一种双端固支梁式光纤加速度传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种双端固支梁式光纤加速度传感器，包括2×2耦合器、弹性薄板、固支梁框架、支撑杆、两根单模光纤、两个质量块和两个法拉第旋光反射镜，弹性薄板设置在两个质量块之间，支撑杆穿过弹性薄板中心，两端分别与两个质量块固连，两根单模光纤分别呈跑道状固定在弹性薄板的上下两个表面，固支梁框架包括底板和两块侧板，两块侧板竖直固定在底板两侧，弹性薄板两端分别固定在固支梁框架的侧板内壁，下方的质量块位于固支梁框架的底板上方，两根单模光纤的一端均与2×2耦合器的输入端连接，另一端分别与法拉第旋光反射镜连接。本发明主要用于对地下油气的勘探、建筑缺陷的检测和地震预警的监测领域。
【专利说明】
一种双端固支梁式光纤加速度传感器
技术领域
[0001]本发明属于光纤传感器技术，具体涉及一种双端固支梁式光纤加速度传感器。
【背景技术】
[0002]
光纤传感器发展至今已有近30年的历史，根据传感原理的差异，大量的技术方案和应用领域也被发掘出来，其中有些已经商用化。随着现代传感技术的发展，许多新的思路被提出和尝试。例如工业控制中，多采用光强耦合式结构或法布里-珀罗式结构测量温度、加速度、压力、位移等参量；在军事中，为适应水下反潜、导弹等高科技作战手段的需要，基于Sagnac效应的光纤陀螺被应用到惯性导航和姿态控制中；在建筑、航空航天领域，基于光纤传感技术的智能材料和智能结构也被广泛应用，通过将敏感元件埋入瞬变结构中就可以实时监测系统的工作状态，通过必要的控制和调节从而保证系统的最佳工作状态。所以光纤传感器以其独特的优越性应用在生活的各个领域。
[0003]对于常见的相位调制型光纤加速度传感器，大多数采用弹性膜片或瞬变柱体作为转换媒介，将加速度产生的应变施加到传感光纤上，从而引起传感光纤中光的相位变化，该类传感器检测精度高，动态范围大，适合高性能加速度传感领域。常见的结构有马赫-曾德尔型、迈克尔逊干涉仪型、Sagnac干涉仪型。其中马赫-曾德尔型传感探头设计难度大，不利于小型化的设计要求，而且参考臂的隔离也是难以解决的问题，但迈克尔逊干涉仪型可以很好的解决上述不足，所以迈克尔逊干涉仪型也是相位调制型光纤加速度传感器最常使用的结构。
[0004]但与此同时，光纤传感器的发展还存在如下一些问题:
(I)光纤传感器受到制作工艺和器件发展的限制，尚未形成大规模的生产规模。
[0005](2)高性能、高可靠的光纤传感器在制作成本上仍然很高，不能被大多数工程中所应用，需要大力改进降低成本。
[0006](3)由于传感光纤具有极高的灵敏度，故也存在着易受外界干扰影响的问题，对被测量的增敏和对噪声的去噪都是光纤传感器发展面临的主要问题。
[0007](4)光纤传感信号与后续光电信号处理的配合问题不完善，寻找简单精确的信号解调方法至关重要。
[0008](5)新型的光纤传感器的制作工艺和一些无源器件的研制还不够成熟。
[0009](6)实用化的光纤传感器需要能够保证在恶劣环境中长期稳定工作，所以其封装的困难也是许多传感器不能实用化的重要原因。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于提供一种双端固支梁式光纤加速度传感器，主要用于对地下油气的勘探、建筑缺陷的检测和地震预警的监测领域。
[0011]实现本发明目的的技术解决方案为:一种双端固支梁式光纤加速度传感器，包括2X 2耦合器、弹性薄板、固支梁框架、支撑杆、两根单模光纤、两个质量块和两个法拉第旋光反射镜，弹性薄板设置在两个质量块之间，且弹性薄板和两个质量块三者相互平行间隔设置，支撑杆穿过弹性薄板中心，两端分别与两个质量块固连，通过支撑杆将弹性薄板和两个质量块连为一个整体，将其设置在固支梁框架内；两根单模光纤分别呈跑道状固定在弹性薄板的上下两个表面，固支梁框架包括底板和两块侧板，两块侧板竖直固定在底板两侧，弹性薄板两端分别固定在固支梁框架的侧板内壁，下方的质量块位于固支梁框架的底板上方，两根单模光纤的一端均与2X2耦合器的输入端连接，另一端分别与法拉第旋光反射镜连接。
[0012]所述双端固支梁式光纤加速度传感器，还包括环形凹槽，所述环形凹槽固定在固支梁框架的底板顶面，2X2耦合器和两个法拉第旋光反射镜均固定在环形凹槽内，下方的质量块位于环形凹槽顶面的上方。
[0013]所述环形凹槽侧壁开有穿线槽，便于将2X2耦合器的输出端拉出。
[0014]所述弹性薄板包括两块薄板通过胶粘构成。
[0015]所述单模光纤长度范围为Im至30m，两根单模光纤的长度不同。
[0016]所述质量块为平板，采用金属。
[0017]本发明与现有技术相比，其显著优点在于:
(I)单模光纤长度可选择，弹性薄板材质可选择，弹性薄板大小尺寸可选择，质量块质量可选择，可制造出任意灵敏度和谐振频率的光纤加速度传感器。
[0018](2)本发明体积小，结构简单，易于安装，易于实现大片分布式传感网络。
[0019](3)巧妙地将单模光纤盘贴在弹性薄板的上下两面，易于改进制成三维传感器。
[0020](4)利用干涉信号的变化来测量振动的信息，当有振动信号时，质量块由于惯性作用带动弹性薄板使之产生形变，从而引起盘贴的单模光纤长度和折射率的变化，从而引起干涉信号的变化。
【附图说明】
[0021 ]图1为本发明双端固支梁式光纤加速度传感器的正面剖视图。
[0022]图2为本发明双端固支梁式光纤加速度传感器的弹性薄板绕线示意图。
[0023]图3为本发明双端固支梁式光纤加速度传感器的俯视图。
[0024]图4为本发明双端固支梁式光纤加速度传感器的光纤绕线盘结构示意图。
[0025]图5为本发明双端固支梁式光纤加速度传感器的原理图。
[0026]图6为本发明双端固支梁式光纤加速度传感器的单模光纤连接示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施步骤对本发明做进一步说明。
[0028]本发明是基于迈克尔逊干涉仪的原理设计结构的，通过干涉信号的变化来解调出振动的相位信息。其核心思想是:振动出现时，质量块4移动，弹性薄板5上下表面出现压缩和伸长，使得其上的单模光纤I的长度发生压缩和伸长，激光经过两臂后产生相位差，产生干涉，检测和分析干涉条纹信息，得到被测信号加速度或振动参数。
[0029]结合图1至图6，一种双端固支梁式光纤加速度传感器，包括2X2耦合器8、弹性薄板5、固支梁框架3、支撑杆6、两根单模光纤1、两个质量块4和两个法拉第旋光反射镜7，弹性薄板5设置在两个质量块4之间，且弹性薄板5和两个质量块4三者相互平行间隔设置，支撑杆6穿过弹性薄板5中心，两端分别与两个质量块4固连，通过支撑杆6将弹性薄板5和两个质量块4连为一个整体，将其设置在固支梁框架3内；两根单模光纤I分别呈跑道状固定在弹性薄板5的上下两个表面，固支梁框架3包括底板和两块侧板，两块侧板竖直固定在底板两侧，弹性薄板5两端分别固定在固支梁框架3的侧板内壁，下方的质量块4位于固支梁框架3的底板上方，两根单模光纤I的一端均与2X2耦合器8的输入端连接，另一端分别与法拉第旋光反射镜7连接。
[0030]还包括环形凹槽9，所述环形凹槽9固定在固支梁框架3的底板顶面，2X2耦合器8和两个法拉第旋光反射镜7均固定在环形凹槽9内，下方的质量块4位于环形凹槽9顶面的上方。
[0031 ]所述环形凹槽9侧壁开有穿线槽，便于将2 X 2耦合器8的输出端拉出。
[0032]所述弹性薄板5包括两块薄板通过胶粘构成，采用碳纤维板。
[0033]所述单模光纤I直径为165um，长度范围为Im至30m。两根单模光纤I的长度不同。
[0034]所述质量块4为平板，采用金属，形状任意。
[0035]实施例1
结合图1至图6，一种双端固支梁式光纤加速度传感器，包括2X2耦合器8、弹性薄板5、固支梁框架3、支撑杆6、两根单模光纤1、两个质量块4和两个法拉第旋光反射镜7。弹性薄板5设置在两个质量块4之间，且弹性薄板5和两个质量块4三者相互平行间隔设置，弹性薄板5中心设有通孔，支撑杆6穿过弹性薄板5中心并与其固定，两端分别与两个质量块4固连，通过支撑杆6将弹性薄板5和两个质量块4连为一个整体，并将其设置在固支梁框架3内。两根单模光纤I分别呈跑道状由紫外固化胶盘贴在弹性薄板5的上下两个表面，固支梁框架3包括底板和两块侧板，两块侧板竖直固定在底板两侧，侧板内壁对称设有凸起，弹性薄板5两端分别通过螺栓固定在固支梁框架3的侧板内壁的凸起上，下方的质量块4位于固支梁框架3的底板上方，两根单模光纤I的一端均与2 X 2耦合器8的输入端连接，另一端分别与法拉第旋光反射镜7连接。2 X 2耦合器8的输出端分别与激光器12和探测器13连接。
[0036]所述双端固支梁式光纤加速度传感器，还包括环形凹槽9，所述环形凹槽9固定在固支梁框架3的底板顶面，2X2耦合器8和两个法拉第旋光反射镜7均设置在环形凹槽9内，用环氧树脂胶封灌，等2小时左右胶凝固，2 X 2耦合器8和法拉第旋光反射镜7就被固定在凹槽9中，减小了光纤的振动影响。下方的质量块4位于环形凹槽9顶面的上方。所述环形凹槽9和固支梁框架3为一体制造。
[0037]所述环形凹槽9侧壁开有穿线槽，便于将2X2耦合器8的输出端拉出。
[0038]所述弹性薄板5包括两块有机玻璃板通过AB胶粘结而成，尺寸为80mmX 40mm XImm0
[0039]所述单模光纤I直径为165um，芯径为80um，弹性薄板5上表面的单模光纤I的长度为9m，下表面的单模光纤I的长度Ilm。
[0040]所述质量块4为平板，采用铜。
[0041 ] 所述2 X 2耦合器8为3dB耦合器。
[0042]具体制作过程如下:步骤1、分别量取9m和IIm的两根单模光纤I，其光纤直径为165um，纤芯直径80um。
[0043]步骤2、有机玻璃板表面用酒精清洗干净，固定在光纤转动盘11上。
[0044]步骤3、利用光纤转动盘11的旋转将两根单模光纤I分别紧密盘贴在两块有机玻璃板上，单模光纤I呈跑道状，参照图2和图4。
[0045]步骤4、单模光纤I通过紫外胶和紫外灯固化盘贴在有机玻璃板表面。
[0046]步骤5、将两块绕有不同长度单模光纤I的有机玻璃板用AB胶胶和，形成弹性薄板5。
[0047]步骤6、弹性薄板5平行设置在两个质量块4之间，通过支撑杆6将弹性薄板5和两个质量块4分别固定，再用螺丝胶在其连接处加固，并放入固支梁框架3里，并用通过螺栓固定，参照图1。
[0048]步骤7、用光纤熔接机将两根单模光纤I的一端分别接一个法拉第旋光反射镜7，另一端一起接入一个2 X 2親合器8。
[0049]步骤8、将接好的法拉第旋光反射镜7和2X 2耦合器8按光纤盘绕方向绕在环形凹槽9中，并用环氧树脂胶灌注，其中环氧树脂胶和固化剂的比例为25:1，使法拉第旋光反射镜7和2 X 2耦合器8固定在凹槽9里，参照图1-6。
[0050]本光纤加速度传感器的原理如下:一束激光经过3dB耦合器8分成等强度两束，两束光分别进入长度不同的两臂，经过法拉第旋光反射镜7反射的光满足相干条件，故从耦合器出来的光将发生干涉。将整个装置放在振动台上，当没有振动信号时，干涉条纹是稳定的，而当有微小振动信号时，质量块由于惯性作用将产生上下位移，这将使得弹性板5上下表面产生压缩和伸长，由于传感光纤是盘贴在弹性板上下面的，所以传感光纤I的长度分别会出现压缩和伸长，这会使两臂的相位差发生变化，故干涉条纹将发生变化，通过检测分析条纹信息，解调出其相位，就可以测得振动加速度和振动参数，原理图参照图5。
【主权项】
1.一种双端固支梁式光纤加速度传感器，其特征在于:包括2X2耦合器(8)、弹性薄板(5)、固支梁框架(3)、支撑杆(6)、两根单模光纤(1)、两个质量块(4)和两个法拉第旋光反射镜(7)，弹性薄板(5)设置在两个质量块(4)之间，且弹性薄板(5)和两个质量块(4)三者相互平行间隔设置，支撑杆(6)穿过弹性薄板(5)中心，两端分别与两个质量块(4)固连，通过支撑杆(6)将弹性薄板(5)和两个质量块(4)连为一个整体，将其设置在固支梁框架(3)内；两根单模光纤(I)分别呈跑道状固定在弹性薄板(5)的上下两个表面，固支梁框架(3)包括底板和两块侧板，两块侧板竖直固定在底板两侧，弹性薄板(5)两端分别固定在固支梁框架(3)的侧板内壁，下方的质量块(4)位于固支梁框架(3)的底板上方，两根单模光纤(I)的一端均与2X2耦合器(8)的输入端连接，另一端分别与法拉第旋光反射镜(7)连接。2.根据权利要求1所述的双端固支梁式光纤加速度传感器，其特征在于:还包括环形凹槽(9)，所述环形凹槽(9)固定在固支梁框架(3)的底板顶面，2X2耦合器(8)和两个法拉第旋光反射镜(7)均固定在环形凹槽(9)内，下方的质量块(4)位于环形凹槽(9)顶面的上方。3.根据权利要求2所述的双端固支梁式光纤加速度传感器，其特征在于:所述环形凹槽(9M则壁开有穿线槽，便于将2X2耦合器(8)的输出端拉出。4.根据权利要求1所述的双端固支梁式光纤加速度传感器，其特征在于:所述弹性薄板(5)包括两块薄板通过胶粘构成。5.根据权利要求1所述的双端固支梁式光纤加速度传感器，其特征在于:所述单模光纤(I)长度范围为Im至30m，两根单模光纤(I)的长度不同。6.根据权利要求1所述的双端固支梁式光纤加速度传感器，其特征在于:所述质量块(4)为平板，采用金属。
【文档编号】G01P15/093GK106053882SQ201610674186
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月15日 公开号201610674186.8, CN 106053882 A, CN 106053882A, CN 201610674186, CN-A-106053882, CN106053882 A, CN106053882A, CN201610674186, CN201610674186.8
【发明人】王海林, 邓少坤, 朱日宏, 任仲杰, 闫明鉴
【申请人】南京理工大学