CN107884062B - 一种具有自温补特性的三维微振光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自温补特性的三维微振光纤光栅传感器，属于光纤传感技术领域，包括振子、弹性元件和微振敏感元件，弹性元件与振子构成微振感知元件，将外界被测量三维微振信息转换成振子三维位置的相对移动；弹性元件的一端连接振子，另一端固定在传感器保护外壳上；微振敏感元件分为第一微振敏感元件、第二微振敏感元件、第三微振敏感元件、第四微振敏感元件，微振敏感元件的一端与传感器保护外壳固定连接，另外一端所在的四个平面的中心点按照等三角体放置，且振子位于此等三角体的中心位置。本发明既具有高灵敏的增敏效果，又增加了对被测信号突变的适应性，在三维微振测量方面具有较好的应用效果。

Description

一种具有自温补特性的三维微振光纤光栅传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种具有温度自补偿特性的双翻斗式光纤光栅雨量传感器。

背景技术

光纤光栅传感器具有尺寸小，重量轻，抗电磁干扰，复用性好等其它类型传感器不具备的优点，近年来发展迅速，各种光纤光栅传感产品得到开发并广泛应用。

然而，光纤光栅传感技术在三维微振测量方面涉及相对较少。

现有技术中，光纤光栅三维加速度/振动传感器(申请号200710151178.6)，通过三个相互垂直分布的弯曲梁实现三维加速度/振动的测量，但其尚未考虑温度对测量结果的影响。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种具有自温补特性的三维微振光纤光栅传感器，既具有高灵敏的增敏效果，又增加了对被测信号突变的适应性，在三维微振测量方面具有较好的应用效果。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有自温补特性的三维微振光纤光栅传感器，包括振子、弹性元件和微振敏感元件，弹性元件与振子构成微振感知元件，将外界被测量三维微振信息转换成振子三维位置的相对移动；所述的弹性元件的一端连接振子，另一端固定在传感器保护外壳上；所述的微振敏感元件分为第一微振敏感元件、第二微振敏感元件、第三微振敏感元件、第四微振敏感元件，所述的微振敏感元件的一端与传感器保护外壳固定连接，另外一端所在的四个平面的中心点按照等三角体放置，且振子位于此等三角体的中心位置。

所述的弹性元件包括处于同一片面的第一弹性元件、第二弹性元件、第三弹性元件、第四弹性元件，所述的弹性元件的一端固定在传感器保护外壳四个面的中心点上，另一端连接振子。

所述的微振敏感元件包括铁芯、线圈、永磁铁、敏感特性膜片、光纤光栅和光纤尾纤，所述的铁芯为圆筒状，所述的线圈为缠绕于铁芯的铜线，所述的敏感特性膜片设置在铁芯上表面，在所述的敏感特性膜片下表面中心点处设有永磁体。

所述的光纤光栅通过光纤尾纤经光纤引出孔后引出传感器。

所述的永磁体为磁强度固定的圆柱形结构，敏感特性膜片为波纹膜片状；其中，所述的永磁体与弹性膜片相连，将永磁体与振子相互作用产生的振动力转变成弹性膜片的振动。

有益效果：与现有技术相比，本发明微振敏感元件三角体的放置更有利于传感器立体结构的稳定性；利用电磁场分布与其距离分布成三次方的关系，对传感器进行了增敏处理，进一步提升了传感器的检测精度；铁芯线圈阻尼性结构的设计增加了传感器对于被测量突变的适应性，提高了传感器的检测性能；既具有高灵敏的增敏效果，又增加了对被测信号突变的适应性，在三维微振测量方面具有较好的应用效果。

附图说明

图1为具有自温补特性的三维微振光纤光栅传感器的三维视图；

图2为微振敏感元件空间放置示意图；

图3为微振敏感元件三维示意图；

图4为具有自温补特性的三维微振光纤光栅传感器工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明做进一步的说明。

如图1-4所示，附图标记为：第一弹性元件1、第二弹性元件2、第三弹性元件3、第四弹性元件4、振子5、第一微振敏感元件6、第二微振敏感元件7、第三微振敏感元件8、第四微振敏感元件9、光纤引出孔10、传感器保护外壳1I、铁芯12、线圈13、永磁铁14、弹性膜片15、第一光纤光栅16、第二光纤光栅17、第三光纤光栅18、第四光纤光栅19和光纤尾纤20。其中，第一微振敏感元件6的中心轴线1，第二微振敏感元件7的中心轴线2，第三微振敏感元件8的中心轴线3，第四微振敏感元件9的中心轴线4。

具有自温补特性的三维微振光纤光栅传感器，包括振子5和弹性元件，弹性元件与振子5构成微振感知元件，用来将外界被测量三维微振信息转换成振子5三维位置的相对移动；振子5设置在传感器保护外壳11内的中心位置，弹性元件的一端连接振子5，另一端固定在传感器保护外壳11上。振子5用来转换外界被测量三维微振信息，且对于弹性元件起到预拉伸的作用，避免传感器检测死区。

弹性元件包括第一弹性元件1、第二弹性元件2、第三弹性元件3、第四弹性元件4。第一弹性元件1、第二弹性元件2、第三弹性元件3、第四弹性元件4处于同一片面，其材料及几何参数相同，第一弹性元件1、第二弹性元件2、第三弹性元件3、第四弹性元件4的一端分别与传感器保护外壳11四个面的中心点相连，弹性元件1、第二弹性元件2、第三弹性元件3、第四弹性元件4的另一端与振子5连接。

弹性元件为弹簧或者其他具有弹性应变的元件。

微振敏感元件包括铁芯12、线圈13、永磁铁14、敏感特性膜片15、光纤光栅和光纤尾纤20，铁芯12为圆筒状，线圈13为缠绕于铁芯12的铜线，敏感特性膜片15设置在铁芯12上表面，在敏感特性膜片15下表面中心点处设有永磁体14。

永磁体14为磁强度固定的圆柱形结构，敏感特性膜片15为波纹膜片状。

光纤光栅通过光纤尾纤20经光纤引出孔10后引出传感器。

微振敏感元件分为第一微振敏感元件6、第二微振敏感元件7、第三微振敏感元件8、第四微振敏感元件9，光纤光栅分为第一光纤光栅16、第二光纤光栅17、第三光纤光栅18、第四光纤光栅19，第一微振敏感元件6包括第一光纤光栅16，第二微振敏感元件7包括第二光纤光栅17，第三微振敏感元件8包括第三光纤光栅18，第四微振敏感元件9包括第四光纤光栅19。

第一微振敏感元件6、第二微振敏感元件7、第三微振敏感元件8、第四微振敏感元件9一端与传感器保护外壳11固定连接，另外一端的中心点按照等三角体放置，且振子5位于此等三角体的中心位置。

第一光纤光栅16、第二光纤光栅17、第三光纤光栅18、第四光纤光栅19所在的四个平面的中心点按照正三角体的四个端点放置。

微振敏感元件中永磁体14与弹性膜片15相连，将永磁体14与振子5相互作用产生的振动力转变成弹性膜片的振动，进而弹性膜片对光纤光栅进行微振调制，影响其中心波长的漂移；光纤光栅不仅起到实现外界微振信号检测的作用，且能实现该传感器的温度自补偿特性。

工作过程：传感器安装完成后，外界被测量三维微振信号引起传感器整体振动：因为惯性作用影响，振子5在弹性元件的作用下，其三维空间位置发生变化；振子5三维位置的变化导致其与微振敏感元件的相对空间距离发生变化；进而引起永磁体15与振子5之间的作用力大小发生变化；在此作用力下弹性膜片15发生形变导致其表面的光纤光栅的中心波长发生漂移；通过分析光纤光栅中心波长的漂移反演可得被测量三维微振信号信息，至此该传感器实现被测量三维微振信号的测量。

该传感器具体工作流程说明如下：

假设振子5中心点与直角坐标系原点重合、第四微振敏感元件9的中心轴线4与Z轴重合，第一微振敏感元件6的中心轴线1在直角坐标系XOY平面投影与X轴重合。

假设外界被测量微振信息v(f)沿直角坐标系Z轴振动，此时振子5三维空间位置的偏移O₅(f)可表示为：

O₅(f)＝g[k1，k2，k3，k4，v(f)] (1)

式中，k1、k2、k3、k4分别代表第一弹性元件1、第二弹性元件2、第三弹性元件3、第四弹性元件4的弹性系数，g(x)代表由外界被测量微振信息v(f)作用下振子5三维空间位置偏移的函数关系。当该传感器材料及几何参数确定后，g(x)为特定函数，可以通过标定试验获得。由电磁学基本理论可得，永磁体磁场分布强度与距离永磁体空间距离三次方成反比，即永磁体与振子5之间的作用力和振子5三维空间位置偏移之间存在三次方的增敏效果。

当振子5三维空间位置发生偏移时，第一微振敏感元件6、第二微振敏感元件7、第三微振敏感元件8、第四微振敏感元件9中永磁体与振子5之间的作用力F₁(f)、F₂(f)、F₃(f)、F₄(f)可分别表示为：

F₁(f)＝O₁[B，O³ ₅(f)] (2)

F₂(f)＝O₁[B，O³ ₅(f)] (3)

F₃(f)＝O₃[B，O³ ₅(f)] (4)

F₄(f)＝O₄[B，O³ ₅(f)] (5)

式中，B代表永磁体14的电磁强度大小，O_i(x)代表永磁体14与振子5之间作用力和振子5三维空间位置偏移之间的函数关系。在作用力F₁(f)、F₂(f)、F₃(f)、F₄(f)作用下，第一微振敏感元件6、第二微振敏感元件7、第三微振敏感元件8、第四微振敏感元件9中弹性膜片15的表面应变ε₁(f)、ε₂(f)、ε₃(f)、ε₄(f)可表示为：

式中，E为弹性膜片的弹性模量，υ为膜片泊松比，H为膜片厚度，R为膜片半径。由弹性膜片15的表面应变ε₁(f)、ε₂(f)、ε₃(f)、ε₄(f)可得永磁体与外界被测量微振的振动频率相同。此时铁芯与线圈组成的电磁线圈在动态永磁体产生交变磁场的作用下产生感生磁场，阻碍永磁体磁场的变化，起到一定的阻尼作用。这提高传感器对于被测突变信号的适应性，提高传感器的检测性能。在弹性膜片应变作用下，第一微振敏感元件6、第二微振敏感元件7、第三微振敏感元件8、第四微振敏感元件9中第一光纤光栅16、第二光纤光栅17、第三光纤光栅18、第四光纤光栅19中心波长的漂移Δλ₁(f)、Δλ₂(f)、Δλ₃(f)、Δλ₄(f)可表示为：

Δλ1(f)＝K_εε₁(f)+(ξ+a)ΔT (10)

Δλ₂(f)＝K_εε₂(f)+(ξ+a)ΔT (11)

Δλ₃(f)＝K_εε₃(f)+(ξ+a)ΔT (12)

Δλ₄(f)＝K_εε₄(f)+(ξ+a)ΔT (13)

式中，ΔT为布拉格波长变化量，K_ε为弹性膜片下光栅应变的灵敏度，ξ为光纤光栅热光系数，α为光纤的热膨胀系数。由式(10)-(13)可得，外界被测量微振信息引起光纤光栅中心波长的漂移Δλ1(f)、Δλ2(f)、Δλ3(f)、Δλ4(f)为动态信号，因此准静态信号温度不会传感器的测量性能。通过FFT信号处理第一光纤光栅16、第二光纤光栅17、第三光纤光栅18、第四光纤光栅19中心波长提取其动态信号反演可得弹性膜片15的表面应变ε₁(f)、ε₂(f)、ε₃(f)、ε₄(f)，静态信号反演可得传感器所处测量环境的温度信息。传感器所处测量环境的温度信息使得该三维高精度微振传感器具有温度自补偿的特性。此时，反演分析第一光纤光栅16、第二光纤光栅17、第三光纤光栅18、第四光纤光栅19中心波长所得可得弹性膜片15的表面应变ε₁(f)、ε₂(f)、ε₃(f)、ε₄(f)在此直角坐标系X、Y、Z轴向应变ε_X(f)、ε_Y(f)、ε_Z(f)之间的函数关系为：

ε_Y(f)＝3/2·ε₃(f)-3/2·ε₂(f)＝0 (15)

ε_Z(f)＝ε₄(f)＝[ε₁(f)+ε₂(f)+ε₃(f)]/2 (16)

由反演光纤光栅中心波长所得的弹性膜片15的表面应变ε_Z(f)＝ε₄(f)及式(1)、(5)、(9)进一步分析可得外界被测量Z轴方向的微振信息v(f)。

综上所述，通过反演分析第一微振敏感元件6、第二微振敏感元件7、第三微振敏感元件8、第四微振敏感元件9中第一光纤光栅16、第二光纤光栅17、第三光纤光栅18、第四光纤光栅19中心波长的漂移Δλ₁(f)、Δλ₂(f)、Δλ₃(f)、Δλ₄(f)可实现外界被测量Z轴方向微振信息v(f)的测量。

同理分析可得，该具有自温补特性的三维微振光纤光栅传感器可以实现X轴、Y轴方向微振信息的测量。

由上述分析过程可得：该光纤光栅微振传感器具有温度自补偿的特性，且可以实现X轴、Y轴、Z轴方向微振信息的测量。

Claims (3)

1.一种具有自温补特性的三维微振光纤光栅传感器，其特征在于：包括振子（5）、弹性元件和微振敏感元件，弹性元件与振子（5）构成微振感知元件，将外界被测量三维微振信息转换成振子（5）三维位置的相对移动；所述的弹性元件的一端固定在传感器保护外壳（11）上，另一端连接振子（5）；所述的微振敏感元件分为第一微振敏感元件（6）、第二微振敏感元件（7）、第三微振敏感元件（8）、第四微振敏感元件（9），所述第一微振敏感元件（6）、第二微振敏感元件（7）、第三微振敏感元件（8）、第四微振敏感元件（9）的一端分别与传感器保护外壳（11）固定连接，另外一端所在的四个平面的中心点按照等三角体放置，且振子（5）位于此等三角体的中心位置，所述的弹性元件包括处于同一片面的第一弹性元件（1）、第二弹性元件（2）、第三弹性元件（3）、第四弹性元件（4），所述的第一弹性元件（1）、第二弹性元件（2）、第三弹性元件（3）、第四弹性元件（4）的一端分别固定在传感器保护外壳（11）四个面的中心点上，另一端连接振子（5），所述的第一微振敏感元件（6）、第二微振敏感元件（7）、第三微振敏感元件（8）和第四微振敏感元件（9）包括铁芯（12）、线圈（13）、永磁铁（14）、敏感特性膜片（15）、光纤光栅和光纤尾纤（20），所述的铁芯（12）为圆筒状，所述的线圈（13）为缠绕于铁芯（12）的铜线，所述的敏感特性膜片（15）设置在铁芯（12）上表面，在所述的敏感特性膜片（15）下表面中心点处设有永磁体（14）。

2.根据权利要求1所述的一种具有自温补特性的三维微振光纤光栅传感器，其特征在于：所述的光纤光栅通过光纤尾纤（20）经光纤引出孔（10）后引出传感器。

3.根据权利要求1所述的一种具有自温补特性的三维微振光纤光栅传感器，其特征在于：所述的永磁体（14）为磁强度固定的圆柱形结构，敏感特性膜片（15）为波纹膜片状；其中，所述的永磁体（14）与弹性膜片（15）相连，将永磁体（14）与振子（5）相互作用产生的振动力转变成弹性膜片的振动。