一种基于空腔的反射型振动传感器的制作方法

1.本发明涉及振动传感领域，具体涉及一种基于空腔的反射型振动传感器。


背景技术：

2.振动传感器是一种能够测量振动方向、幅度、频率的传感器。随着社会生产的发展，对振动传感器的灵敏度、精确度、稳定性等提出了更高的要求。目前，使用最广泛的是电学式振动传感器，电学式振动传感器是利用压电材料的压电效应实现传感功能，其性能依赖于压电材料的压电效应强弱。传统的电学振动探测器工作时，会受到周围环境中温度、湿度、压强等因素的影响。这样后续信号处理中要经过复杂的滤波、补偿、反馈电路的信号处理过程，过程中会导致系统的振动探测信号被影响，由此增加了振动信号收集处理过程的难度，降低了探测的灵敏度，所以压电材料的压电效应的响应灵敏度已经不能满足高灵敏度传感的需求。


技术实现要素：

3.为解决以上问题，本发明提供了一种基于空腔的反射型振动传感器，包括固定部、连接部、光纤、空腔、弹性部，固定部和连接部分别固定连接于弹性部两端，固定部上有一贯穿圆柱孔，弹性部上有一不贯穿的圆柱孔，固定部上的贯穿圆柱孔与弹性部上的不贯穿圆柱孔的方向相同，且两圆柱孔轴线共线，光纤穿过固定部上的贯穿圆柱孔，并且嵌入弹性部上的不贯穿圆柱孔内，光纤嵌入弹性部的长度小于弹性部上的不贯穿圆柱孔的长度，光纤的端面与不贯穿圆柱孔的底面之间形成空腔，光纤与固定部上的贯穿圆柱孔和弹性部上的不贯穿圆柱孔之间均固定连接。
4.更进一步地，固定部的形状为中部有贯穿圆柱孔的圆柱状，连接部的形状为圆柱状。
5.更进一步地，固定部上的贯穿圆柱孔和弹性部上的不贯穿圆柱孔的方向与圆柱状固定部的轴线方向平行。
6.更进一步地，固定部在与弹性部上圆柱孔的方向垂直方向上截面的面积大于弹性部在该方向上截面的面积，固定部与弹性部接触面有与弹性部匹配的凹陷。
7.更进一步地，连接部在与弹性部上圆柱孔的方向垂直方向上截面的面积大于弹性部在该方向上截面的面积，连接部与弹性部接触面有与弹性部匹配的凹陷。
8.更进一步地，固定部和连接部的材料为钢材、硬质木材、硅、氮化硅中的一种。
9.更进一步地，空腔为上窄下宽的圆台状。
10.更进一步地，空腔底部有贵金属颗粒，贵金属颗粒的材料为金或银。
11.更进一步地，空腔侧壁刻有周期性排布的水平凹槽。
12.更进一步地，光纤为石英光纤或塑料光纤。
13.本发明的有益效果：本发明提供了一种基于空腔的反射型振动传感器。应用时，待测振源带动连接部振动，连接部的振动使得弹性部形变，引起弹性部局部密度的不同，进而
引起局部折射率的不同，振动也引起空腔的形变，使得空腔的底面和侧壁发生较大位移。激光由光纤进入空腔，一部分经空腔壁反射再次进入光纤，由于空腔发生形变，激光在空腔壁上的反射路径不同，进入光纤的反射激光的强度不同；另一部分经空腔壁透射进入弹性部，在弹性部内散射和反射后再次进入空腔，经过反射后，最终进入光纤，由于弹性部的局部折射率的改变和空腔壁的形变均改变了透射和反射激光的路径，使得进入光纤的激光光强变化更大。结合以上两个方面，反射激光的光强强烈依赖于弹性部的折射率的改变和空腔的形状变化，故本发明的灵敏度较高。
14.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
15.图1是一种基于空腔的反射型振动传感器的示意图。
16.图2是又一种基于空腔的反射型振动传感器的示意图。
17.图3是又一种基于空腔的反射型振动传感器的示意图。
18.图4是又一种基于空腔的反射型振动传感器的示意图。
19.图5是又一种基于空腔的反射型振动传感器的示意图。
20.图中：1、固定部；2、连接部；3、光纤；4、空腔；5、弹性部；6、贵金属颗粒；7、透明液体。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、原理、技术方案和优点更加清晰明白，以下将结合具体实施例，并参照附图对本发明做详细的说明。
22.实施例1
23.本发明提供了一种基于空腔的反射型振动传感器，如图1所示，包括固定部1、连接部2、光纤3、空腔4、弹性部5。固定部1和连接部2分别固定连接于弹性部5两端，固定部1和连接部2的材料为钢材、硬质木材、硅、氮化硅中的一种。固定部1和连接部2的材料可以相同也可以不相同。弹性部5的材料为弹性透光材料，具体地，弹性部5的材料为聚甲基丙烯酸甲酯或透明橡胶。固定部1上有一贯穿圆柱孔，弹性部5上有一不贯穿的圆柱孔，固定部5上的贯穿圆柱孔与弹性部5上的不贯穿圆柱孔的方向相同，且两圆柱孔轴线共线，光纤3穿过固定部1上的贯穿圆柱孔，并且嵌入弹性部5上的不贯穿圆柱孔内，这样方便将光纤3穿入固定部1和弹性部5。光纤3嵌入弹性部5的长度小于弹性部5上的不贯穿圆柱孔的长度，光纤3的端面与不贯穿圆柱孔的底面之间形成空腔4，光纤3与固定部1上的贯穿圆柱孔和弹性部5上的不贯穿圆柱孔之间均固定连接。
24.应用时，光纤3外接一个光纤环形器，光纤环形器的一个端口接激光器，另一个端口接光谱仪、光探测器，激光器发出的激光进入光纤3，由光纤3接收到的激光进入光谱仪、光探测器。固定部1固定在固定物上，连接部2固定在待测振源表面，振源带动连接部2振动，连接部2的振动使得弹性部5形变，引起弹性部5局部密度的不同，进而局部折射率不同，振动同时也引起空腔4的形变，使得空腔4的底面和侧壁发生较大位移。激光由光纤3进入空腔4，一部分激光经空腔4的腔壁反射再次进入光纤3，由于空腔3发生形变，激光在空腔壁上的反射路径不同，进入光纤的反射激光的强度不同；另一部分激光经空腔4的腔壁透射进入弹
性部5，在弹性部5内经散射和反射后再次进入空腔4，经过反射后，最终进入光纤3，由于弹性部5的局部折射率的改变和空腔4的形变均改变了透射和反射激光的路径，使得进入光纤3的激光光强变化更大，反射光谱上谱线的高度变化更多。结合以上两个方面，反射激光的光强强烈依赖于弹性部5的折射率的改变和空腔4的形状变化，故本发明的灵敏度较高。另外，分析时域上的反射光谱，还可得到振动的频率信息。
25.实施例2
26.在实施例1的基础上，光纤3可以为石英光纤也可以为塑料光纤。石英光纤适合长距离传输，输出信号的处理端可以距离待测环境很远，适合在特殊环境中工作；塑料光纤的直径可达1mm，是石英光纤的8-20倍，数值孔径较大，与光源的耦合效率高,耦合进光纤的光功率大,有利于提高振动探测的范围。另外，塑料光纤连接容易，连接损耗较小。根据不同需求选择石英光纤或塑料光纤或将石英光纤和塑料光纤连接使用，提高本发明的适用性。
27.实施例3
28.在实施例2的基础上，固定部1上贯穿圆柱孔的形状和大小与光纤3匹配。弹性部5的形状为柱状，其截面形状可以为圆形、矩形、六边形中的一个。固定部1上的贯穿圆柱孔和弹性部5上的不贯穿圆柱孔的方向与圆柱状固定部的轴线方向平行。固定部1的形状为中部有贯穿圆柱孔的圆柱状，且其在与弹性部5上圆柱孔的方向垂直方向上截面的面积大于弹性部5在该方向上截面的面积，这样固定部1有凸出部位方便固定。连接部2的形状为圆柱状，且其在与弹性部5上圆柱孔的方向垂直方向上截面的面积大于弹性部5在该方向上截面的面积，这样连接部2有凸出部位方便固定。固定部1和连接部2与弹性部5接触面均有与弹性部5匹配的凹陷，接触面为一凹陷，这样固定部1和连接部2与弹性部5之间连接更牢固，有利于保护和固定光纤3，提高本发明传感器的稳定性。
29.实施例4
30.在实施例3的基础上，如图2所示，空腔4的形状为上窄下宽的圆台状。激光在空腔4内传播时，能够携带振动信息回到光纤3内的激光中大部分是由空腔4的底面反射进入光纤3的。空腔4的形状为上窄下宽，这样当振源的振幅较大时，光纤3仍然能够正对空腔4的底面，空腔4的底面仍能将较多的激光反射进入光纤3中，使其能够传感更大振幅的振动，从而有效地扩大了本发明振动传感器的传感范围，即提高本发明传感器的量程。
31.实施例5
32.在实施例4的基础上，如图3所示，空腔4底面上粘贴固定有多个贵金属颗粒6，贵金属颗粒6的材料为金或者银，贵金属颗粒6的粒径为百纳米量级。一方面，贵金属颗粒6对激光有很好的反射作用，使得进入光纤3的激光强度更大，提高传感器的探测量程；再有，振动时弹性部5形变使得贵金属颗粒6的空间位置改变，使得反射面相应变化，即激光在空腔底面和贵金属颗粒6之间转换，使得入射到光纤3的反射激光光强的变化更大，反射光谱上谱线的高度变化明显，从而，提高了本发明振动传感器的灵敏度。另一方面，贵金属颗粒6在激光作用下产生局域表面等离激元共振，相邻两贵金属颗粒6间存在共振耦合。振动时，相邻贵金属颗粒6的间距随着弹性部5的形变发生变化，相邻两贵金属颗粒6共振耦合的波长和强度与其间距密切相关，进而使得反射光谱上谷的位置和深度发生较大变化，所以有效提高了传感器的探测灵敏度。
33.实施例6
34.在实施例5的基础上，调整贵金属颗粒6的尺寸和间距，使得贵金属颗粒6局域表面等离激元共振波长大致位于850nm/1310nm/1550nm处，对于光纤3，在上述三个窗口，传输信号的质量较高，损耗较小，损耗系数分别为5.0db/km、0.5db/km、0.2db/km。这样，光纤3收集贵金属颗粒6局域表面等离激元共振及其耦合信息的能力更强，提高了传感器的精确度。
35.实施例7
36.在实施例6的基础上，空腔4的侧壁刻有周期性排布的水平凹槽。周期性排布的水平凹槽形成光栅结构，其反射波长与光栅结构的栅距线性相关，光栅结构的栅距与弹性部5的形变程度相关，弹性部5的形变程度又与振源振动情况密切相关。振动时，光栅结构的栅距发生变化，使得其反射进光纤3的激光的波长变化，在反射光谱上为谱线位置的移动，同时空腔4侧壁的角度也会随振动发生变化，这样反射进光纤3的激光强度也会发生变化。这样一来，反射光谱上的谱线位置和高度均会发生变化，使得本发明传感器灵敏度更高。
37.实施例8
38.在实施例7的基础上，如图4所示，空腔4内部还有透明液体7，透明液体7的体积小于空腔4的体积，透明液体7不与弹性部5、贵金属颗粒6发生化学反应。第一方面，加入透明液体7后，其上表面形成了一个激光的反射面。在探测振动时，相比于实施例1或实施例3的结构，透明液体7更容易发生形变，透明液体7的上表面呈现出凹凸不平的波动状态，对进入光纤3的反射光的路径改变更大，从而损耗更多，光强改变更大，反射光谱上的谱线高度变化更大。第二方面，加入透明液体7后，透明液体7上部的空腔4和透明液体7形成的腔，构成了两个紧密接触的法布里-珀罗干涉腔。振动时，两个法布里-珀罗干涉腔的腔长都会发生变化，得到的反射光谱为两个法布里-珀罗干涉腔反射光谱的叠加。法布里-珀罗干涉腔的反射光谱为梳状光谱，两个法布里-珀罗干涉腔的反射光谱分别具有一定的周期，根据两个法布里-珀罗干涉腔反射光谱的包络探测振动的大小，相比于实施例1-7中任意一个实施例中探测光谱峰谷移动的方式，本实施例极大地提高了传感器的灵敏度。两个法布里-珀罗干涉腔反射光谱的包络极灵敏地依赖于两个法布里-珀罗干涉腔的形状变化，包括但不限于腔长的变化，故有效地提升了本发明振动传感器的灵敏度。第三方面，弹性部5形变时，空腔4孔径发生变化，进而使得透明液体7的液面高度变化更明显，这样，反射进光纤3的激光强度的变化更大，提升了传感器的灵敏度。
39.实施例9
40.在实施例8的基础上，如图5所示，透明液体7中还掺有多个贵金属颗粒6。贵金属颗粒6分布在透明液体7中，弹性部5形变时，掺入透明液体7的贵金属颗粒6更容易移动，使得相邻贵金属颗粒6的间距变化较大，进而使得相邻贵金属颗粒6间的共振耦合强度和波长变化较大。由此，反射激光的传播路径与传播损耗会有较大的改变，这使得反射光谱的谱线高度和位置发生较大的变化。同时，掺入的贵金属颗粒6也与空腔4底部粘连的贵金属颗粒6发生共振耦合，使得反射光谱中出现新的共振耦合谷，其深度和位置均随弹性部5的形变而改变。从而，本发明传感器的灵敏度较高。
41.应当理解的是上述实施方式描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求书为准。