[发明专利]一种位移或加速度传感器

说明书

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已经被应用与实际监测中。

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：CN101261281A，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。