基於梳狀柵格的MOEMS無線振動傳感器及其工作方法與流程

2024-03-25 04:04:05

本發明屬於光纖傳感技術領域，特別涉及一種通過梳狀柵格實現外界振動信號對傳感器光強信號編碼，並具備無線信號傳輸功能的MOEMS無線振動傳感器及其工作方法。

背景技術：

微光機電系統(MOEMS)是近幾年在微機電系統(MEMS)中發展起來的一支極具活力的新技術系統，它是由微光學、微電子和微機械相結合而產生的一種新型的微光學結構系統。MOEMS因其可批量生產、體積小、精度高等優點，而廣泛應用於光通訊及圖像處理方面，其在工程檢測傳感領域的專利報導相對較少。

中國專利CN102483427A給出一種CMOS MOEMS傳感器可以用於探測諸如振動、運動、旋轉、加速度等物理參數。但是該CMOS MOEMS傳感器在監測被測動態參量時需要保證被測物體表面的光滑度以實現光信號的有效反射。這一測量要求限制了其在隧道、橋梁等環境複雜大型工程結構監測中的應用。

本發明中微型光源發出的光強信號，經過準直設備進入振動敏感源進行調製後輸入到光電轉換設備轉換為電信號。數據分析設備分析來自光電轉換設備的電信號後得到外界振動信號的振幅及頻率信息，然後對振動信號進行編碼，並通過無線傳輸設備實現振動信號的無線傳輸。該傳感器各部分均封裝在一個傳感器外殼中，實現了傳感器的微型化與高度集成。此種結構設計使其在監測中僅需要將傳感器與被測物體進行有效的接觸，並且檢測信號的無線傳輸功能有效的克服了隧道、橋梁等大型工程結構監測中傳感器布置及引線困難的現狀。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提出了一種基於梳狀柵格的MOEMS無線振動傳感器及其工作方法，該傳感器實現了外界振動信號的測量及無線傳輸，該傳感器體積小、高度集成，克服了現有光纖振動傳感器在隧道、橋梁等大型工程監測項目中傳感器布置及引線困難的現狀。

為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種基於梳狀柵格的MOEMS無線振動傳感器，包括：微型光源、傳輸光纖、準直器、振動敏感源、光電轉換模塊、數據分析模塊和無線傳輸模塊；

所述微型光源通過傳輸光纖與振動敏感源連接，在所述振動敏感源的兩側分別固定有準直器，所述振動敏感源的輸出端通過傳輸光纖與光電轉換模塊連接，光電轉換模塊與數據分析模塊、無線傳輸模塊依次連接。

進一步地，所述振動敏感源包括梳狀柵格、保護框架及準直螺紋孔；所述梳狀柵格隨外界振動而上下浮動，所述保護框架設置在梳狀柵格的外側，所述準直螺紋孔設置在保護框架上用於與準直設備連接。

進一步地，所述光電轉換設備包括依次串聯連接的光電轉換元件、放大電路和濾波電路。

一種基於梳狀柵格的MOEMS無線振動傳感器的工作方法，包括：

1)光強信號經過準直設備進入振動敏感源，經過振動敏感源調製之後的光信號通過準直器進入光電轉換設備；光電轉換模塊將光強信號轉換為電信號輸入到數據處理分析模塊進行處理；

2)通過分析在特定時間內A/D轉換信號幅值強弱交替的次數，確定光強信號的變化頻率f；

3)結合振動敏感源中梳狀柵格寬度l、格距數值d以及光強信號的頻率f，計算所述特定時間內振動敏感源所經過的路程L；

4)根據路程L計算振動信號的幅值a；

進一步地，所述步驟3)中計算所述特定時間內振動敏感源所經過的路程L的方法為：

L＝f(l+d)

其中，l為梳狀柵格寬度，d為格距數值，f為光強信號的頻率。

所述步驟4)中計算振動信號的幅值a的方法為：

L＝2*a*t2

其中，L為時間t內振動敏感源所經過的路程。

本發明的有益效果是：

本發明中微型光源發出的光強信號，經過準直器進入振動敏感源進行調製後輸入到光電轉換模塊轉換為電信號。數據分析模塊分析來自光電轉換模塊的電信號後得到外界環境振動信號的振幅及頻率信息，然後編碼振動信號信息並通過無線傳輸模塊實現振動信號的無線傳輸。此種結構設計使其在監測中僅需要將傳感器與被測物體進行有效的接觸，並檢測信號的無線傳輸功能有效的克服了隧道、橋梁等大型工程結構監測中傳感器布置及引線困難的現狀。

附圖說明

圖1為基於梳狀柵格的MMOEMS無線振動傳感器結構示意圖；

圖2為振動敏感源的正視圖；

圖3為光電轉換模塊電路原理圖；

圖4(a)為基於梳狀柵格的MMOEMS無線振動傳感器標定實驗時域波形；

圖4(b)為基於梳狀柵格的MMOEMS無線振動傳感器標定實驗頻域波形；

其中，1.微型光源，2.光纖尾纖，3.準直器，4.振動敏感源，5.光電轉換模塊，6.數據分析模塊，7.無線傳輸模塊，8.傳感器外殼，9.準直螺紋孔，10.保護框架，11.梳狀柵格。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施方法對本發明做進一步說明：

一種基於梳狀柵格11的MOEMS無線振動傳感器主要包括傳感器外殼8、微型光源1、傳輸光纖、準直器3、振動敏感源4、光電轉換模塊5、數據分析模塊6及無線傳輸模塊7。

MOEMS無線振動傳感器封裝在傳感器外殼8中，模塊化高度集成設計，使得傳感器體積小，克服了現有光纖振動傳感器在隧道、橋梁等大型工程監測項目中傳感器布置及引線困難的現狀。

微型光源1包括依次連接的供電單元、發光單元及輸出光纖尾纖2等三部分；

振動敏感源4主要包括隨外界振動而上下浮動的梳狀柵格11、保護框架10及準直螺紋孔9；梳狀柵格11隨外界振動而上下浮動，保護框架10設置在梳狀柵格11的外側，準直螺紋孔9設置在保護框架10上用於與準直器3連接。

準直器3主要包括二維準直器3及準直螺紋孔9。準直螺紋孔9設置在準直器3前段。

光電轉換模塊5主要包括依次串聯連接的光電轉換元件、放大電路及濾波電路；

數據分析模塊6主要包括依次連接的供電單元、A/D轉換單元、時鐘電路、單片機MSP430及通訊單元；

無線傳輸模塊7主要包括供電單元、無線模塊及發射天線。供電單元給無線模塊供電，無線模塊將信號轉換成發射天線的接收信號，發射天線將信號發射出去。

該傳感器的信號分析基本流程為微型光源1發出光強信號進入光纖尾纖2。光強信號經過準直器3進入振動敏感源4，振動敏感源4調製之後的光信號通過準直器3進入與光電轉換模塊5相連的光纖尾纖2中。光電轉換模塊5將光強信號轉換為電信號輸入到數據分析模塊6進行處理。數據分析模塊6將分析所得振動信號的振幅及頻率信息按照用戶要求的通訊編碼協議後通過無線傳輸設備實現振動信號的無線傳輸。

二維準直器3及其準直螺紋孔9與振動敏感源4的準直螺紋孔9有效的保證了經過振動敏感源4調製後的光強信號在光纖中的傳輸。

光電轉換設備中放大電路有效的實現了微型光源1微弱光信號光電轉換後電信號的放大，避免了數據分析設備中A/D轉換元件因原始光信號較弱而被忽略的隱患。

數據分析模塊6對於經過A/D轉換元件所得光信號的處理過程如下所示：

1)通過分析在一秒之內A/D轉換信號幅值強弱交替次數，進而確定光強信號的頻率信息f。

2)結合振動敏感源4中梳狀柵格11寬度l、格距數值d及步驟1所確定的光信號頻率f，從而確定在一秒之內振動敏感源4所經過的路程，其路程計算公式為：

L＝f(l+d) (1)

3)通過計算求解振動信號的幅值，其計算公式為：

L＝2*a*t2 (2)

其中a為振動信號的幅值，其數值為f(l+d)/2。

數據分析模塊6將分析所得振動信號的頻率及幅值信息編碼後發送到無線傳輸模塊7。無線傳輸模塊7通過發射天線實現信號遠距離的傳輸。

本發明通過振動敏感源4實現外界振動信號對光強信號的調製，並將調製後的信號通過光電轉換模塊5轉換為電信號送到數據分析模塊6，數據分析模塊6將分析所得振動信號的頻率及幅值信息編碼後通過無線傳輸模塊7實現信號的遠距離傳輸，有效的克服在隧道、橋梁等大型工程監測項目中傳感器布置與引線困難的現狀。

對本發明進行了振動特性標定實驗，在2Hz-150Hz頻率範圍內，振動檢測性能良好，40Hz時所得時頻曲線如圖4(a)和圖4(b)所示。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。