[發明專利]溫度自補償型雙光柵對稱推挽式光纖光柵振動傳感器

有效

• 申請號: 201010181489.9
• 申請日: 2010-05-25
• 公開（公告）號: CN101852643A
• 公開（公告）日: 2010-10-06
• 發明（設計）人: 孟洲;羅洪;于洋;熊水東;王建飛;胡永明;張學亮;胡正良;倪明;姚瓊;曹春燕;楊華勇;張振慧
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心 43202
• 代理人: 郭敏

技術領域

本發明涉及一種光纖傳感器，尤其是一種光纖光柵振動傳感器。

背景技術

在過去的二十年里，人們對光纖Bragg光柵(FBG)傳感技術進行了廣泛而深入的研究，并取得了巨大的發展，可以用來測量應變、溫度、壓力以及一切可以轉換為應變、溫度的物理量，已經被廣泛應用于軍事和民事各領域。FBG加速度振動傳感技術已經成為一個新的應用研究領域。在低頻振動傳感應用領域中，FBG加速度傳感器具有高穩定性、高精度、低功耗、良好低頻特性、抗干擾能力強等優點，因此應用潛力巨大。低頻振動信號檢測在結構工程動力學研究(零點幾赫茲到幾赫茲)、地震預報和海嘯監測預警(千分之幾赫茲到幾百赫茲)、地質勘探和新能源開發(一百赫茲以下)、航空航天、生物動力學和生物醫學領域、先進的精密加工與制造技術領域、國防應用領域、基礎科學研究領域都有廣泛應用。

隨著振動測試技術的發展和高精度測試的需要，研制高性能的振動傳感器勢在必行。光纖傳感技術的出現，給傳感器的發展帶來了前所未有的生命力。國內外研制了多種光纖加速度振動傳感器，它與傳統加速度傳感器相比，不但能抗電磁干擾，而且體小、質輕、動態范圍寬、精度高、能在惡劣環境下工作，因此受到各先進國家軍事與商業領域的極大重視。各種實用的光纖加速度傳感器不斷涌現，主要有光強調制型和相位調制型兩大類。光強調制式有反射式、透射式和偏振式等等；相位調制式有Mach-Zender干涉儀、Michelson干涉儀和Fabry-Perot干涉儀，有一維的，也有二維的；有與水聽器組合在一起的，也有與光纖陀螺儀組合的光纖加速度傳感器，最小的已經做到2.5cm長，直徑僅0.25mm，測量精度已能達到1μg，共振頻率可達到10kHz。由于上述傳感器都是光強調制型和相位調制型加速度傳感器，易受光源波動、光纖擾動、溫度擾動等因素影響，本底低頻噪聲很強，很難實現對低頻振動信號的檢測，尤其是超低頻信號(0.01Hz-10Hz)的測量難道更大。雖然已經提出了一些具有降噪能力的光路結構，但在實際應用中仍然不能有效解決這一問題。

FBG傳感技術是在光纖傳感技術的基礎上發展起來的，從原理上分析，FBG傳感是利用測量Bragg波長變化來實現傳感，基本不受光源波動、光纖擾動等因素影響。因此FBG加速度傳感器不僅具有以上介紹的光纖加速度傳感器的優點，同時克服了這些光纖加速度傳感器的不足之處，能實現實時在線、絕對數字式測量，具有測量范圍廣、精度高、低頻特性好，抗干擾能力強、無需調零、長期穩定性好等優點，為實現振動傳感的高分辨能力、高信噪比、高精確度和高可信度提供了理想的技術手段。

目前，對光纖Bragg光柵加速度振動傳感器的研究，主要是通過不同的結構和材料進行封裝，來實現對光纖Bragg光柵中心波長的調諧，并實現增敏，提高探頭性能。結構形式主要有嵌入式、盤片式、懸梁(臂)式、芯軸彈簧振子式等，基于這些結構的光纖Bragg光柵傳感器各有其優缺點。例如：嵌入式結構自然頻率高，靈敏度低，很難滿足地質勘探、工程建筑健康監測等低頻微弱振動測量要求。要想達到理想的靈敏度和自然頻率需增大質量塊質量，使用軟彈性體，但實際都是難以做到的，并且嵌入式結構交叉靈敏度過大。盤片式結構雖然有較好的抑制交叉靈敏度能力，但靈敏度太低，要想提高靈敏度需增大質量塊質量，但還是很難得到較高的靈敏度，并且嵌入式結構和盤片式結構均不能實現溫度自補償功能。懸梁式結構的研究比較多，現已出現空心梁、等強度梁、懸背梁、雙臂梁等結構。武漢理工大學(專利申請號200510019733.0)和南開大學(專利申請號200420028862.7)設計的振動傳感器均屬該類結構。由于光纖光柵柵區直接粘貼在懸臂梁表面，易產生啁啾或多峰現象致使測試不準，振動信號偏小，穩定性不高，且工作時自由振動衰減緩慢，影響傳感器工作性能。而中國科學院半導體研究所(專利申請號200710065323.9)和同濟大學(專利申請號200820059065)設計的懸臂式結構消除了這一不利因素，他們通過一個“L”杠桿臂的一端與光纖連接避開了光纖光柵柵區直接粘貼在懸臂梁表面，特別是同濟大學設計的高靈敏度溫度自補償型光纖光柵加速度傳感器采用雙光柵結構可以實現溫度自補償，并且靈敏度較高，靈敏度達900pm/g，并引入轉動軸使傳感器結構更加穩定，消除幾何非線性的影響，增強信號的正確性和傳感器的耐久性，但結構復雜，不容易擴展到三維。