一種位移或加速度傳感器的製作方法

2023-05-23 08:17:21 1

專利名稱：一種位移或加速度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖傳感技術領域，特別涉及一種基於光纖雷射器的位移或加 速度傳感器，其可用於橋梁，建築物和水壩等結構微位移監測以及地震監測， 軍事上微震動測量等領域。
背景技術：
位移傳感器被廣泛的應用於工業、建築工程、海洋平臺結構監測等眾多領 域，是一種非常重要的傳感器。傳統的位移傳感器，通常採用壓電陶瓷等電類 結構來實現，雖然技術成熟，相對成本低廉，但是具有靈敏度低，溫度適應範 圍有限，並且對電磁幹擾難以屏蔽等諸多不足之處。
隨著上世紀90年代，光纖器件的快速發展，光纖傳感器已經發展為現代傳 感測量領域的非常重要的一部分。其相對於傳統的電類傳感器具有非常明顯的
優勢測量精度、靈敏度高，不受電磁幹擾，適應溫度範圍大，結構輕便，易 於組網等。在眾多領域已經取代傳統的電類傳感器，並且具有更廣泛的應用前 景。
在現有應用最多的光纖位移傳感器中，光纖布拉格光柵作為傳感單元具有 結構簡單、易於組網、靈敏度高、多參量測量等優勢，如文獻"光纖光柵位移
傳感器研究"(王冬生等，2008，《儀表技術與傳感器》)公開了一種光纖光柵位 移傳感器，其將光纖光柵粘貼到懸臂梁表面通過懸臂梁拉伸來給光纖光柵施加 橫向拉力從而改變光纖光柵的反射波長。這類傳感頭設計，靈敏度和精度不能 達到更高的水平，受限於光柵本身結構特性與波長解調裝置，同時利用波長解
3調方法，在現有階段解調成本昂貴，這也是制約光纖傳感器廣泛應用於工業實 踐中的重要原因之一。另外，懸臂梁上粘貼光纖的的方法，會導致一定的光柵 啁啾效應，從而影響測量靈敏度，並且需要特殊的結構設計才能消除該問題。
加速度傳感器在地震波測量，房屋結構監控等領域具有重要應用。現有的 傳統電類傳感器大多採用壓電陶瓷等靈敏度低，不抗電磁幹擾的結構。光纖加 速度傳感器具有諸多優勢，許多結構的光纖加速度傳感器己經被應用與實際監
專利"基於超短腔光纖雷射器的光纖加速度傳感器"(中國專利公開號CN
101261281A，
公開日2008/09/10)公開了一種基於懸臂梁結構的光纖雷射器加 速度傳感器。該傳感器將光纖雷射器粘貼於懸臂梁表面，通過懸臂梁應力改變 來給光纖雷射器的光柵施加應變改變其布拉格反射波長。該傳感器同樣具有上 述所述位移傳感器的類似缺陷，其解調成本昂貴，於實際大規模應用具有一定 差距。

發明內容
本發明克服了現有技術中的缺點，提供了一種結構簡單，解調成本低廉， 具有高靈敏度及量程的位移或加速度傳感器，本發明利用光纖雷射器作為傳感 單元，結合懸臂梁結構作為換能裝置，並基於光纖雷射器偏振拍頻信號解調來 實現對位移或加速度信息的傳感測量。
為了實現上述目的，本發明所採用的技術方案是
所述位移或加速度傳感器包括第一光纖雷射器、懸臂梁和第一平臺，第一 光纖雷射器夾在懸臂梁和第一平臺之間，懸臂梁產生形變對第一光纖雷射器產 生作用力，第一光纖雷射器和第一平臺在懸臂梁之下或在懸臂梁之上。光纖激 光器受到側向作用力時會改變光纖雙折射大小，從而導致輸出雷射的偏振拍頻信號變化。
所述懸臂梁在外界作用下產生彎曲形變，並對光纖產生機械力作用。 因為懸臂梁結構通過直接感受位移或加速度等參量變化並將作用力直接傳 遞給光纖雷射器，這樣方便的將位移或加速度信號轉換為作用力信號，並且有 效放大了信號的感應效果，從而有利於得到具有更高靈敏度的傳感器。
優選的，所述光纖雷射器可以去掉塗覆層放置在懸臂梁下，這樣更有利於靈 敏度的提高。
本領域工程人員會了解，當測量加速度參量時，可以在懸臂梁末端固定一 慣性質量塊從而增加光纖雷射器感受的作用力以增加加速度測量的靈敏度。
與其他類型傳感器類似，光纖雷射器作為傳感器時也存在著溫度幹擾的問 題，即溫度變化會對光纖雷射器的輸出偏振拍頻信號產生影響，帶來測量誤差。 本發明還針對該問題提供了相應的解決方案。具體的方法是在懸臂梁另一側， 放置第二根光纖雷射器，並同樣夾在懸臂梁和平臺之間，施加一定的初始力。 兩個光纖雷射器偏振拍頻信號同時受到一致的溫度影響，並且懸臂梁對光纖激 光器施加壓力方向相反，從而通過兩個傳感器對溫度和作用力的同時響應聯立 方程組，並求解，可以去除溫度對傳感器測量的影響。
本發明的有益效果是與現有技術相比，本發明具有的優點是與傳統的電 類傳感器相比，具有不受電磁幹擾的優勢；比用基於光纖光柵的位移傳或加速 度傳感器的靈敏度和精度更高，其位移測量精度高達0.169 nm，加速度測量精 度高達0.025膽，同時具有長達10cm大量程和60dB的高信噪比；比傳統基於 波長解調的光纖傳感器，具有解調技術成熟、方便，成本低廉的優點。此外木 發明既可以對位移進行測量，也可以用於加速度參量的測量，還可以去除溫度 串擾的影響。


附圖1是懸臂梁位於平臺上方的位移傳感器示意圖。
附圖2是另一種可行的懸臂梁位於平臺下方的位移傳感器示意圖。 附圖3是一種用於溫度補償的位移傳感器示意圖。 附圖4是加速度傳感器示意圖。
圖中l第一光纖雷射器；2懸臂梁；3第一平臺；4慣性質量塊；5第二光 纖雷射器；6第二平臺。
具體實施例方式
以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。 實施例1:
圖1中，第一光纖雷射器1放置在懸臂梁2和第一平臺3中間，與二者相
互接觸。懸臂梁2的材料可以是塑料，聚合物材料，金屬板等，在末端受到
作用力會產生位移，同時會對其下面的光纖雷射器產生機械壓力作用。本實施
例中採用分布布拉格反射式光纖雷射器(DBR光纖雷射器)，運行於單縱模雙偏 振態，懸臂梁選用塑料聚合物。本領域技術人員應該明白，當光纖雷射器受到 側向壓力時，光纖會產生的雙折射效應，從而導致光纖雷射器輸出的偏振拍頻 信號發生變化。
懸臂梁末端位移(撓度)與光纖受到的壓力關係由下面公式給出
其中F為光纖受到的壓力，y為懸臂梁末端產生的撓度(即位移)，&為懸臂 梁材料的彈性模量，6為懸臂梁寬度，A為懸臂梁厚度，/為懸臂梁長度，x為光纖 的位置距離懸臂梁支點距離。懸臂梁末端產生的位移與拍頻信號的變化有下公式給出-早。=〖~^~(一-l)yb
甘cbr1 2cV(; n-p12)(l + vp)cos,1 ru /、t、
具中AT =--^-= 14.4-(mm' |am GHz/N)
丄f A。7ZT五f Zf義。
々為光纖雷射器的有效腔長， 為光纖纖芯折射率，A。為輸出雷射波長， ^和/772為光纖的光彈性係數，Vp為其泊松比，^為壓力方向與光纖本身的雙摺 射方向夾角。五/為光纖彈性模量，r為光纖半徑，C為真空中光速。5(Av)為偏振
拍頻變化量。A為懸臂梁末端位移。
從上訴公式可以看出，在光纖雷射器和懸臂梁參數一定的情況下，偏振拍 頻信號變化與懸臂梁末端位移具有良好的線性關係。
具體的，本實施例中懸臂梁的￡b - 2.744X104 N/mm2，尺寸為160mmX 27mmX2.1mm (/X6XA)，光纖雷射器泵浦光波長為980nm，輸出光波長為 1545nm，有效腔長12mm， x=20mm, r=62.5X 10_3mm，《=90°，通過高速光電 探測器和頻譜分析儀測量得到不同位移下的拍頻變化量，得到了 0.402 GHz/mm 的高靈敏度。實驗中使用的頻譜分析儀的精度為lkHz，計算得到本發明作為位 移傳感器的測量精度高達0.169 nm，並且在本實施例中使用的懸臂梁的量程可 達10cm。同時拍頻信號信噪比達到60dB。本實施例中，信號解調是在頻域內通 過電信號來實現，使得解調成本非常低廉，由於現有電解調技術已經非常成熟， 因此相比光纖傳感器通常應用的光解調方式具有非常好的實際應用前景。 實施例2:
一種加速度傳感器，如圖4，上面所述位移傳感器同樣的特徵結構，同樣口丁 以用來測量加速度參量。當懸臂梁2和第一光纖雷射器1處於加速度環境中時， 第一光纖雷射器1會受到懸臂梁的反作用力，從而改變第一光纖雷射器1輸出光的偏振拍頻信號。通過偏振拍頻信號變化的測量，可以得到環境加速度參量。 本領域技術人員應該了解，雖然懸臂梁作為加速度傳感具有一定的放大效 果，但是由於加速度與質量相關，為了獲得更大的慣性力可以在懸臂梁末端固 定一慣性質量塊4來增加傳感器的靈敏度，因此本實施例在懸臂梁末端固定了 金屬銅塊來獲得更高的靈敏度響應。
其靈敏度相應由下式給出
S —5(Av)，ff^ 3/、 a 2/, 、x 一
，中B — 2c"。2 (P" — & )(1 + 、 )cos(20)
其中fl為加速度，s為靈敏度，m為所加金屬銅塊質量。 將所述加速度傳感器放在具有固定頻率(頻率小於懸臂梁固有頻率)震動 的震動平臺上做加速度測量，得到了 388.57M/fe/"/V)的靈敏度，根據所使用的 頻譜分析儀的最小測量精度lkHz，可以得到本發明作為加速度傳感器的最小可 測量加速度可達0.025//g。
其中-
￡ = 210x10—9 iV/附2 =210xl09^g'm/(j、m2)， /=0.05m, 6=0.004m, /2=0.001m, x=0.0025m， w=0.02kg
8
權利要求
1. 一種位移或加速度傳感器，包括第一光纖雷射器(1)、懸臂梁(2)和第一平臺(3)，其特徵在於第一光纖雷射器(1)夾在懸臂梁(2)和第一平臺(3)之間，懸臂梁(2)產生形變對第一光纖雷射器(1)產生作用力，第一光纖雷射器(1)和第一平臺(3)在懸臂梁(2)之下或在懸臂梁(2)之上。
2. 根據權利要求1所述的一種位移或加速度傳感器，其特徵還在於還包括第二光纖雷射器(5)和第二平臺(6)，第二光纖雷射器(5)夾在懸臂梁(2)與第二平臺(6)之間，第二光纖雷射器(5)與第一光纖雷射器(1)分別位於懸臂梁(2)上下兩側。
3. 根據權利1或2所述的一種位移或加速度傳感器，其特徵在於所述的懸臂梁(2)固定有慣性質量塊(4)。
4. 根據權利1或2所述的一種位移或加速度傳感器，其特徵在於所述光纖雷射器為分布布拉格反射光纖雷射器或分布反饋光纖雷射器。
全文摘要
本發明公開了一種位移或加速度傳感器，屬於光纖傳感技術領域。其特徵是該位移或加速度傳感器包括第一光纖雷射器、懸臂梁和第一平臺，第一光纖雷射器夾在懸臂梁表面和第一平臺表面之間，第一光纖雷射器和第一平臺在懸臂梁之下或在懸臂梁之上，懸臂梁產生形變對第一光纖雷射器產生作用力。本發明的效果和益處是該傳感器克服了傳統電類傳感器易受電磁幹擾的缺點，提供了一種靈敏度高，量程大，結構簡單，解調成本低廉，信噪比更好的光纖位移或加速度傳感器。
文檔編號G01B11/02GK101464138SQ20081019090
公開日2009年6月24日 申請日期2008年12月30日 優先權日2008年12月30日
發明者關柏鷗, 揚 張 申請人:大連理工大學