[發明專利]一種位移或加速度傳感器

無效

• 申請號: 200810190903.5
• 申請日: 2008-12-30
• 公開（公告）號: CN101464138A
• 公開（公告）日: 2009-06-24
• 發明（設計）人: 關柏鷗;張揚
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01P15/03
• 代理公司: 大連理工大學專利中心
• 代理人: 侯明遠;李寶元

技術領域

本發明涉及光纖傳感技術領域，特別涉及一種基于光纖激光器的位移或加速度傳感器，其可用于橋梁，建筑物和水壩等結構微位移監測以及地震監測，軍事上微震動測量等領域。

背景技術

位移傳感器被廣泛的應用于工業、建筑工程、海洋平臺結構監測等眾多領域，是一種非常重要的傳感器。傳統的位移傳感器，通常采用壓電陶瓷等電類結構來實現，雖然技術成熟，相對成本低廉，但是具有靈敏度低，溫度適應范圍有限，并且對電磁干擾難以屏蔽等諸多不足之處。

隨著上世紀90年代，光纖器件的快速發展，光纖傳感器已經發展為現代傳感測量領域的非常重要的一部分。其相對于傳統的電類傳感器具有非常明顯的優勢：測量精度、靈敏度高，不受電磁干擾，適應溫度范圍大，結構輕便，易于組網等。在眾多領域已經取代傳統的電類傳感器，并且具有更廣泛的應用前景。

在現有應用最多的光纖位移傳感器中，光纖布拉格光柵作為傳感單元具有結構簡單、易于組網、靈敏度高、多參量測量等優勢，如文獻“光纖光柵位移傳感器研究”(王冬生等，2008，《儀表技術與傳感器》)公開了一種光纖光柵位移傳感器，其將光纖光柵粘貼到懸臂梁表面通過懸臂梁拉伸來給光纖光柵施加橫向拉力從而改變光纖光柵的反射波長。這類傳感頭設計，靈敏度和精度不能達到更高的水平，受限于光柵本身結構特性與波長解調裝置，同時利用波長解調方法，在現有階段解調成本昂貴，這也是制約光纖傳感器廣泛應用于工業實踐中的重要原因之一。另外，懸臂梁上粘貼光纖的的方法，會導致一定的光柵啁啾效應，從而影響測量靈敏度，并且需要特殊的結構設計才能消除該問題。

加速度傳感器在地震波測量，房屋結構監控等領域具有重要應用。現有的傳統電類傳感器大多采用壓電陶瓷等靈敏度低，不抗電磁干擾的結構。光纖加速度傳感器具有諸多優勢，許多結構的光纖加速度傳感器已經被應用與實際監測中。

專利“基于超短腔光纖激光器的光纖加速度傳感器”(中國專利公開號：CN101261281A，公開日2008/09/10)公開了一種基于懸臂梁結構的光纖激光器加速度傳感器。該傳感器將光纖激光器粘貼于懸臂梁表面，通過懸臂梁應力改變來給光纖激光器的光柵施加應變改變其布拉格反射波長。該傳感器同樣具有上述所述位移傳感器的類似缺陷，其解調成本昂貴，于實際大規模應用具有一定差距。

發明內容

本發明克服了現有技術中的缺點，提供了一種結構簡單，解調成本低廉，具有高靈敏度及量程的位移或加速度傳感器，本發明利用光纖激光器作為傳感單元，結合懸臂梁結構作為換能裝置，并基于光纖激光器偏振拍頻信號解調來實現對位移或加速度信息的傳感測量。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：

所述位移或加速度傳感器包括第一光纖激光器、懸臂梁和第一平臺，第一光纖激光器夾在懸臂梁和第一平臺之間，懸臂梁產生形變對第一光纖激光器產生作用力，第一光纖激光器和第一平臺在懸臂梁之下或在懸臂梁之上。光纖激光器受到側向作用力時會改變光纖雙折射大小，從而導致輸出激光的偏振拍頻信號變化。

所述懸臂梁在外界作用下產生彎曲形變，并對光纖產生機械力作用。

因為懸臂梁結構通過直接感受位移或加速度等參量變化并將作用力直接傳遞給光纖激光器，這樣方便的將位移或加速度信號轉換為作用力信號，并且有效放大了信號的感應效果，從而有利于得到具有更高靈敏度的傳感器。

優選的，所述光纖激光器可以去掉涂覆層放置在懸臂梁下，這樣更有利于靈敏度的提高。

本領域工程人員會了解，當測量加速度參量時，可以在懸臂梁末端固定一慣性質量塊從而增加光纖激光器感受的作用力以增加加速度測量的靈敏度。

與其他類型傳感器類似，光纖激光器作為傳感器時也存在著溫度干擾的問題，即溫度變化會對光纖激光器的輸出偏振拍頻信號產生影響，帶來測量誤差。本發明還針對該問題提供了相應的解決方案。具體的方法是在懸臂梁另一側，放置第二根光纖激光器，并同樣夾在懸臂梁和平臺之間，施加一定的初始力。兩個光纖激光器偏振拍頻信號同時受到一致的溫度影響，并且懸臂梁對光纖激光器施加壓力方向相反，從而通過兩個傳感器對溫度和作用力的同時響應聯立方程組，并求解，可以去除溫度對傳感器測量的影響。