一種光纖光柵三維振動傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種光纖光柵三維振動傳感器，采用單膜片敏感結構，該三維光纖光柵振動傳感器包括設置在殼體內的膜片、慣性質量塊，以及傳感光柵，所述慣性質量塊位于膜片的幾何中心，并固定于膜片下方，膜片固定于外殼的內壁；所述膜片上表面設置有三個傳感光柵，傳感光柵通過光纖出孔與外部解調單元相連。本發(fā)明利用光纖光柵的波長傳感原理，在外界振動信號作用下使傳感器敏感膜片的上表面不同位置產生拉應變和扭應變，當外界振動信號作用于該結構時，引起傳感器內慣性質量塊的振動，進而產生慣性力和扭矩，使得封裝于其上的光柵的波長漂移，通過檢測三只光柵波長的變化，實現(xiàn)三個方向振動信號的檢測。
【專利說明】一種光纖光柵三維振動傳感器 【【技術領域】】
[0001] 本發(fā)明屬于光纖傳感器【技術領域】，具體涉及一種用于測定物體振動的方向、幅度 和頻率的光纖光柵三維振動傳感器。 【【背景技術】】
[0002] 光纖光柵作為一種波長選擇器件，在光通信領域和光傳感領域具有廣泛的應用， 特別是在光傳感領域，具有廣泛的應用前景。光纖光柵在準靜態(tài)傳感領域已取得了長足的 發(fā)展，但在動態(tài)傳感領域仍然是一個研宄熱點問題，特別是光纖光柵三維振動檢測工程領 域設計的一個難點問題。光纖光柵的反射或透射波的波長與光柵的折射率調制周期以及 纖芯折射率有關，而外界溫度或應變的變化會影響光纖光柵的折射率調制周期和纖芯折射 率，從而引起光纖光柵的反射或透射波長的變化，這就是光纖光柵傳感器的基本工作原理。
[0003] 與傳統(tǒng)的強度調制型或相位調制型光纖傳感器相比，光纖光柵作為波長調制型傳 感器具有許多獨特的優(yōu)點：（1)測量信號避免了"光強型"傳感器（讀取信息是測量光強大 小，因光源起伏、連接損耗、光纖彎曲損耗等因素造成的測量精度下降的影響；（2)避免了 "干涉型"傳感器（讀取信息是觀察干涉條紋的變化）中相位測量的不清晰和對固定參考點 的需要；（3)光纖光柵傳感器是自身參考的，可以通過對光纖光柵定標后對被測量進行絕 對測量，不必基于條紋計數(shù)的干涉型傳感器那樣要求初始參考；(4)傳感探頭結構簡單、尺 寸小，其外徑與光纖本身相同，適于各種精密測量；（5)光纖光柵傳感器能方便的利用波分 復用技術在一根光纖中串聯(lián)多個光纖光柵進行分布式測量，構成光纖傳感網絡。在實際工 程領域經常需要三維探測，例如井間地震勘探，為了精細描述油藏的分布，需要用到三維檢 波器，由于油井中的環(huán)境比較惡劣，傳統(tǒng)的電類單個檢波器很難實現(xiàn)三維信號的檢測，而光 纖光柵檢波器則可發(fā)揮其耐高溫、耐腐蝕和抗電磁干擾的特點。目前對光纖光柵振動傳感 器的研宄主要集中在一維，多維振動傳感器是通過三個單維振動方向的組合來實現(xiàn)三維振 動檢測，并不是真正意義的三維振動傳感器，要通過一個振動傳感器實現(xiàn)三個方向振動檢 測是一個難題，但具有重要的應用價值。因此，光纖光柵三維振動傳感器在測量領域的應用 引起了人們的廣泛關注和極大興趣，具有重要的學術研宄價值和市場應用前景，實有必要 提供一種光纖光柵三維振動度感器以克服以上技術缺陷。 【
【發(fā)明內容】
】
[0004] 本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服上述振動傳感器的缺點，提供一種光纖光柵 三維振動傳感器。
[0005] 為解決上述技術問題所采用的技術方案是：
[0006] -種光纖光柵三維振動傳感器，包括設置在傳感器外殼內的傳感器敏感膜片、慣 性質量塊，以及傳感光柵；所述慣性質量塊位于傳感器敏感膜片的幾何中心，并固定于傳感 器敏感膜片的底部，所述傳感器敏感膜片固定于傳感器外殼的內壁；所述傳感器敏感膜片 的上表面沿圓周方向在不同的位置固定有三個所述傳感光柵，傳感光柵串聯(lián)后通過光纖出 孔與外部解調單元相連；三個傳感光柵分別感應空間三個方向的振動信號，且通過三個傳 感光柵的配合實現(xiàn)空間任意方向振動信號檢測。
[0007] 在所述三個傳感光柵中，有兩個傳感光柵固定于傳感器敏感膜片與慣性質量塊的 有效接觸區(qū)域邊緣位置，另外一個傳感光柵固定于傳感器敏感膜片與慣性質量塊的有效接 觸區(qū)域之外。
[0008]固定于傳感器敏感膜片與慣性質量塊的有效接觸區(qū)域之外的傳感光柵的優(yōu)選位 置為：i，其中，d是固定于傳感器敏感膜片與慣性質量塊的有效接觸區(qū)域之外的 傳感光柵與傳感器敏感膜片中心的距離，^是慣性質量塊與傳感器敏感膜片的效接觸區(qū)域 的半徑，r2是傳感器敏感膜片的半徑。
[0009] 所述三個傳感光柵分別為第一、第二和第三傳感光柵，其中，第一和第二傳感光柵 用于感應X方向和y方向的振動，對z方向的振動不敏感，第三傳感光柵用來感應z方向振 動，對X方向和y方向的振動不敏感。
[0010] 所述慣性質量塊位于傳感器敏感膜片的幾何中心，包括上下兩個半徑不同的圓柱 體，其中，半徑較小的第一圓柱體與傳感器敏感膜片接觸固定。
[0011] 所述傳感器外殼的頂部與所述傳感器敏感膜片之間留有距離，所述慣性質量塊與 傳感器外殼的底部之間留有距離。
[0012] 所述傳感器外殼的內部設置有一對凸臺，所述傳感器敏感膜片固定在所述凸臺 上。
[0013] 所述慣性質量塊的頂部與傳感器敏感膜片底部固定，其他部位呈懸空狀態(tài)。
[0014] 所述慣性質量塊的頂部與傳感器敏感膜片底部固定，其兩側與傳感器外殼的內壁 留有距離，其底部與傳感器外殼的底部留有距離。
[0015] 所述第一和第二傳感光柵封裝于傳感器敏感膜片上表面扭應變敏感區(qū)，第三傳感 光柵封裝于傳感器敏感膜片上表面拉應變敏感區(qū)。
[0016]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：本發(fā)明利用光纖光柵的波長傳 感原理，在外界振動信號作用下使傳感器敏感膜片的上表面不同位置產生拉應變和扭應 變，當外界振動信號作用于該結構時，引起傳感器內慣性質量塊的振動，進而產生慣性力和 扭矩，使得封裝于其上的光柵的波長漂移，通過檢測三只光柵波長的變化，實現(xiàn)三個方向振 動信號的檢測，同時可以消除溫度的影響，與普通振動傳感器相比，利用一個質量塊實現(xiàn)三 個方向振動信號的檢測問題。 【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0017] 圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
[0018] 圖2為本發(fā)明光柵封裝的結構示意圖。
[0019] 其中，1為傳感器頂蓋，2為光纖出孔，3、8、9分別為第一、第二和第三傳感光柵，4 為傳感器敏感膜片，5為慣性質量塊，6為底座固定孔，7為傳感器外殼。 【【具體實施方式】】
[0020] 下面結合附圖和各實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明，但本發(fā)明不限于這些實施 例。
[0021] 實施例I
[0022] 請參閱圖1所示，本發(fā)明光纖光柵三維振動傳感器采用單膜片特殊質量塊結構， 為單圓形膜片結構，主要由傳感器頂蓋1、傳感光纖出孔2、第一傳感光柵3、傳感器敏感膜 片4、慣性質量塊5、底座固定孔6、傳感器外殼7、第二傳感光柵8、第三傳感光柵9構成。 所述慣性質量塊5主要由兩個半徑不等的圓柱體結構構成（所述慣性質量塊的兩圓柱體 的半徑和高度均不同），與傳感器敏感膜片接觸并固定連接的圓柱體的半徑小于下面圓柱 體的半徑，所述慣性質量塊的中心軸線與傳感器敏感膜片的法線重合（即傳感器敏感膜片 與慣性質量塊的聯(lián)接位置處于傳感器敏感膜片的幾何中心，以最大限度的感應三維方向的 振動），通過焊接的方式固定在傳感器敏感膜片的底部中心位置；所述傳感器的敏感元件 膜片和慣性質量塊由相同的材料制成。傳感器敏感膜片通過固支的方式固定于傳感器外 殼7上（具體地說，所述傳感器外殼的內壁設置有凸臺，所述傳感器敏感膜片設置在該凸臺 上），所述第一和第二傳感光柵3、8封裝于傳感器敏感膜片上表面內側（內側指傳感器敏感 膜片4與慣性質量塊的有效接觸區(qū)域邊緣位置），第三傳感光柵9封裝于傳感器敏感膜片上 表面外側（外側指傳感器敏感膜片4與慣性質量塊的有效接觸區(qū)域之外），三只光柵串聯(lián)。 傳感器頂蓋1中心部位設有光纖出孔2,并通過焊接的方式與傳感器外殼密封焊接，傳感光 纖通過光纖出孔2與外部解調單元相連接。
[0023] 所述第三傳感光柵9的優(yōu)選位置為：d= ，其中，d是固定于傳感器敏感膜 片4與慣性質量塊的有效接觸區(qū)域之外的傳感光柵與傳感器敏感膜片中心的距離，Γι是慣 性質量塊與傳感器敏感膜片的效接觸區(qū)域的半徑，r2是傳感器敏感膜片的半徑。
[0024] 所述傳感光柵位于傳感器敏感膜片的上表面，其中感應z方向光柵的位置與傳感 器敏感膜片的外半徑和慣性質量塊上圓柱體的半徑的比值有關，比值越大，靈敏度越大；其 它兩個光柵位置處在傳感器敏感膜片與慣性質量塊的有效接觸區(qū)域之內，與慣性質量塊上 圓柱體的半徑有關，半徑越大，這兩個方向的靈敏度越大，三個傳感光柵通過封裝膠與膜片 封裝為一體。
[0025] 所述傳感器外殼7的頂部被傳感器頂蓋1密封，所述傳感器外殼的底部設置有底 座固定孔6,所述傳感器頂蓋1與傳感器敏感膜片之間留有一定距離，所述慣性質量塊與傳 感器外殼底面之間留有一定的距離。所述傳感器外殼7的內部設置有一對臺階，所述傳感 器頂蓋1設置在該臺階上并與傳感器外殼7焊接固定。
[0026] 如圖1所示，所述第一和第二傳感光柵3、8主要用來感應X方向和y方向振動，對 z方向的振動不敏感，第三傳感光柵9主要用來感應z方向振動，對X方向和y方向振動不 敏感，所述第一和第二傳感光柵3、8通過383ND膠封裝于傳感器敏感膜片上表面扭應變敏 感區(qū)，第三傳感光柵9通過383ND膠封裝于傳感器敏感膜片上表面拉應變敏感區(qū)，光纖輸 出端通過光纖出孔2穿出傳感器的頂蓋1，并通過膠383ND密封。本實施例的第一、第二和 第三傳感光柵3、8、9為均勾光纖光柵，光纖光柵的中心波長分別為1555. 35nm、1557. 6nm、 1559. 32nm，3dB帶寬分別為0· 223nm、0. 25nm、0. 271nm，光纖光柵的幾何長度分別為8mm、 7mm、10mm，光柵的反射率均大于80%，傳感器敏感膜片4的厚度為0· 2mm，半徑為12mm，質量 塊中半徑較小的圓柱體的高度為10mm，半徑為4mm，半徑較大的圓柱體的高度6mm，半徑為 IOmm0
[0027] 實施例2
[0028] 本實施例中，傳感器的結構參數(shù)和材料均與實施例1相同，不同在于：傳感光柵8 的位置處在膜片4的d區(qū)域，傳感光柵8的中心波長為1557. 223nm，3dB帶寬為0. 25nm，光 纖光柵的幾何長度為9mm，光柵的反射率大于85%，其它零部件以及零部件的聯(lián)接關系與 實施例1相同。
[0029] 實施例3
[0030] 本實施例中，傳感器的結構參數(shù)和材料均與實施例1相同，不同在于：傳感光柵3、 8的位置分別處在膜片4的c和d區(qū)域，傳感光柵3的中心波長為1555. 251nm，3dB帶寬 為0. 26nm，光纖光柵的幾何長度為8mm，光柵的反射率大于80%，傳感光柵8的中心波長為 1557. 223nm，3dB帶寬為0. 25nm，光纖光柵的幾何長度為9mm，光柵的反射率大于85%，其它 零部件以及零部件的聯(lián)接關系與實施例1相同。
[0031] 實施例4
[0032] 在以上的實施例1?3不同點在于：膜片4的厚度為0.25mm，半徑為15mm，上質量 塊的高度為18mm，半徑為5mm，下質量塊的高度10mm，半徑為10mm，其它零部件以及零部件 的聯(lián)接關系與實施例1相同。
[0033] 使用時，將本發(fā)明安裝在被測對象上，將信號傳輸光纖與光纖光柵解調模塊相連， 當外界的振動信號作用于被測物體時，慣性質量塊5在慣性力的作用下，傳感器敏感膜片 (4)上表面不同區(qū)域的應變對振動方向響應不同，不同的區(qū)域對應不同的應變，使得粘貼在 懸臂梁上的三只傳感光柵的波長發(fā)生漂移，通過波長解調單元實現(xiàn)三維振動信號的處理， 從而檢測出被測物體的振動方向、幅度和頻率。
[0034] 本發(fā)明的工作原理如下：
[0035] 將第一、第二和第三傳感光柵3、8、9封裝在圓形膜片的不同位置，當被測對象發(fā) 生振動時，慣性質量塊5振動，在慣性質量塊5的慣性力作用下，傳感器敏感膜片的上表面 不同的位置在不同的振動方向下產生相應的應變，使得光纖光柵的布拉格波長發(fā)生變化， 其中，第三傳感光柵9只對z方向振動信號敏感，第一傳感光柵3只對X方向振動信號產生 的扭應變敏感、第二傳感光柵8只對y方向振動信號產生的扭應變敏感，通過解調單元檢測 三個光柵波長的動態(tài)變化實現(xiàn)外界三維振動信號的檢測。整個膜片結構可看成一個特殊的 E型膜片結構，第一傳感光柵3和第二傳感光柵8分別環(huán)向封裝于E型膜片內半徑邊緣上的 X方向和y方向，第三傳感光柵9封裝于與E型膜片內半徑有關的位置上，當該振動在外界 沿z方向信號q作用下，膜片上光纖位置處的環(huán)向應變?yōu)椋?br> [0036]
【權利要求】
1. 一種光纖光柵三維振動傳感器，其特征在于：所述光纖光柵三維振動傳感器包括設 置在傳感器外殼（7)內的傳感器敏感膜片（4)、慣性質量塊（5)，以及傳感光柵；所述慣性 質量塊（5)位于傳感器敏感膜片（4)的幾何中心，并固定于傳感器敏感膜片（4)的底部，所 述傳感器敏感膜片（4)固定于傳感器外殼（7)的內壁；所述傳感器敏感膜片（4)的上表面 沿圓周方向在不同的位置固定有三個所述傳感光柵（3、8、9)，傳感光柵串聯(lián)后通過光纖出 孔（2)與外部解調單元相連；三個傳感光柵分別感應空間三個方向的振動信號，且通過三 個傳感光柵的配合實現(xiàn)空間任意方向振動信號檢測。
2. 根據(jù)權利要求1所述的光纖光柵三維振動傳感器，其特征在于：在所述三個傳感光 柵中，有兩個傳感光柵固定于傳感器敏感膜片（4)與慣性質量塊的有效接觸區(qū)域邊緣位置 上，另外一個傳感光柵固定于傳感器敏感膜片（4)與慣性質量塊的有效接觸區(qū)域之外。
3. 根據(jù)權利要求2所述的光纖光柵三維振動傳感器，其特征在于：固定于傳感器敏感 膜片（4)與慣性質量塊的有效接觸區(qū)域之外的傳感光柵的優(yōu)選位置為：
，其中， d是固定于傳感器敏感膜片（4)與慣性質量塊的有效接觸區(qū)域之外的傳感光柵與傳感器敏 感膜片中心的距離，^是慣性質量塊與傳感器敏感膜片的效接觸區(qū)域的半徑，1~2是傳感器 敏感膜片的半徑。
4. 根據(jù)權利要求1所述的光纖光柵三維振動傳感器，其特征在于：所述三個傳感光柵 分別為第一、第二和第三傳感光柵，其中，第一和第二傳感光柵用于感應x方向和y方向的 振動，對z方向的振動不敏感，第三傳感光柵用來感應z方向振動，對x方向和y方向的振 動不敏感。
5. 根據(jù)權利要求1所述的光纖光柵三維振動傳感器，其特征在于：所述慣性質量塊（5) 位于傳感器敏感膜片的幾何中心，包括上下兩個半徑不同的圓柱體，其中，半徑較小的第一 圓柱體與傳感器敏感膜片接觸固定。
6. 根據(jù)權利要求1所述的光纖光柵三維振動傳感器，其特征在于：所述傳感器外殼（7) 的頂部與所述傳感器敏感膜片之間留有距離，所述慣性質量塊與傳感器外殼的底部之間留 有距離。
7. 根據(jù)權利要求1至6中任意一項所述的光纖光柵三維振動傳感器，其特征在于：所 述傳感器外殼的內部設置有一對凸臺，所述傳感器敏感膜片固定在所述凸臺上。
8. 根據(jù)權利要求1至6中任意一項所述的光纖光柵三維振動傳感器，其特征在于：所 述慣性質量塊的頂部與傳感器敏感膜片底部固定，其他部位呈懸空狀態(tài)。
9. 根據(jù)權利要求1至6中任意一項所述的光纖光柵三維振動傳感器，其特征在于：所 述慣性質量塊的頂部與傳感器敏感膜片底部固定，其兩側與傳感器外殼的內壁留有距離， 其底部與傳感器外殼的底部留有距離。
10. 根據(jù)權利要求3所述的光纖光柵三維振動傳感器，其特征在于：所述第一和第二傳 感光柵封裝于傳感器敏感膜片上表面扭應變敏感區(qū)，第三傳感光柵封裝于傳感器敏感膜片 上表面拉應變敏感區(qū)。
【文檔編號】G01H9/00GK104483008SQ201410751923
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月9日 優(yōu)先權日:2014年12月9日
【發(fā)明者】劉欽朋, 喬學光, 傅海威, 賈振安, 禹大寬, 高宏 申請人:西安石油大學