光纤式加速度传感器的制作方法

本发明涉及一种尤其应用在发电机中的光纤式加速度传感器。

发电站领域中的发电机主要在绕组端部的区域内具有双倍电网频率的振动。在杆式振动的振幅过高时，可能损坏绝缘件或者铜，从而需要对发电机进行维护。因为绕组端部处于高压电势上，所以为监测这些振动越来越多地使用光纤式加速度传感器(所谓的foa＝fiberopticalaccelerometer)。

由de102010019813a1已知的加速度传感器使用的方法是将光学纤维的自由端部的偏转转化为光信号的强度改变，方式为纤维的自由端部指向倾斜的镜子。在这种传感器原理中，传感器的共振频率通过弹性模量、面积惯性矩、自由纤维的长度和密度定义。传感器的灵敏度相应于纤维端部的偏转并且通过相同的参数描述。外部因素如温度改变信号的精度。

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种光纤式加速度传感器，其中减少传感器温度对信号精度的影响。

该技术问题按本发明通过具有权利要求1的特征的光纤式加速度传感器解决。从属权利要求涉及本发明的有利设计方案。

按照本发明的光纤式加速度传感器包括光学纤维，所述光学纤维具有自由端部，其中，所述自由端部在加速度影响下产生振动，并且所述振动作为加速度的量度被探测。光纤式加速度传感器还包括光源，所述光源用于在纤维的背离自由端部的端部处将可见的、紫外的或者红外的光线发射到光学纤维中，光纤式加速度传感器包括镜子，所述镜子布置用于将部分从自由端部射出的光线反射到光学纤维中，以及光纤式加速度传感器包括用于在纤维的背离自由端部的端部处接收反射光线的探测装置。按照本发明，光学纤维的纤芯在自由端部中具有布拉格光栅。

对于本发明已经认识到的是，借助靠近光学纤维的端部置入其纤芯中的布拉格光栅能够测量光学纤维的温度。在此有利的是，不需要待机械安装的附加传感器。此外，所测量的温度尽可能相当于实际传感器温度，其也影响加速度的测量信号。最后特别有利的是，布拉格光栅及其光学分析不受电气因素的影响并且也不会向外引起电干扰。

相宜地，探测装置设计用于分析布拉格光栅的反射信号。为此，原本就发送用于探测加速度的光线被共同使用，或者附加地馈送单独的光信号。对布拉格光栅的反射的光谱分析产生了光学纤维在布拉格光栅的位置上的温度。

光学纤维可以设计为单模波导。这能够从布拉格光栅的反射信号简化地分析温度。光学纤维备选地可以设计为多模波导。由此在加速度测量方面的信号质量比在单模波导的情况下得到改善。

光学纤维可以设计为具有单模纤芯和至少一个多模纤芯的多纤芯纤维。直径例如为9μm的单模纤芯包围布拉格光栅并且用于测量温度。一个或多个多模纤芯用于将光束引向光学纤维的自由端部，以便测量加速度。

作为对具有多个纤芯的设计方案的备选或补充，光学纤维可以是双包层光纤，其具有一个或多个纤芯、内包层和外包层。在这种情况下有利的是，内包层的数值孔径大于一个或多个纤芯的数值孔径，所述纤芯用于导引光束以测量加速度。由此，由镜子反射的光束的较大部分能够在往回方向上由光学纤维接收并且因此可以实现更好的信号，因为在镜子上反射的光线到达纤维端面并且在该处从内包层相比一般的光学纤维在更大的数值孔径中也在明显更大的角度下入射并且导引。镜子尤其可以在预设的功率损失中以较大的角倾斜，这实现了更强的加速度信号。

用于导引光束以测量加速度的一个或多个纤芯的数值孔径的有利范围是0.075至0.14。内包层的数值孔径的有利范围是0.22至0.5。内包层有利地设计为多模波导。

布拉格光栅优选靠近光学纤维的自由端部，例如布置在光学纤维的靠近纤维自由端部的纤维终点的25％处。

光学纤维的一个或多个多模纤芯的尺寸例如可以在作为多模纤芯时是50μm或者62.5μm，或者例如是25μm作为中间尺寸，即所谓的few-mode(少模)。作为多模纤芯的内包层既可以在单独的单模纤芯的情况下具有如62.5μm的标准尺寸，也可以具有较大的直径，如200μm或者400μm。

本发明的其它有利的设计方案和扩展设计包括：

-为了相对于运行频率保持共振频率足够高，通常为400hz，纤维的长度相宜地选择得足够小。而为了较高的灵敏度，尽可能大的纤维长度是有利的。在本发明的一种有利的设计方案中，对于标准多模纤维62/125μm，针对自由端部使用12至18mm之间的纤维长度。尤其选择15至17mm之间的纤维长度，并且按照一种有利的设计方案，纤维长度为16mm。16mm的纤维长度业已证明在共振频率和灵敏度方面是有利的。

-优选只将光学纤维的自重用作振荡质量。

为了避免在光学纤维的终端面上的反向反射，按照本发明的一种有利的设计方案，使用端面的8°断口。纤维端部相对于镜子的方位角定向相宜地选择为，使得断口和镜面形成最大可能角。换而言之，断口与镜面形成“v”的形状。通过倾斜的终端面，光线例如向下(相对于“v”的形状向下地)由纤维折射约3.5°。由此减小了入射到镜子上的有效入射角。

在本发明的一种有利的设计方案中，镜子倾斜9°至13°之间。纤维端部相对于镜子的方位角定向相宜地又选择为，使得断口与镜面形成最大可能角。换而言之，断口与镜面形成“v”的形状。镜面尤其倾斜11°。

备选地，镜面和纤维端部也可以这样彼此布置，从而使形成的角最小化。换而言之，倾斜的镜面与断口形成平行四边形状的结构。

有利的是，玻璃纤维与镜子的距离在25至75μm之间。通过所述的配置有利地产生了相对线性的、加速度值在0至10g之间的传感器特征曲线，其灵敏度约为1％/g。

为了简化结构，传感器头的所有元件优选设计为柱形对称的。柱形的传感器随即装入矩形的块中。作为输送管路例如使用3-5mm直径的特氟龙管，玻璃纤维松弛地设置在特氟龙管中。在输送管路的端部具有用于光波导体的插头，例如型号为fc-apc或者e-2000。

根据附图详细阐述本发明的优选的、但不限于此的实施例。在此，特征示意性地并且不是必须按照真实比例地示出。在附图中：

图1示出具有玻璃纤维和镜子的光纤式加速度传感器；

图2以放大的视图示出光纤式加速度传感器的局部；

图3示出剖切玻璃纤维得到的纵剖面；

图4示出剖切双包层光纤得到的纵剖面；

图5示出剖切多纤芯纤维得到的横剖面。

图1所示的光纤式加速度传感器10包括玻璃纤维11作为主要元件。所述玻璃纤维设计为双包层光纤。玻璃纤维11的16mm长的区段是自由或者说裸露的。玻璃纤维11在所述区段的端部终结。与自由区段相连接地，玻璃纤维11固定在导引元件16中。玻璃纤维11在进一步的延伸中松弛地在3.7mm直径的特氟龙管15中导引。

特氟龙管15的端部与导引元件16共同由第一套筒19包围。围绕第一套筒19设有第二套筒12。所述第二套筒12从第一套筒的区域经过玻璃纤维11的自由区段延伸出去。在端侧，也就是在玻璃纤维11终结之处，第二套管12具有以11°的角倾斜的终端部，其在柱形的第二套筒12中显示为圆环形的倾斜端部17。第二套筒12本身在这个部位是敞开的，但通过铝-玻璃镜子14封闭。所述铝-玻璃镜子14通过粘接固定在倾斜端部上，因此铝-玻璃镜子14本身倾斜于纤维轴线的法向平面地设置。

立方体状的元件13从铝-玻璃镜子14的高度至第一套筒19地包围迄今描述的结构。通过套筒19、12和立方体状的元件13以及铝-玻璃镜子14和导引元件16，玻璃纤维11的自由区段完全与外界隔离，因此没有干扰因素从外部影响测量。

立方体状的元件13和套筒12也可以融合为一个唯一的构件。

图2示出玻璃纤维11的放大但没有按比例尺显示的端部与铝-玻璃镜子14的关联。入射到玻璃纤维11中的光线由玻璃纤维射出进入自由放射段。光线在铝-玻璃镜子14上被反射并且一部分光线又入射到玻璃纤维11中。

铝-玻璃镜子14在图2所示的放大图中不再完整地显示，铝-玻璃镜子14相对于玻璃纤维轴线的法向平面以11°的角18布置。玻璃纤维11的端部与铝-玻璃镜子14之间的距离21在本实施例中是50μm。

图3示出剖切玻璃纤维11得到的纵剖面。玻璃纤维11包括包层100和单模纤芯101。图3再次示出，玻璃纤维11以角20相对于垂线终结。在玻璃纤维11的端部附近，布拉格光栅105装入单模纤芯101中。在此，与玻璃纤维11的端部的距离没有按比例地示出。

玻璃纤维11的温度的测量通过以下方式进行，即，具有处于布拉格光栅105的反射波长范围内的部分的光束被馈送到玻璃纤维11中并且接收反射的光束。反射的光束在此在布拉格光栅105的反射波长处呈现功率峰值，其中，布拉格光栅105的反射波长取决于玻璃纤维11的温度。

为此使用的光束可以是与用于测量加速度相同的光束。备选地也可以使用单独的光源，其特别为了测量温度而将光束馈送到玻璃纤维11中。

玻璃纤维11也可以通过光学纤维的其它设计方案代替。图4示出光学纤维的另一设计方案的例子。图4所示的光学纤维40是双包层光纤35，其包括纤芯30、内包层31和外包层32。在此所示的纤芯30设计为多模纤芯并且具有62.5μm的直径，而内包层200的直径为200μm。纤芯30用于将光线导引至双包层光纤35的自由端部并且由此导引至铝-玻璃镜子14。纤芯30在靠近双包层光纤35的端部处包括布拉格光栅105。

纤芯30设计为，使得其具有较小的数值孔径并且因此具有较小的出射角33。例如，数值孔径在此为0.1。内包层31具有较大的数值孔径并且因此具有较大的接收角34，光线能够以所述接收角入射。例如数值孔径在此是0.3。图3并没有按照真实角度地呈现出射角或者接收角。在内包层中，由铝-玻璃镜子14反射的光束又入射并且往回导引至探测器。

有利地，通过双包层光纤35的使用和设计，可以增大铝-玻璃镜子14相对于垂直结构倾斜的角18。由此可以取代在其它情况下优选的例如11°的角而选择12°或者更大的、尤其是15°的角。在此损失的光功率没有在使用一般的光学纤维、如玻璃纤维11的情况下那么大，并且通过由于在双包层光纤35偏转时增大的角和与之相关增大的信号强度在信号分辨率方面获得的优势得以补偿和超过。

同时，通过布拉格光栅105读取双包层光纤35的温度允许进一步提高所测量的加速度值的精度。

在图5中以没有按比例尺的横截面示出光学纤维的另一设计方案。多纤芯纤维50同样指的是具有外包层51和内包层52的双包层光纤。然而，内包层52现在包围单模纤芯53和三个相邻布置的多模纤芯54。

布拉格光栅105布置在单模纤芯53中。在单模纤芯53中，布拉格光栅105的反射波长有利地能够比在多模纤芯中更便于被问询或者说测量。

多模纤芯54用于导引光束以测量加速度，也就是朝向铝-玻璃镜子14的方向导引。通过使用三个多模纤芯54，通过铝-玻璃镜子14实现了在光束反射之后对内包层52的良好照明并且传输尽可能多的光束以实现较高的信号质量。

在备选的设计方案中，也可以使用单独的多模纤芯54，其优选布置在内包层52的中央并且由此用于对称地照明内包层52，而单模纤芯53不在中央地布置。