基于加速度传感器获取加速度信号的方法、加速度传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于加速度传感器获取加速度信号的方法，包括以下步骤：S1：激光通过端口输入耦合器中，并将激光分为等光强的两束光；S2：等光强的两束光分别进入参考光纤与传感光纤；S3：当传感器所处的加速度环境发生变化时，加速度信号转化为质量块的振动；S4：质量块的振动使弹性筒的压缩状态产生改变，以及使传感光纤发生形变，其中，传感光纤与参考光纤之间存在相位差；S5：通过相位测量电路获取相位差信息，并通过分析相位差的变化获取加速度信号。本发明利用单弹性筒-质量块的结构，并选取合适的弹性筒材料、外径及厚度尺寸，在保证大于100rad/g高灵敏度的前提下，将带宽提高至1200Hz以上。本发明还公开了一种加速度传感器。
【专利说明】基于加速度传感器获取加速度信号的方法、加速度传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及加速度传感【技术领域】，尤其涉及一种基于加速度传感器获取加速度信号的方法、加速度传感器。
【背景技术】
[0002]加速度传感器将外界的加速度信息转化为更易测量的电信号信息和光信号信息，广泛的应用于地质勘探，石油开采，大型建筑健康状况监测，交通状况监测等领域，是一类与日程生活和工业生产息息相关的传感器。
[0003]传统加速度传感器主要采用电基结构，例如压电效应等，除灵敏度较低等缺点外，其在极端环境中(例如高温高压环境等)的生存能力较差。与传统压电传感器相比，光纤加速度传感器具有高灵敏度，高动态范围，极端环境生存能力强以及抗电磁干扰能力强等优点，是近年来比较受欢迎的一种加速度传感器。
[0004]光纤加速度传感器一般基于干涉仪原理，将外界加速度信息转化为光的相位信息，配合高精度相位解调方法实现高灵敏度加速度信息解调。常用的传感器有基于双顺变柱体的推挽式加速度传感器，盘式加速度传感器。
[0005]推挽式传感器可实现高达104rad/g的加速度灵敏度，但其带宽一般较窄，上限为400Hz，此外由于顺变柱体中常用的橡胶等材料的稳定性差，传感器的寿命受到大大影响；盘式传感器的带宽一般很宽，其上限可达2500Hz，但灵敏度一般小于40rad/g(参考Moro E A,Todd M D，Puckett A.A performance comparison of transducer designsfor interferometric fiber optic accelerometers[C]//SPIE Smart Structures andMaterials+Nondestructive Evaluat1n and Health Monitoring.1nternat1nalSociety for Optics and Photonics，2010:76480G-76480G-12.)。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，如何提供一种新的基于弹性筒的光纤加速度传感器结构，以在保证100rad/g的高灵敏度前提下，大幅度提高传感器的带宽的关键问题。
[0007]为此目的，本发明提出了一种基于加速度传感器获取加速度信号的方法，包括具体以下步骤:
[0008]S1:激光通过端口输入耦合器中，并将所述激光分为等光强的两束光；
[0009]S2:所述等光强的两束光分别进入参考光纤与传感光纤；
[0010]S3:当传感器所处的加速度环境发生变化时，加速度信号转化为质量块的振动；
[0011]S4:所述质量块的振动使弹性筒的压缩状态产生改变，以及使传感光纤发生形变，其中，所述传感光纤与所述参考光纤之间存在相位差；
[0012]S5:通过相位测量电路获取相位差信息，并通过分析所述相位差的变化获取加速度信号。
[0013]进一步地，所述传感光纤与所述参考光纤之间的相位差根据所述传感器光纤的形变产生变化。
[0014]为此目的，本发明还提出了一种加速度传感器，包括:质量块、芯轴、弹性筒、参考光纤、传感光纤、匹配光纤、反射单元、紧固螺丝、压环以及耦合器；
[0015]其中，所述质量块套在与底座相连的所述芯轴上；所述弹性筒，用于提供主要恢复力，其中，所述弹性筒为柱形结构，位于所述质量块与所述底座之间；所述参考光纤缠绕在所述压环上，其中，所述压环通过所述紧固螺丝与所述芯轴相连；所述压环，用于固定传感器高度，并向所述质量块提供预设值压力；所述耦合器固定在所述芯轴内部的通孔中；所述反射单元固定在所述底座底部与所述压环底部。
[0016]进一步地，所述传感光纤包括:实际传感部分与长度匹配部分，其中，所述实际传感部分缠绕在所述弹性筒上，所述长度匹配部分缠绕在所述底座上。
[0017]进一步地，所述长度匹配部分，用于匹配两个反射光之间的时间延迟关系，其中所述两个反射光为通过端口输入所述耦合器中的激光被分为所述等光强的两束光。
[0018]进一步地，所述弹性筒的材料为塑料材料、金属材料或其他耐高温材料。
[0019]进一步地，所述反射单元采用法拉第旋镜、光纤布拉格光栅和/或光纤末端镀膜。
[0020]本发明所公开的一种基于加速度传感器获取加速度信号的方法，通过激光通过端口输入耦合器中，并将激光分为等光强的两束光；等光强的两束光分别进入参考光纤与传感光纤；当传感器所处的加速度环境发生变化时，加速度信号转化为质量块的振动；质量块的振动使弹性筒的压缩状态产生改变，以及使传感光纤发生形变，其中，传感光纤与参考光纤之间存在相位差；通过相位测量电路获取相位差信息，并通过分析相位差的变化获取加速度信号。本发明利用单弹性筒-质量块的结构，并选取合适的弹性筒材料、外径及厚度尺寸，在保证大于lOOrad/g高灵敏度的前提下，将带宽提高至1200Hz以上。本发明还公开了一种加速度传感器。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中:
[0022]图1示出了本发明实施例中的一种基于加速度传感器获取加速度信号方法的步骤流程图；
[0023]图2示出了本发明实施例中的一种加速度传感器的结构示意图；
[0024]图3示出了本发明实施例中的一种加速度传感器中的弹性筒微元分析图；
[0025]图4示出了本发明实施例中的一种加速度传感器中的频响曲线图。
【具体实施方式】
[0026]下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
[0027]如图1所示，本发明提供了一种基于加速度传感器获取加速度信号的方法，包括具体以下步骤:
[0028]步骤S1:激光通过端口输入耦合器中，并将所述激光分为等光强的两束光。
[0029]步骤S2:等光强的两束光分别进入参考光纤与传感光纤。
[0030]步骤S3:当传感器所处的加速度环境发生变化时，加速度信号转化为质量块的振动。
[0031]步骤S4:质量块的振动使弹性筒的压缩状态产生改变，以及使传感光纤发生形变，其中，传感光纤与参考光纤之间存在相位差。具体地，传感光纤与参考光纤之间的相位差根据传感器光纤的形变产生变化。
[0032]步骤S5:通过相位测量电路获取相位差信息，并通过分析相位差的变化获取加速度信号。
[0033]为了更好的理解与应用本发明提出的基于加速度传感器获取加速度信号的方法，本发明进一步公开了一种加速度传感器，具体地，本发明公开的一种加速度传感器为一种基于弹性筒的新型光纤加速度传感器。
[0034]如图2所示，本发明提供了一种加速度传感器，包括:质量块Mass、芯轴Mandrel、弹性筒Elastic cylinder、参考光纤Reference fiber、传感光纤Sensing fiber、匹配光纤Matching fiber、反射单兀 Reflector、紧固螺丝 Fastening screw、压环 Grading ring 以及率禹合器Coupler。
[0035]具体地，质量块套在与底座相连的芯轴上，最大限度减小会带来干扰的横向位移；弹性筒用于提供主要恢复力，其中，弹性筒为柱形结构，位于质量块与底座之间，且弹性筒的材料可为塑料材料、金属材料或其他耐高温材料。由于弹性筒可以采用塑料材料或者金属材料，其稳定性远高于传统橡胶，采用的塑料材料或者金属材料会使弹性筒的使用寿命更长，且使用周期中参数变化小。
[0036]进一步地，参考光纤缠绕在压环上，由于压环不会随外界加速度信号的改变而产生形变，所以参考光纤不会产生变化，其中，压环通过紧固螺丝与芯轴相连；压环用于固定传感器高度，并向质量块提供预设值压力，保证弹性筒与质量块及底座紧密接触，在振动过程中不会产生与底座或质量块分离的情况；耦合器固定在芯轴内部的通孔中；反射单元固定在底座底部与压环底部，其中，反射单元可采用法拉第旋镜、光纤布拉格光栅和/或光纤末端镀膜等方式来实现，具体方式的选用需要根据使用传感光纤品种、使用环境温度以及相位传感精度等要求来进行确定。
[0037]进一步地，传感光纤包括:实际传感部分与长度匹配部分，其中，实际传感部分缠绕在弹性筒上，随着弹性筒的径向伸缩产生形变，长度匹配部分缠绕在底座上。
[0038]进一步地，长度匹配部分，用于匹配两个反射光之间的时间延迟关系，其中两个反射光为通过端口输入稱合器中的激光被分为等光强的两束光。
[0039]本发明公开的一种加速度传感器，从装配结构中，可以看出传感器的优势在于结构简单，易于装配，采用了筒式弹性体，易于光纤的缠绕。在探头传感效果方面，根据理论分析，影响传感器的灵敏度与带宽的主要因素在于整体系统的等效弹性系数。为了便于更好的理解与应用本发明提出的一种加速度传感器，下面进一步地通过相关理论来分析传感器的传感效果。
[0040]具体地，由于金属的杨氏模量远大于弹性筒与光纤，所以系统的弹性系数主要由弹性筒与缠绕在弹性筒上的传感光纤决定，下面的讨论也集中在对弹性筒部分的分析上。
[0041]进一步地，针对弹性筒这种柱形结构，建立柱面坐标系并进行微元分析，其模型如图3所示，即弹性筒微元分析。其中，AB，DC两端圆弧及BD，AC两段直线组成了待分析的微元。根据微元径向与环向受力平衡的关系、连续体的限定关系以及边界条件，可以得到如下方程组:
[0042]
【权利要求】
1.一种基于加速度传感器获取加速度信号的方法，其特征在于，包括具体以下步骤: S1:激光通过端口输入耦合器中，并将所述激光分为等光强的两束光； 52:所述等光强的两束光分别进入参考光纤与传感光纤； 53:当传感器所处的加速度环境发生变化时，加速度信号转化为质量块的振动； 54:所述质量块的振动使弹性筒的压缩状态产生改变，以及使传感光纤发生形变，其中，所述传感光纤与所述参考光纤之间存在相位差； 55:通过相位测量电路获取相位差信息，并通过分析所述相位差的变化获取加速度信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感光纤与所述参考光纤之间的相位差根据所述传感器光纤的形变产生变化。
3.一种加速度传感器，其特征在于，包括:质量块、芯轴、弹性筒、参考光纤、传感光纤、匹配光纤、反射单元、紧固螺丝、压环以及耦合器； 其中，所述质量块套在与底座相连的所述芯轴上；所述弹性筒，用于提供主要恢复力，其中，所述弹性筒为柱形结构，位于所述质量块与所述底座之间；所述参考光纤缠绕在所述压环上，其中，所述压环通过所述紧固螺丝与所述芯轴相连；所述压环，用于固定传感器高度，并向所述质量块提供预设值压力；所述耦合器固定在所述芯轴内部的通孔中；所述反射单元固定在所述底座底部与所述压环底部。
4.如权利要求3所述的加速度传感器，其特征在于，所述传感光纤包括:实际传感部分与长度匹配部分，其中，所述实际传感部分缠绕在所述弹性筒上，所述长度匹配部分缠绕在所述底座上。
5.如权利要求4所述的加速度传感器，其特征在于，所述长度匹配部分，用于匹配两个反射光之间的时间延迟关系，其中所述两个反射光为通过端口输入所述耦合器中的激光被分为所述等光强的两束光。
6.如权利要求3所述的加速度传感器，其特征在于，所述弹性筒的材料为塑料材料、金属材料或其他耐高温材料。
7.如权利要求3所述的加速度传感器，其特征在于，所述反射单元采用法拉第旋镜、光纤布拉格光栅和/或光纤末端镀膜。
【文档编号】G01P15/03GK104166014SQ201410375008
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】张敏, 王笑非, 周宏朴 申请人:清华大学