[发明专利]一种光纤光栅三维振动传感器

说明书

【技术领域】

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种用于测定物体振动的方向、幅度和频率的光纤光栅三维振动传感器。

【背景技术】

光纤光栅作为一种波长选择器件，在光通信领域和光传感领域具有广泛的应用，特别是在光传感领域，具有广泛的应用前景。光纤光栅在准静态传感领域已取得了长足的发展，但在动态传感领域仍然是一个研究热点问题，特别是光纤光栅三维振动检测工程领域设计的一个难点问题。光纤光栅的反射或透射波的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，而外界温度或应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射波长的变化，这就是光纤光栅传感器的基本工作原理。

与传统的强度调制型或相位调制型光纤传感器相比，光纤光栅作为波长调制型传感器具有许多独特的优点：(1)测量信号避免了“光强型”传感器(读取信息是测量光强大小，因光源起伏、连接损耗、光纤弯曲损耗等因素造成的测量精度下降的影响；(2)避免了“干涉型”传感器(读取信息是观察干涉条纹的变化)中相位测量的不清晰和对固定参考点的需要；(3)光纤光栅传感器是自身参考的，可以通过对光纤光栅定标后对被测量进行绝对测量，不必基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考；(4)传感探头结构简单、尺寸小，其外径与光纤本身相同，适于各种精密测量；(5)光纤光栅传感器能方便的利用波分复用技术在一根光纤中串联多个光纤光栅进行分布式测量，构成光纤传感网络。在实际工程领域经常需要三维探测，例如井间地震勘探，为了精细描述油藏的分布，需要用到三维检波器，由于油井中的环境比较恶劣，传统的电类单个检波器很难实现三维信号的检测，而光纤光栅检波器则可发挥其耐高温、耐腐蚀和抗电磁干扰的特点。目前对光纤光栅振动传感器的研究主要集中在一维，多维振动传感器是通过三个单维振动方向的组合来实现三维振动检测，并不是真正意义的三维振动传感器，要通过一个振动传感器实现三个方向振动检测是一个难题，但具有重要的应用价值。因此，光纤光栅三维振动传感器在测量领域的应用引起了人们的广泛关注和极大兴趣，具有重要的学术研究价值和市场应用前景，实有必要提供一种光纤光栅三维振动度感器以克服以上技术缺陷。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于克服上述振动传感器的缺点，提供一种光纤光栅三维振动传感器。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种光纤光栅三维振动传感器，包括设置在传感器外壳内的传感器敏感膜片、惯性质量块，以及传感光栅；所述惯性质量块位于传感器敏感膜片的几何中心，并固定于传感器敏感膜片的底部，所述传感器敏感膜片固定于传感器外壳的内壁；所述传感器敏感膜片的上表面沿圆周方向在不同的位置固定有三个所述传感光栅，传感光栅串联后通过光纤出孔与外部解调单元相连；三个传感光栅分别感应空间三个方向的振动信号，且通过三个传感光栅的配合实现空间任意方向振动信号检测。

在所述三个传感光栅中，有两个传感光栅固定于传感器敏感膜片与惯性质量块的有效接触区域边缘位置，另外一个传感光栅固定于传感器敏感膜片与惯性质量块的有效接触区域之外。

固定于传感器敏感膜片与惯性质量块的有效接触区域之外的传感光栅的优选位置为：其中，d是固定于传感器敏感膜片与惯性质量块的有效接触区域之外的传感光栅与传感器敏感膜片中心的距离，r₁是惯性质量块与传感器敏感膜片的效接触区域的半径，r₂是传感器敏感膜片的半径。

所述三个传感光栅分别为第一、第二和第三传感光栅，其中，第一和第二传感光栅用于感应x方向和y方向的振动，对z方向的振动不敏感，第三传感光栅用来感应z方向振动，对x方向和y方向的振动不敏感。

所述惯性质量块位于传感器敏感膜片的几何中心，包括上下两个半径不同的圆柱体，其中，半径较小的第一圆柱体与传感器敏感膜片接触固定。

所述传感器外壳的顶部与所述传感器敏感膜片之间留有距离，所述惯性质量块与传感器外壳的底部之间留有距离。

所述传感器外壳的内部设置有一对凸台，所述传感器敏感膜片固定在所述凸台上。

所述惯性质量块的顶部与传感器敏感膜片底部固定，其他部位呈悬空状态。

所述惯性质量块的顶部与传感器敏感膜片底部固定，其两侧与传感器外壳的内壁留有距离，其底部与传感器外壳的底部留有距离。

所述第一和第二传感光栅封装于传感器敏感膜片上表面扭应变敏感区，第三传感光栅封装于传感器敏感膜片上表面拉应变敏感区。