基于梳状栅格的MOEMS无线振动传感器及其工作方法与流程

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种通过梳状栅格实现外界振动信号对传感器光强信号编码，并具备无线信号传输功能的MOEMS无线振动传感器及其工作方法。

背景技术：

微光机电系统(MOEMS)是近几年在微机电系统(MEMS)中发展起来的一支极具活力的新技术系统，它是由微光学、微电子和微机械相结合而产生的一种新型的微光学结构系统。MOEMS因其可批量生产、体积小、精度高等优点，而广泛应用于光通讯及图像处理方面，其在工程检测传感领域的专利报道相对较少。

中国专利CN102483427A给出一种CMOS MOEMS传感器可以用于探测诸如振动、运动、旋转、加速度等物理参数。但是该CMOS MOEMS传感器在监测被测动态参量时需要保证被测物体表面的光滑度以实现光信号的有效反射。这一测量要求限制了其在隧道、桥梁等环境复杂大型工程结构监测中的应用。

本发明中微型光源发出的光强信号，经过准直设备进入振动敏感源进行调制后输入到光电转换设备转换为电信号。数据分析设备分析来自光电转换设备的电信号后得到外界振动信号的振幅及频率信息，然后对振动信号进行编码，并通过无线传输设备实现振动信号的无线传输。该传感器各部分均封装在一个传感器外壳中，实现了传感器的微型化与高度集成。此种结构设计使其在监测中仅需要将传感器与被测物体进行有效的接触，并且检测信号的无线传输功能有效的克服了隧道、桥梁等大型工程结构监测中传感器布置及引线困难的现状。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于梳状栅格的MOEMS无线振动传感器及其工作方法，该传感器实现了外界振动信号的测量及无线传输，该传感器体积小、高度集成，克服了现有光纤振动传感器在隧道、桥梁等大型工程监测项目中传感器布置及引线困难的现状。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于梳状栅格的MOEMS无线振动传感器，包括：微型光源、传输光纤、准直器、振动敏感源、光电转换模块、数据分析模块和无线传输模块；

所述微型光源通过传输光纤与振动敏感源连接，在所述振动敏感源的两侧分别固定有准直器，所述振动敏感源的输出端通过传输光纤与光电转换模块连接，光电转换模块与数据分析模块、无线传输模块依次连接。

进一步地，所述振动敏感源包括梳状栅格、保护框架及准直螺纹孔；所述梳状栅格随外界振动而上下浮动，所述保护框架设置在梳状栅格的外侧，所述准直螺纹孔设置在保护框架上用于与准直设备连接。

进一步地，所述光电转换设备包括依次串联连接的光电转换元件、放大电路和滤波电路。

一种基于梳状栅格的MOEMS无线振动传感器的工作方法，包括：

1)光强信号经过准直设备进入振动敏感源，经过振动敏感源调制之后的光信号通过准直器进入光电转换设备；光电转换模块将光强信号转换为电信号输入到数据处理分析模块进行处理；

2)通过分析在特定时间内A/D转换信号幅值强弱交替的次数，确定光强信号的变化频率f；

3)结合振动敏感源中梳状栅格宽度l、格距数值d以及光强信号的频率f，计算所述特定时间内振动敏感源所经过的路程L；

4)根据路程L计算振动信号的幅值a；

进一步地，所述步骤3)中计算所述特定时间内振动敏感源所经过的路程L的方法为：

L＝f(l+d)

其中，l为梳状栅格宽度，d为格距数值，f为光强信号的频率。

所述步骤4)中计算振动信号的幅值a的方法为：

L＝2*a*t²

其中，L为时间t内振动敏感源所经过的路程。

本发明的有益效果是：

本发明中微型光源发出的光强信号，经过准直器进入振动敏感源进行调制后输入到光电转换模块转换为电信号。数据分析模块分析来自光电转换模块的电信号后得到外界环境振动信号的振幅及频率信息，然后编码振动信号信息并通过无线传输模块实现振动信号的无线传输。此种结构设计使其在监测中仅需要将传感器与被测物体进行有效的接触，并检测信号的无线传输功能有效的克服了隧道、桥梁等大型工程结构监测中传感器布置及引线困难的现状。

附图说明

图1为基于梳状栅格的MMOEMS无线振动传感器结构示意图；

图2为振动敏感源的正视图；

图3为光电转换模块电路原理图；

图4(a)为基于梳状栅格的MMOEMS无线振动传感器标定实验时域波形；

图4(b)为基于梳状栅格的MMOEMS无线振动传感器标定实验频域波形；

其中，1.微型光源，2.光纤尾纤，3.准直器，4.振动敏感源，5.光电转换模块，6.数据分析模块，7.无线传输模块，8.传感器外壳，9.准直螺纹孔，10.保护框架，11.梳状栅格。

具体实施方式：

下面结合附图与实施方法对本发明做进一步说明：

一种基于梳状栅格11的MOEMS无线振动传感器主要包括传感器外壳8、微型光源1、传输光纤、准直器3、振动敏感源4、光电转换模块5、数据分析模块6及无线传输模块7。

MOEMS无线振动传感器封装在传感器外壳8中，模块化高度集成设计，使得传感器体积小，克服了现有光纤振动传感器在隧道、桥梁等大型工程监测项目中传感器布置及引线困难的现状。

微型光源1包括依次连接的供电单元、发光单元及输出光纤尾纤2等三部分；

振动敏感源4主要包括随外界振动而上下浮动的梳状栅格11、保护框架10及准直螺纹孔9；梳状栅格11随外界振动而上下浮动，保护框架10设置在梳状栅格11的外侧，准直螺纹孔9设置在保护框架10上用于与准直器3连接。

准直器3主要包括二维准直器3及准直螺纹孔9。准直螺纹孔9设置在准直器3前段。

光电转换模块5主要包括依次串联连接的光电转换元件、放大电路及滤波电路；

数据分析模块6主要包括依次连接的供电单元、A/D转换单元、时钟电路、单片机MSP430及通讯单元；

无线传输模块7主要包括供电单元、无线模块及发射天线。供电单元给无线模块供电，无线模块将信号转换成发射天线的接收信号，发射天线将信号发射出去。

该传感器的信号分析基本流程为微型光源1发出光强信号进入光纤尾纤2。光强信号经过准直器3进入振动敏感源4，振动敏感源4调制之后的光信号通过准直器3进入与光电转换模块5相连的光纤尾纤2中。光电转换模块5将光强信号转换为电信号输入到数据分析模块6进行处理。数据分析模块6将分析所得振动信号的振幅及频率信息按照用户要求的通讯编码协议后通过无线传输设备实现振动信号的无线传输。

二维准直器3及其准直螺纹孔9与振动敏感源4的准直螺纹孔9有效的保证了经过振动敏感源4调制后的光强信号在光纤中的传输。

光电转换设备中放大电路有效的实现了微型光源1微弱光信号光电转换后电信号的放大，避免了数据分析设备中A/D转换元件因原始光信号较弱而被忽略的隐患。

数据分析模块6对于经过A/D转换元件所得光信号的处理过程如下所示：

1)通过分析在一秒之内A/D转换信号幅值强弱交替次数，进而确定光强信号的频率信息f。

2)结合振动敏感源4中梳状栅格11宽度l、格距数值d及步骤1所确定的光信号频率f，从而确定在一秒之内振动敏感源4所经过的路程，其路程计算公式为：

L＝f(l+d) (1)

3)通过计算求解振动信号的幅值，其计算公式为：

L＝2*a*t² (2)

其中a为振动信号的幅值，其数值为f(l+d)/2。

数据分析模块6将分析所得振动信号的频率及幅值信息编码后发送到无线传输模块7。无线传输模块7通过发射天线实现信号远距离的传输。

本发明通过振动敏感源4实现外界振动信号对光强信号的调制，并将调制后的信号通过光电转换模块5转换为电信号送到数据分析模块6，数据分析模块6将分析所得振动信号的频率及幅值信息编码后通过无线传输模块7实现信号的远距离传输，有效的克服在隧道、桥梁等大型工程监测项目中传感器布置与引线困难的现状。

对本发明进行了振动特性标定实验，在2Hz-150Hz频率范围内，振动检测性能良好，40Hz时所得时频曲线如图4(a)和图4(b)所示。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。