[发明专利]光纤式加速度传感器

说明书

本发明涉及一种尤其应用在发电机中的光纤式加速度传感器。

发电站领域中的发电机主要在绕组端部的区域内具有双倍电网频率的振动。在杆式振动的振幅过高时，可能损坏绝缘件或者铜，从而需要对发电机进行维护。因为绕组端部处于高压电势上，所以为监测这些振动越来越多地使用光纤式加速度传感器(所谓的FOA＝fiber optical accelerometer)。

由DE 10 2010 019 813 A1已知的加速度传感器使用的方法是将光学纤维的自由端部的偏转转化为光信号的强度改变，方式为纤维的自由端部指向倾斜的镜子。在这种传感器原理中，传感器的共振频率通过弹性模量、面积惯性矩、自由纤维的长度和密度定义。传感器的灵敏度相应于纤维端部的偏转并且通过相同的参数描述。外部因素如温度改变信号的精度。

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种光纤式加速度传感器，其中减少传感器温度对信号精度的影响。

该技术问题按本发明通过具有权利要求1的特征的光纤式加速度传感器解决。从属权利要求涉及本发明的有利设计方案。

按照本发明的光纤式加速度传感器包括光学纤维，所述光学纤维具有自由端部，其中，所述自由端部在加速度影响下产生振动，并且所述振动作为加速度的量度被探测。光纤式加速度传感器还包括光源，所述光源用于在纤维的背离自由端部的端部处将可见的、紫外的或者红外的光线发射到光学纤维中，光纤式加速度传感器包括镜子，所述镜子布置用于将部分从自由端部射出的光线反射到光学纤维中，以及光纤式加速度传感器包括用于在纤维的背离自由端部的端部处接收反射光线的探测装置。按照本发明，光学纤维的纤芯在自由端部中具有布拉格光栅。

对于本发明已经认识到的是，借助靠近光学纤维的端部置入其纤芯中的布拉格光栅能够测量光学纤维的温度。在此有利的是，不需要待机械安装的附加传感器。此外，所测量的温度尽可能相当于实际传感器温度，其也影响加速度的测量信号。最后特别有利的是，布拉格光栅及其光学分析不受电气因素的影响并且也不会向外引起电干扰。

相宜地，探测装置设计用于分析布拉格光栅的反射信号。为此，原本就发送用于探测加速度的光线被共同使用，或者附加地馈送单独的光信号。对布拉格光栅的反射的光谱分析产生了光学纤维在布拉格光栅的位置上的温度。

光学纤维可以设计为单模波导。这能够从布拉格光栅的反射信号简化地分析温度。光学纤维备选地可以设计为多模波导。由此在加速度测量方面的信号质量比在单模波导的情况下得到改善。

光学纤维可以设计为具有单模纤芯和至少一个多模纤芯的多纤芯纤维。直径例如为9μm的单模纤芯包围布拉格光栅并且用于测量温度。一个或多个多模纤芯用于将光束引向光学纤维的自由端部，以便测量加速度。

作为对具有多个纤芯的设计方案的备选或补充，光学纤维可以是双包层光纤，其具有一个或多个纤芯、内包层和外包层。在这种情况下有利的是，内包层的数值孔径大于一个或多个纤芯的数值孔径，所述纤芯用于导引光束以测量加速度。由此，由镜子反射的光束的较大部分能够在往回方向上由光学纤维接收并且因此可以实现更好的信号，因为在镜子上反射的光线到达纤维端面并且在该处从内包层相比一般的光学纤维在更大的数值孔径中也在明显更大的角度下入射并且导引。镜子尤其可以在预设的功率损失中以较大的角倾斜，这实现了更强的加速度信号。

用于导引光束以测量加速度的一个或多个纤芯的数值孔径的有利范围是0.075至0.14。内包层的数值孔径的有利范围是0.22至0.5。内包层有利地设计为多模波导。

布拉格光栅优选靠近光学纤维的自由端部，例如布置在光学纤维的靠近纤维自由端部的纤维终点的25％处。

光学纤维的一个或多个多模纤芯的尺寸例如可以在作为多模纤芯时是50μm或者62.5μm，或者例如是25μm作为中间尺寸，即所谓的Few-Mode(少模)。作为多模纤芯的内包层既可以在单独的单模纤芯的情况下具有如62.5μm的标准尺寸，也可以具有较大的直径，如200μm或者400μm。

本发明的其它有利的设计方案和扩展设计包括：

-为了相对于运行频率保持共振频率足够高，通常为400Hz，纤维的长度相宜地选择得足够小。而为了较高的灵敏度，尽可能大的纤维长度是有利的。在本发明的一种有利的设计方案中，对于标准多模纤维62/125μm，针对自由端部使用12至18mm之间的纤维长度。尤其选择15至17mm之间的纤维长度，并且按照一种有利的设计方案，纤维长度为16mm。16mm的纤维长度业已证明在共振频率和灵敏度方面是有利的。