[發明專利]一種全方位懸臂梁光纖加速度傳感器裝置

有效

• 申請號: 201310232403.4
• 申請日: 2013-06-09
• 公開（公告）號: CN103323621A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 陸云清;陳陶;呼斯楞
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G01P15/03
• 分類號: G01P15/03
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發明涉及一種新穎的全方位懸臂梁光纖加速度傳感器結構及其工作領域，具體涉及可測量運動加速度及振蕩相位領域。

背景技術

加速度傳感器是工業、國防等許多領域中進行沖擊、振動測量常用的重要傳感器。傳統的加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備。加速力就是當物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是個常量，比如g，也可以是變量。傳統加速度傳感器根據測量加速力原理的不同，可以分為壓電式加速度傳感器、壓阻式加速度傳感器、電容式加速度傳感器、電容式加速度傳感器及伺服式加速度傳感器。

壓電式加速度傳感器：又稱壓電加速度計，屬于慣性式傳感器。壓電式加速度傳感器的原理是利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應，在加速度計受振時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。

壓阻式加速度傳感器：該傳感器基于世界領先的MEMS硅微加工技術，壓阻式加速度傳感器具有體積小、低功耗等特點，易于集成在各種模擬和數字電路中，廣泛應用于汽車碰撞實驗、測試儀器、設備振動監測等領域。

電容式加速度傳感器：該傳感器基于電容原理的極距變化型的電容傳感器。電容式加速度傳感器是比較通用的加速度傳感器。在某些領域的應用，如安全氣囊，手機移動設備等無可替代。電容式加速度傳感器采用了微機電系統工藝，在大量生產時變得經濟，從而保證了較低的成本。

伺服式加速度傳感器：該傳感器是一種閉環測試系統，具有動態性能好、動態范圍大和線性度好等特點。其工作原理，傳感器的振動系統由“m-k”系統組成，與一般加速度計相同，但質量塊上還接著一個電磁線圈，當基座上有加速度輸入時，質量塊偏離平衡位置，該位移大小由位移傳感器檢測出來，經伺服放大器放大后轉換為電流輸出，該電流流過電磁線圈，在永久磁鐵的磁場中產生電磁恢復力，力圖使質量塊保持在儀表殼體中原來的平衡位置上，所以伺服加速度傳感器在閉環狀態下工作。由于有反饋作用，增強了抗干擾的能力，提高測量精度，擴大了測量范圍，伺服加速度測量技術廣泛地應用于慣性導航和慣性制導系統中，在高精度的振動測量和標定中也有應用。

這四種性能優異的電子式傳感器，憑借各種獨特的檢測方法，在不同的領域發揮了重要的作用。正如專利ZL200910087937.6中公開的一種帶聲學腔的電容式加速度傳感器，包括：傳感器框架、由檢測質量塊和彈性振動膜構成的加速度檢測結構、和帶有阻尼孔和限位凸點的背極板。檢測質量塊位于加速度傳感器中心位置，通過四周的彈性振動膜與傳感器框架相連接；背極板上制作的阻尼孔用以調節系統阻尼，限位凸點用以防止過載時的粘附或損壞；檢測質量塊與背極板相互平行，且在各相對的表面上分別形成有檢測電容；框架內裝入加速度檢測結構以及背極板封閉后其內部形成聲學腔可以改善頻率響應。本發明的傳感器結構，對加速度傳感器的真空度要求較低，且通過改變阻尼孔的密度和大小、聲學腔的體積等可以調節系統的品質因數Q等重要參數，給設計和制造帶來較大的靈活性。但是電子式傳感器都存在著一個不可避免的缺點，那就是信號的轉換都是直接在傳感頭部分將外接加速度轉化為電信號，當工作環境中存在電磁和原子輻射等干擾時，傳感器將無法正常使用。

這時，就需要考慮一種抗電磁干擾的新式檢測方法，光纖傳感器就是其中一中解決方案。光纖具有很多優異的性能，例如：具有抗電磁和原子輻射干擾的性能，徑細、質軟、重量輕的機械性能；絕緣、無感應的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在人達不到的地方（如高溫區），或者對人有害的地區（如核輻射區），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。與傳統加速度傳感器相比，光纖加速度傳感器不但具有抗電磁干擾的獨特優點，而且體積小、質量輕、動態范圍寬、準確度高、能在惡劣環境下工作，因此光纖加速度傳感器的研究受到高度重視，各種光纖加速度傳感器不斷涌現。

光纖加速傳感器則采用光纖傳感技術測量質量塊的慣性力或位移。其工作原理是采用慣性原理，利用質量塊感受被測件運動時產生的慣性力或位移，測量出此慣性力或位移即可測量出相應的加速度。

目前研制的光纖加速度傳感器主要有光強調制型與相位調制型兩大類。光強調制型有透射式、反射式、偏振式等，其結構一般比較簡單，容易實現，國內外研究較多;相位調制型光纖加速度傳感器均屬本征型，有Mach-Zender干涉式，Michelson干涉式和Fabry-Perot干涉式等。但其存在的缺點是：