专利名称：一种位移或加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种基于光纤激光器的位移或加 速度传感器，其可用于桥梁，建筑物和水坝等结构微位移监测以及地震监测， 军事上微震动测量等领域。
背景技术：
位移传感器被广泛的应用于工业、建筑工程、海洋平台结构监测等众多领 域，是一种非常重要的传感器。传统的位移传感器，通常采用压电陶瓷等电类 结构来实现，虽然技术成熟，相对成本低廉，但是具有灵敏度低，温度适应范 围有限，并且对电磁干扰难以屏蔽等诸多不足之处。
随着上世纪90年代，光纤器件的快速发展，光纤传感器已经发展为现代传 感测量领域的非常重要的一部分。其相对于传统的电类传感器具有非常明显的
优势测量精度、灵敏度高，不受电磁干扰，适应温度范围大，结构轻便，易 于组网等。在众多领域已经取代传统的电类传感器，并且具有更广泛的应用前 景。
在现有应用最多的光纤位移传感器中，光纤布拉格光栅作为传感单元具有 结构简单、易于组网、灵敏度高、多参量测量等优势，如文献"光纤光栅位移
传感器研究"(王冬生等，2008，《仪表技术与传感器》)公开了一种光纤光栅位 移传感器，其将光纤光栅粘贴到悬臂梁表面通过悬臂梁拉伸来给光纤光栅施加 横向拉力从而改变光纤光栅的反射波长。这类传感头设计，灵敏度和精度不能 达到更高的水平，受限于光栅本身结构特性与波长解调装置，同时利用波长解
3调方法，在现有阶段解调成本昂贵，这也是制约光纤传感器广泛应用于工业实 践中的重要原因之一。另外，悬臂梁上粘贴光纤的的方法，会导致一定的光栅 啁啾效应，从而影响测量灵敏度，并且需要特殊的结构设计才能消除该问题。
加速度传感器在地震波测量，房屋结构监控等领域具有重要应用。现有的 传统电类传感器大多采用压电陶瓷等灵敏度低，不抗电磁干扰的结构。光纤加 速度传感器具有诸多优势，许多结构的光纤加速度传感器己经被应用与实际监
专利"基于超短腔光纤激光器的光纤加速度传感器"(中国专利公开号CN
101261281A，
公开日2008/09/10)公开了一种基于悬臂梁结构的光纤激光器加 速度传感器。该传感器将光纤激光器粘贴于悬臂梁表面，通过悬臂梁应力改变 来给光纤激光器的光栅施加应变改变其布拉格反射波长。该传感器同样具有上 述所述位移传感器的类似缺陷，其解调成本昂贵，于实际大规模应用具有一定 差距。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种结构简单，解调成本低廉， 具有高灵敏度及量程的位移或加速度传感器，本发明利用光纤激光器作为传感 单元，结合悬臂梁结构作为换能装置，并基于光纤激光器偏振拍频信号解调来 实现对位移或加速度信息的传感测量。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是
所述位移或加速度传感器包括第一光纤激光器、悬臂梁和第一平台，第一 光纤激光器夹在悬臂梁和第一平台之间，悬臂梁产生形变对第一光纤激光器产 生作用力，第一光纤激光器和第一平台在悬臂梁之下或在悬臂梁之上。光纤激 光器受到侧向作用力时会改变光纤双折射大小，从而导致输出激光的偏振拍频信号变化。
所述悬臂梁在外界作用下产生弯曲形变，并对光纤产生机械力作用。 因为悬臂梁结构通过直接感受位移或加速度等参量变化并将作用力直接传 递给光纤激光器，这样方便的将位移或加速度信号转换为作用力信号，并且有 效放大了信号的感应效果，从而有利于得到具有更高灵敏度的传感器。
优选的，所述光纤激光器可以去掉涂覆层放置在悬臂梁下，这样更有利于灵 敏度的提高。
本领域工程人员会了解，当测量加速度参量时，可以在悬臂梁末端固定一 惯性质量块从而增加光纤激光器感受的作用力以增加加速度测量的灵敏度。
与其他类型传感器类似，光纤激光器作为传感器时也存在着温度干扰的问 题，即温度变化会对光纤激光器的输出偏振拍频信号产生影响，带来测量误差。 本发明还针对该问题提供了相应的解决方案。具体的方法是在悬臂梁另一侧， 放置第二根光纤激光器，并同样夹在悬臂梁和平台之间，施加一定的初始力。 两个光纤激光器偏振拍频信号同时受到一致的温度影响，并且悬臂梁对光纤激 光器施加压力方向相反，从而通过两个传感器对温度和作用力的同时响应联立 方程组，并求解，可以去除温度对传感器测量的影响。
本发明的有益效果是与现有技术相比，本发明具有的优点是与传统的电 类传感器相比，具有不受电磁干扰的优势；比用基于光纤光栅的位移传或加速 度传感器的灵敏度和精度更高，其位移测量精度高达0.169 nm，加速度测量精 度高达0.025膽，同时具有长达10cm大量程和60dB的高信噪比；比传统基于 波长解调的光纤传感器，具有解调技术成熟、方便，成本低廉的优点。此外木 发明既可以对位移进行测量，也可以用于加速度参量的测量，还可以去除温度 串扰的影响。
附图1是悬臂梁位于平台上方的位移传感器示意图。
附图2是另一种可行的悬臂梁位于平台下方的位移传感器示意图。 附图3是一种用于温度补偿的位移传感器示意图。 附图4是加速度传感器示意图。
图中l第一光纤激光器；2悬臂梁；3第一平台；4惯性质量块；5第二光 纤激光器；6第二平台。
具体实施例方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。 实施例1:
图1中，第一光纤激光器1放置在悬臂梁2和第一平台3中间，与二者相
互接触。悬臂梁2的材料可以是塑料，聚合物材料，金属板等，在末端受到
作用力会产生位移，同时会对其下面的光纤激光器产生机械压力作用。本实施
例中采用分布布拉格反射式光纤激光器(DBR光纤激光器)，运行于单纵模双偏 振态，悬臂梁选用塑料聚合物。本领域技术人员应该明白，当光纤激光器受到 侧向压力时，光纤会产生的双折射效应，从而导致光纤激光器输出的偏振拍频 信号发生变化。
悬臂梁末端位移(挠度)与光纤受到的压力关系由下面公式给出
其中F为光纤受到的压力，y为悬臂梁末端产生的挠度(即位移)，&为悬臂 梁材料的弹性模量，6为悬臂梁宽度，A为悬臂梁厚度，/为悬臂梁长度，x为光纤 的位置距离悬臂梁支点距离。悬臂梁末端产生的位移与拍频信号的变化有下公式给出-早。=〖~^~(一-l)yb
甘cbr1 2cV(; n-p12)(l + vp)cos,1 ru /、t、
具中AT =--^-= 14.4-(mm' |am GHz/N)
丄f A。7ZT五f Zf义。
々为光纤激光器的有效腔长， 为光纤纤芯折射率，A。为输出激光波长， ^和/772为光纤的光弹性系数，Vp为其泊松比，^为压力方向与光纤本身的双折 射方向夹角。五/为光纤弹性模量，r为光纤半径，C为真空中光速。5(Av)为偏振
拍频变化量。A为悬臂梁末端位移。
从上诉公式可以看出，在光纤激光器和悬臂梁参数一定的情况下，偏振拍 频信号变化与悬臂梁末端位移具有良好的线性关系。
具体的，本实施例中悬臂梁的￡b - 2.744X104 N/mm2，尺寸为160mmX 27mmX2.1mm (/X6XA)，光纤激光器泵浦光波长为980nm，输出光波长为 1545nm，有效腔长12mm， x=20mm, r=62.5X 10_3mm，《=90°，通过高速光电 探测器和频谱分析仪测量得到不同位移下的拍频变化量，得到了 0.402 GHz/mm 的高灵敏度。实验中使用的频谱分析仪的精度为lkHz，计算得到本发明作为位 移传感器的测量精度高达0.169 nm，并且在本实施例中使用的悬臂梁的量程可 达10cm。同时拍频信号信噪比达到60dB。本实施例中，信号解调是在频域内通 过电信号来实现，使得解调成本非常低廉，由于现有电解调技术已经非常成熟， 因此相比光纤传感器通常应用的光解调方式具有非常好的实际应用前景。 实施例2:
一种加速度传感器，如图4，上面所述位移传感器同样的特征结构，同样口丁 以用来测量加速度参量。当悬臂梁2和第一光纤激光器1处于加速度环境中时， 第一光纤激光器1会受到悬臂梁的反作用力，从而改变第一光纤激光器1输出光的偏振拍频信号。通过偏振拍频信号变化的测量，可以得到环境加速度参量。 本领域技术人员应该了解，虽然悬臂梁作为加速度传感具有一定的放大效 果，但是由于加速度与质量相关，为了获得更大的惯性力可以在悬臂梁末端固 定一惯性质量块4来增加传感器的灵敏度，因此本实施例在悬臂梁末端固定了 金属铜块来获得更高的灵敏度响应。
其灵敏度相应由下式给出
S —5(Av)，ff^ 3/、 a 2/, 、x 一
，中B — 2c"。2 (P" — & )(1 + 、 )cos(20)
其中fl为加速度，s为灵敏度，m为所加金属铜块质量。 将所述加速度传感器放在具有固定频率(频率小于悬臂梁固有频率)震动 的震动平台上做加速度测量，得到了 388.57M/fe/"/V)的灵敏度，根据所使用的 频谱分析仪的最小测量精度lkHz，可以得到本发明作为加速度传感器的最小可 测量加速度可达0.025//g。
其中-
￡ = 210x10—9 iV/附2 =210xl09^g'm/(j、m2)， /=0.05m, 6=0.004m, /2=0.001m, x=0.0025m， w=0.02kg
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权利要求
1. 一种位移或加速度传感器，包括第一光纤激光器(1)、悬臂梁(2)和第一平台(3)，其特征在于第一光纤激光器(1)夹在悬臂梁(2)和第一平台(3)之间，悬臂梁(2)产生形变对第一光纤激光器(1)产生作用力，第一光纤激光器(1)和第一平台(3)在悬臂梁(2)之下或在悬臂梁(2)之上。
2. 根据权利要求1所述的一种位移或加速度传感器，其特征还在于还包括第二光纤激光器(5)和第二平台(6)，第二光纤激光器(5)夹在悬臂梁(2)与第二平台(6)之间，第二光纤激光器(5)与第一光纤激光器(1)分别位于悬臂梁(2)上下两侧。
3. 根据权利1或2所述的一种位移或加速度传感器，其特征在于所述的悬臂梁(2)固定有惯性质量块(4)。
4. 根据权利1或2所述的一种位移或加速度传感器，其特征在于所述光纤激光器为分布布拉格反射光纤激光器或分布反馈光纤激光器。
全文摘要
本发明公开了一种位移或加速度传感器，属于光纤传感技术领域。其特征是该位移或加速度传感器包括第一光纤激光器、悬臂梁和第一平台，第一光纤激光器夹在悬臂梁表面和第一平台表面之间，第一光纤激光器和第一平台在悬臂梁之下或在悬臂梁之上，悬臂梁产生形变对第一光纤激光器产生作用力。本发明的效果和益处是该传感器克服了传统电类传感器易受电磁干扰的缺点，提供了一种灵敏度高，量程大，结构简单，解调成本低廉，信噪比更好的光纤位移或加速度传感器。
文档编号G01B11/02GK101464138SQ20081019090
公开日2009年6月24日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者关柏鸥, 扬 张 申请人:大连理工大学