或反射镜微位移改变使光纤的透射或反射 功率随振动信号变化实现振动传感。上述传感方式存在传感器和解调系统结构 复杂、价格高、易受温度影响等问题，限制了其在许多领域的应用。

本发明提出了一种新型结构的基于强度调制的光纤振动加速度传感器；当 机械振动作用到悬臂梁上时，悬臂梁通过挤压光纤，使光纤产生微小的形变， 光纤的形变导致部分传导模变换为辐射模辐射到光纤外，产生光功率损耗，从 而使光纤的透射率受到振动的调制；通过解调设备检测光功率的变化，即可实 现振动加速度的测量。本传感器的光路部分仅仅是一段剥掉涂覆层的单模光纤， 解调系统仅包含光源、环行器、光电检测器和数据采集设备，所以传感器封装 和解调系统都比较简单，降低了复杂性和成本；同时，由于光纤的传输损耗几 乎不受温度影响，所以传感器特性几乎不受温度影响。

由于新型光纤振动加速度传感器封装和解调系统都比较简单、成本低，且 工作不受温度影响，易于广泛在工程中应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测量机械振动加速度的光纤振动加速度传 感器，通过测量光纤末端反射的光功率的变化实现机械振动加速度的测量，解 决现有振动传感器和解调系统结构复杂、价格高、易受温度影响等问题。

本发明所采用的技术方案是：新型光纤振动加速度传感器，包括：基片、 悬臂梁、固定片和单模光纤，所述基片上设有一悬臂梁，基片四个角的尺寸相 同位置上各有一个固定孔，用于将基片固定在被测物体上，其中两个用于安装 固定片；

所述悬臂梁，安装在基片上，并靠近基片边线，悬臂梁一端固定，另一端 悬空；

所述固定片，利用固定孔固定其两端，其中间施压固定悬臂梁的一端；

所述单模光纤，被压固定在基片和悬臂梁之间。

所述单模光纤在悬臂梁和基片间的部分涂覆层被剥掉，单模光纤的末端露 出悬臂梁部分为1mm，单模光纤的末端采用专用光纤切割刀进行处理。

所述基片为正方形。

所述悬臂梁的中轴应与基片的中心线重合。

所述单模光纤放置时，应与悬臂梁的长边垂直，且距离悬臂梁固定端边沿 部分5mm。

通过改变悬臂梁(3)的材料、尺寸和单模光纤(5)的位置，可以改善传 感器的响应特性。

采用上述新型光纤振动加速度传感器，可以解决现有光纤振动加速度传感 器及其解调系统结构复杂和由此带来的成本高、稳定性差等问题，减小温度对 振动传感的影响，提高振动加速度测量的精度；同时，由于只需改变悬臂梁的 长度就可调整传感器的工作带宽，生产制作更加灵活，所以上述光纤振动加速 度传感器具有较高的推广应用价值。

附图说明

图1是本发明的光纤振动加速度传感器的结构示意图。

其中：

1—基片2—固定孔

3—悬臂梁4—固定片

5—单模光纤

图2是本发明的光纤振动加速度传感器应用时传感解调系统框图。

其中：

6—宽谱光源7—环行器

8—光电检测器9—数据采集设备

图3是本发明的光纤振动加速度传感器由振动引起光功率变化的原理示意 图。

其中：

10—光纤纤芯11—入射光

12—反射光13—光纤包层

图4是实验测得的本发明的光纤振动加速度传感器的幅频响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的光纤振动加速度传感器做出详细说明。

图1给出了本发明的光纤振动加速度传感器的具体结构，本发明提供的光 纤振动加速度传感器，由基片1、悬臂梁3、固定片4、固定在悬臂梁3与基片 1之间的单模光纤5构成；悬臂梁3安装固定在基片1上，基片1的四个角上分 别设有四个定位孔2，用于将基片1固定在被测物体上，其中两个用于安装固定 片4。

光纤振动加速度传感器包括有基片1，基片1的实施例为正方形，其边长为 50mm，在基片1的四个角上分别设有4个直径为4mm的定位孔2；在基片1 上设有一悬臂梁3，并靠近基片1的边线安装，悬臂梁3一端固定，另一端悬空； 悬臂梁3通过固定片4压住一端固定在基片1上，悬臂梁3的另一端为自由端； 悬臂梁3的最佳实施例为长方形，其宽度为8mm、厚度为0.7mm，自由部分长 度为10mm；悬臂梁3位于基片1的中央，悬臂梁3的中轴与基片1的中心线 重合。

在悬臂梁3的下面设有一单模光纤5，单模光纤5与悬臂梁3的长边垂直放 置，距离悬臂梁3的固定端的边沿5mm；单模光纤在悬臂梁和基片间的部分涂 覆层被剥掉，单模光纤5的末端露出悬臂梁3的部分长度为1mm，采用专用光 纤切割刀进行处理；上述标定尺寸的误差应在0.2mm以内。

通过改变悬臂梁3的材料、尺寸和单模光纤5的位置，可以改善传感器的 响应特性。

图2给出了光纤振动加速度传感器与其他器件构成的传感解调系统示意图。 单模光纤5与环行器7相连，环行器7的另两端分别连接宽谱光源6和光电检 测器8，光电检测器8的输出连接数据采集设备9。

上面所述的基片1和固定片4采用的材料可以是质地均匀的金属、非金属 或其它材质的线弹性材料；所述的单模光纤5是能够由径向变形引起其光透射 率发生变化的光学器件，为常规通信用单模光纤；所述悬臂梁3的材料为钢材 料，通过改变悬臂梁3的长度可以改变传感器的频带；所述的光电检测器8是 可将光功率变化转换为电压变化的光电器件；所述的数据采集设备9是可将模 拟电压量转换为数字量的设备。

图3给出了本发明的光纤振动加速度传感器由振动引起光功率变化的原理 示意图。测量振动时，通过四个固定孔2将整个传感器固定在被测物体上，悬 臂梁3跟随被测物体振动时会周期性地挤压其下面的单模光纤5，使光纤产生微 小的形变；光纤变形使光纤中部分传导模变换为辐射模，导致在光纤纤芯10中 传输的入射光11和反射光12部分辐射到光纤包层13中，最终损失掉，从而产 生光功率损耗。所以光纤的入射光功率和由光纤端面反射回的反射光功率都将 受到振动的调制，其关系可由下式表示：

P_o＝P_I[T_trans]²R(1)

其中P_o为反射光功率，P_I为入射光功率，T_trans为光纤透射率，R为光纤末 端端面的反射率；振动加速度越大，光纤受到挤压产生的形变越严重，辐射到 光纤外的光功率越多；由于光纤材质为二氧化硅，悬臂梁振动挤压光纤引起的 变形非常微小，所以可近似认为光纤透射率的变化与加速度a成线性关系，即：

ΔT_trans∝a(2)

由(1)、(2)式可知，在小范围内反射光功率P_o的变化也与加速度近似为 线性关系，即：

ΔP_o∝a(3)

所以，通过光纤反射光功率的变化即可反映振动加速度。

由以上分析可知，光纤反射光功率的变化频率与悬臂梁的振动频率一致， 所以传感器的频响特性主要由悬臂梁的振动特性决定。悬臂梁的一阶固有谐振 频率可由(4)式计算：

$\omega =\frac{3.515}{L^2}\sqrt{\frac{EJ}{\rho A}}---\left(4\right)$

其中L为悬臂梁的长度，E为悬臂梁材料的弹性模量，J为悬臂梁的截面惯 性矩，ρ为悬臂梁材料的密度，A为悬臂梁的截面积，可见，悬臂梁的一阶固有 频率与其长度的平方成反比。

图4给出了实验测得的本发明的光纤振动加速度传感器的幅频响应曲线。 由图4曲线可以看出，传感器的一阶固有谐振频率约为4000Hz，将一阶固有谐 振频率对应的谐振峰左侧幅度变化3dB对应的频率范围作为传感器的响应带 宽，可知传感器的响应带宽为3600Hz。通过改变基片、固定片、悬臂梁的材料、 尺寸及单模光纤的位置，可改善传感器的响应特性。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发 明，尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来 说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分 技术特征进行等同替换，如：将基片1或悬臂梁3的形状或尺寸改变，凡在本 发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。