一种振动传感器及振动传感系统的制作方法

本公开涉及传感器领域，具体涉及一种振动传感器及振动传感系统。

背景技术：

脉搏、心跳、呼吸等生理参数能够一定程度反映出人体的心、肺和血管等的功能状况。通过对生理参数的监测，可以发现并预防心、肺、血管等部位的病变。以脉搏传感器为例，当前常用的脉搏传感器主要包括红外式脉搏传感器和压电式脉搏传感器两种。

红外式脉搏传感器是利用动脉中氧化血红蛋白和还原血红蛋白对红外光吸收波长的周期性变化来判定脉搏波。由于测量时依赖测量部位的半透明性，当测量部位透光性不好时会降低测量准确性。此外，测量时需夹持手指，连续监测时患者因手指胀痛、麻木易产生厌恶情绪。

压电式脉搏传感器则是利用材料的压电效应，在手腕处贴附上压电薄膜，能够将脉搏的振动信号转变为电信号得到脉搏波。但是，压电材料不防潮，且需较高的极化电场，输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷，结构复杂，实际应用效果仍不太理想。

技术实现要素：

本公开所要解决的技术问题是提供一种振动传感器及振动传感系统，无需夹持、能连续监测、灵敏度及分辨率高、信号衰弱小。

为了解决上述技术问题，本公开的实施例提供一种振动传感器，所述振动传感器包括：壳体，其为中空结构；第一体，其设置在所述壳体的第一端；以及第二体，其设置在所述壳体的与所述第一端相对的第二端，所述第一体和所述第二体的相对表面之间构成法布里-珀罗干涉腔，所述第二体被配置为响应于待测振动而变形，从而改变所述法布里-珀罗干涉腔的腔长。

可选地，所述第二体包括由薄膜构成的空腔结构。

可选地，所述第二体还包括填充于所述空腔结构中的流体介质，所述流体介质的固有频率与待测振动的频率接近。

可选地，所述流体介质的固有频率为60-100次/分。

可选地，所述空腔结构为马蹄形。

可选地，所述流体介质为压缩空气。

可选地，所述第一体为单模光纤，所述薄膜为聚丙烯薄膜。

可选地，所述壳体为空心管，所述单模光纤的纤芯与所述空心管的中心轴对应设置。

本公开实施例还提供了一种振动传感系统，所述振动传感系统包括：光源，其配置为发出光线；上述的振动传感器，从所述光源发出的光线从所述第一体的与所述第二体相反的一侧经由所述第一体传输到所述法布里-珀罗干涉腔；以及光谱仪，从所述振动传感器的法布里-珀罗干涉腔经由所述第一体出射的出射光传输到所述光谱仪。

可选地，所述振动传感系统还包括光线分离器，所述光线分离器能够将入射光和出射光进行分离。

可选地，所述光线分离器为环形器。

可选地，所述光源为能够发射1300nm-1680nm波长的宽带光的光源。

与现有技术相比，本公开的一种振动传感器及振动传感系统的有益效果在于：能够解决传统红外式传感器易受外界光干扰，易受脏污干扰，手指易肿胀等问题，并且能够解决传统压电式传感器不防潮，直流响应差，极化电压较高等问题；另外，振动传感器是无源器件，电绝缘性好，抗电磁干扰；结构简单，体积、质量小，可用于可穿戴设备上；马蹄形的中空结构，可以放大待测振动，提高灵敏度；传输损耗小，可实现远距离传输不受任何电磁干扰的测量和监控。

附图说明

将在下文参照附图描述本公开的示范性实施例的特征、优势以及技术和工业意义，在附图中，相同附图标记指代相同的元件，并且其中：

图1为根据本公开实施例的振动传感器的结构示意图；

图2示出了平行平板发生法布里-珀罗干涉的示意图；

图3为根据本公开实施例的振动传感器响应于接收待测振动而变形的结构示意图；

图4为根据本公开实施例的振动传感器的出射光的光谱相位与归一化功率之间的关系示意图；

图5为根据本公开实施例的振动传感系统的示意图。

附图标记说明：1-壳体；2-第一体；3-第二体；4-空腔结构；5-流体介质；6-纤芯；7-包层；8-第一面；9-第二面；10-uv胶；11-光源；12-光谱仪；13-环形器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本公开的实施例作进一步详细描述，但不作为对本公开的限定。以下说明旨在使得本领域技术人员能够理解并实现本发明。下文中具体实施例或应用的描述仅仅作为示例提供。对于各个实施例的各种修改对于本领域技术人员来说容易想到，以及本文中定义的主要原理可以应用于其他实施例和应用而不偏离本发明的精神和范围。因此，本发明并不意图限于所示的实施例，而是要求于其中公开的原理和特征相符的、由权利要求书限定的可能范围。虽然对各个实施例进行分别的说明，不同实施例中的特征和要素可以互相组合，组合方式并不限于各个独立的实施例。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。本公开中使用的表述“a和/或b”包含a而非b、b而非a以及a并且b中的任何一种，使用的表述“a、b和/或c”包含a、b和c三者中的任何一种或任何若干种的组合。

在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

图1为根据本公开实施例的振动传感器的结构示意图。如图1所示，根据本公开一些实施例的振动传感器包括壳体1、第一体2和第二体3，其中，壳体1为中空结构，第一体2设置在壳体1的第一端，第二体3设置在壳体1的与第一端相对的第二端，第一体2和第二体3的相对表面之间构成法布里-珀罗干涉腔，第一体2和第二体3的相对表面作为法布里-珀罗干涉腔的两个反射面，第二体3被配置为响应于振动而变形，从而改变法布里-珀罗干涉腔的腔长，其中腔长指的是第一体2和第二体3的相对表面之间的距离，来自第一体2的与第二体3相反的一侧上的入射光能够经由第一体2传输到法布里-珀罗干涉腔且来自法布里-珀罗干涉腔的光线能够经由第一体2出射。由于第二体3响应于振动而变形，第一体2和第二体3的相对表面之间构成的法布里-珀罗干涉腔的腔长会因为第二体3的变形而发生变化。由于振动与法布里-珀罗干涉腔的腔长的变化存在定量关系，法布里-珀罗干涉腔的腔长的变化与经由第一体2出射的出射光的相位之间存在定量关系，从而根据出射光的光谱可以获得振动的信息。

图2示出了平行平板发生法布里-珀罗干涉的示意图。如图2所示，两个分别为平行平板a和平行平板b的平行平板之间形成法布里-珀罗干涉腔，入射光从平行平板a入射到法布里-珀罗干涉腔后，多次反射和折射而形成多光束干涉，最后通过平行平板a出射，如图2中示出的出射光a1、a2和a3，以及通过平行平板b出射，如图2中示出的出射光b1、b2和b3。本公开的方案中，从平行平板a出射的相邻两个出射光之间的光程差δl为：

δl＝2nlcosθt(1)

其中，n为法布里-珀罗干涉腔中两平行平板相对的光学平面的介质折射率，l为法布里-珀罗干涉腔的腔长，θt为光线在两个光学平面传播时与光学平面法向量形成的夹角。

两个出射光之间的相位差为：

其中，λ为入射光的波长。

根据上式可知，相位差与法布里-珀罗干涉腔的腔长l之间存在定量关系。

进一步的，假设第二体3没有接收振动的情况下相位差为法布里-珀罗干涉腔的腔长为l0,假设第二体3在接收振动的情况下相位差为法布里-珀罗干涉腔的腔长为l‘，则

式(4)与式(3)相减，可得

其中，表示相位差的漂移，l‘-l0表示法布里-珀罗干涉腔的腔长的变化。

由于法布里-珀罗干涉腔的腔长的变化与第二体3响应接收振动而变形的变形量存在定量关系，因此结合相位差的漂移与法布里-珀罗干涉腔的腔长的变化的关系，可以获得相位差的漂移与珀罗干涉腔的腔长的变化与第二体3响应振动而变形的变形量之间的关系。本领域技术人员熟知的通过出射光的光谱可以获得相位差的信息，因而，通过采集出射光的光谱并利用本公开的振动传感器可以获得振动的信息。例如，振动的频率或振动的强度。

在一些实施例中，如图1所示，第二体3包括由薄膜构成的空腔结构4。空腔结构4响应于待测振动而变形，改变法布里-珀罗干涉腔的腔长。由薄膜构成的空腔结构4可以直接接触测量部位，例如手腕、心脏、胳膊或鼻腔处，直接接收待测振动，尤其是如脉搏、心跳或呼吸等较微弱的待测振动，而且薄膜能够兼具方便性与舒适性。可选地，第二体3至少部分由聚丙烯薄膜构成，例如，可以是第二体3的与第一体2相对的表面由聚丙烯薄膜构成，即聚丙烯薄膜作为法布里-珀罗干涉腔的其中一个反射表面，聚丙烯薄膜具有强度高的优点，能够承受一定的待测振动。

在一些实施例中，振动传感器接收的待测振动是比较微弱的，例如脉搏、心跳和呼吸等待测振动，为了更好的测量这些较微弱的待测振动，振动传感器还可以包括振动放大机构，其配置为对要由第二体3接收的待测振动进行放大，放大的待测振动会使法布里-珀罗干涉腔的腔长的变化更明显，从而第一体2和变形的第二体3之间发生法布里-珀罗干涉的光谱的相位数据更加清楚，得到的待测振动信息更加准确。

可选地，振动放大机构可以整合在第二体3中，振动传感器整体的结构紧凑，体积可以更小，这对于要求体积小的穿戴式设备尤其适用。当然，振动放大机构还可以不必整合在第二体3中，只要振动放大机构能够将振动放大后传导到第二体3即可，以使第二体3能够响应于接收放大的待测振动而变形。

可选地，第二体3还包括填充于空腔结构中的流体介质5，其中，可选地，流体介质5可以是空气或水等。流体介质5的固有频率与待测振动的频率接近，当第二体3接收待测振动后，流体介质5容易与待测振动发生共振，使第二体3发生较大的变形，此时，流体介质5与空腔结构4实际为上述的振动放大机构。空腔结构4的一侧接收例如脉搏、心跳或呼吸等的待测振动，并在流体介质5与待测振动发生共振后放大待测振动，空腔结构4的另一侧将接收放大的待测振动并变形使该另一侧与第一体2的表面之间的距离发生变化，即法布里-珀罗干涉腔的腔长发生变化。

可选地，由于正常人的脉搏或心跳等振动的频率为60-100次/分，为了使待测振动的频率与流体介质5更容易发生共振，流体介质5的固有频率可以为60-100次/分。一般，针对脉搏或心跳等待测振动的测量，可以将流体介质5的固有频率设为80次/分，此时能得到较好的共振效果。

可选地，流体介质5为压缩空气。由于压缩空气的固有频率取决于容纳压缩空气的容器形状和大小，因而可以根据不同的测试情况，将容纳压缩空气的容器，例如空腔结构4，进行改变，以得到需要的固有频率，需要的固有频率为容易与待测振动发生共振的频率。

在一些实施例中，第二体3包括能够聚集待测振动的构件，接收待测振动后，通过该构件聚集待测振动，聚集的待测振动传导到第二体3的与第一体2相对的表面，以使该表面发生变形，从而使法布里-珀罗干涉腔的腔长发生变化。例如，空腔结构4为能够聚集待测振动的形状，例如图1中所示出的马蹄形。

在一些实施例中，如图1所示，第一体2为单模光纤。在单模光纤与薄膜相对的表面之间构成法布里-珀罗干涉腔，入射光在单模光纤内以全反射的方式进行传播进而进入法布里-珀罗干涉腔，单模光纤传输损耗小，可实现远距离传输不受任何电磁干扰或光干扰进行测量和监控，并且，由于单模光纤不会模式耦合，法布里-珀罗干涉腔内发生的干涉效果更好。可选地，第一体2为石英单模光纤，石英单模光纤具有热膨胀系数小、温度干扰小的优点。当然，还可以选择在振动传感器上设置温度补偿装置，以减少温度的干扰。

在一些实施例中，如图1所示，壳体1为空心管，例如为石英玻璃管，单模光纤包括纤芯6和包围纤芯6的包层7，纤芯6与空心管的中心轴对应设置。光线通过纤芯6进入法布里-珀罗干涉腔，并从法布里-珀罗干涉腔经由纤芯6出射。

下面针对一个具体实施例来说明振动传感器的原理。

图3为根据本公开实施例的振动传感器响应于接收待测振动而变形的结构示意图。如图1和图3所示，振动传感器的壳体1为石英玻璃管，将一段单模光纤的至少部分伸入石英玻璃管并利用uv胶10(无影胶)粘在石英玻璃管的第一端的内壁上，将容纳压缩空气的马蹄形薄膜粘在石英玻璃管的第二端上，薄膜与单模光纤相对的表面构成法布里-珀罗干涉腔，薄膜与单模光纤相对的表面作为法布里-珀罗干涉腔的两个反射面。其中，薄膜的远离单模光纤的一侧面称为第一面8，薄膜的靠近单模光纤的一侧面称为第二面9。

振动传感器工作时，将薄膜的第一面8贴附到手腕、心脏或腹部等位置，当第一面8感应到脉搏、心跳或呼吸等待测振动时，薄膜的第一面8接收待测振动(参考图3)，马蹄形薄膜聚集待测振动，并经由压缩空气与待测振动发生共振后，将放大的待测振动(振幅增大)传导到第二面9，使法布里-珀罗干涉腔的腔长由l0变为l‘。

假设脉搏待测振动的振幅为a，共振放大因子为k，则第二面9的变形量a‘为：

a‘＝ka(6)

那么，

l‘＝l0-ka(7)

将式(7)带入式(5)，那么，

根据上式可知，通过对出射光的光谱进行分析获得相位差的漂移，可以得到待测振动的振幅，即脉搏的振动强度。

另外，根据出射光的光谱的相位的变化可以得到待测振动的次数或频率。

图4为根据本公开实施例的振动传感器的出射光的光谱相位与归一化光功率之间的关系示意图。如图4所示，根据接收待测振动与未接收待测振动的相位差的漂移可以计算待测振动的振幅，根据归一化光功率的峰值漂移的数量可以计算待测振动的次数或频率。

进一步的，振动传感器的灵敏度s为：

根据式(8)可知，增大入射光的波长λ可以提高振动传感器的灵敏度。可选地，利用1300nm-1680nm波长的光线作为入射光，振动传感器的灵敏度较高。

根据上述的对本公开实施例的振动传感器的描述可知，与传统基于红外和压电效应的传感器相比，振动传感器具有无需夹持、能连续监测、抗电磁干扰、绝缘、灵敏度及分辨率高、耐高压、耐腐蚀、信号衰弱小的优点。

本公开实施例的振动传感器能够解决传统红外式传感器易受外界光干扰，易受脏污干扰，手指易肿胀等问题，并且能够解决传统压电式传感器不防潮，直流响应差，极化电压较高等问题。另外，本公开实施例的振动传感器是无源器件，电绝缘性好，抗电磁干扰；结构简单，体积、质量小，可用于可穿戴设备上；马蹄形的中空结构，可以放大待测振动，提高灵敏度；传输损耗小，可实现远距离传输不受任何电磁干扰的测量和监控。

图5为根据本公开实施例的振动传感系统的示意图。如图5所示，本公开实施例的振动传感系统，包括：光源11，其配置为发出光线；上述的振动传感器，从光源11发出的光线从第一体2的与第二体3相反的一侧经由第一体2传输到法布里-珀罗干涉腔；以及光谱仪12，从振动传感器的法布里-珀罗干涉腔经由第一体2出射的出射光传输到光谱仪12。通过光谱仪12采集出射的出射光，并对出射光的相位进行分析，可以获得待测振动的信息。

在一些实施例中，振动传感系统还包括光线分离器，光线分离器能够将入射光和出射光进行分离，以使光谱仪12仅对出射光进行采集。

可选地，光线分离器为环形器13，利用环形器13实现光线的单向传播，当光源11发出光线后，环形器13的a端口接收光源11发射的光线，并将其从b端口射出到振动传感器，当振动传感器接收入射光以在法布里-珀罗干涉腔内发生干涉并从振动传感器射出出射光时，环形器13的b端口接收从振动传感器射出的出射光，并将出射光从c端口射出到光谱仪12。

根据针对振动传感器的灵敏度的描述，振动传感系统的光源11可以为能够发射1300nm-1680nm波长的宽带光的光源。

以上实施例仅为本公开的示例性实施例，不用于限制本公开，本公开的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本公开的实质和保护范围内对本公开做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本公开的保护范围内。