[发明专利]一种光纤振动传感器

说明书

本发明涉及到光纤传感技术。

在一些环境恶劣的场合下，特别是在强电磁干扰，高压、高温的环境中，常规的振动传感器不能理想地进行测试。如在大型电机内部，定子端部线圈承受的电磁力剧大，由此，产生的定子绕组端部线圈的振动需要进行长期监测，以识别某些潜在的或发展中的端部线圈故障，以便及时报警处理，避免破坏性高压击穿。因此，需要有振动传感器进行测试。由于测量所处的是特定的恶劣环境，强电磁场、高速变化的气流、高分贝噪声，温度等都会对传感器测试信号产生强烈的干扰。所以在此处用的振动传感器，必须具有抗强电磁干扰、耐高压、高温、高可靠性和长期稳定性的特点。然而现有的振动传感器还不能理想的达到这一要求。而且现有的振动传感器，其信号引出线是金属导线，测量仪器在电气上与高压连通，这对操作人员还缺乏可靠的安全。

然而，光纤所具有的耐高压、抗强电磁干扰等优异性能，能弥补上述的不足之处。自80年代以来，人们对光纤振动传感器进行了大量的研究工作、开发出多种的光纤振动传感器。如瑞典ASEA公司制作的利用半导体荧光二次发射特性的光纤振动传感器(ASEA研究与发明公司产品说明书：Accelerometer 2010以及Proc.of InternatioalConf on Optical Techniques in Process Control 1983)，它的特点是用振动弹性体的悬臂膜片感应外界振动来调制入射其上的光束，再由光纤传输回光电检测部分，测出振动信号。振动弹性体采用半导体多层材料，借其中的有源层的荧光二次发射特性，产生一个参考光信号。由于它是多层结构，各层材料间存在着热匹配问题，为此，带来温度特性不佳，而且结构复杂，制作工艺难度大、成本高。又如，意大利IROE—CNR公司制作的双光纤反射式光纤振动传感器，它需要一收一发两根光纤，以及自聚焦透镜等，它的结构也复杂，光路调整困难。因该传感器的安装框架结构是金属，它的安装固定不仅困难，而且温度性能及可靠性也不佳，成本也较高。

本发明的目的是为了寻找一种结构简单，性能稳定可靠、制作容易、有利于批量生产、低成本的光纤振动传感器。

为了实现发明的目的，其具体方案如下：本发明的光纤振动传感器是由毛细管1、光纤2、振动弹性体3、内封装壳4和外封装罩5构成，光纤2位于毛细管1中，周围用粘接剂粘固，构成光纤插针，带有插针的毛细管端面加工成光学斜面，振动弹性体3粘接其上，振动弹性体中的悬臂振动膜片7的反射面正对光纤芯的端面，构成传感器头，将整个传感器头置于真空或填充气体的内封装壳4内，形成与外界隔离的传感头，然后再将它置于外封装罩5中(见附图1)。

附图说明：

图1是本发明光纤振动传感器的结构示意图

其中：1—毛细管；2—光纤；3—振动弹性体；4—内封装壳；5—外封装壳。

图2是毛细管零件示意图

图3是振动弹性体零件外形示意图

图4是图3的A向剖示图

其中：7—振动膜片；8—基座；9—膜层。

接合附图通过实施例进一步说明本发明。

现以制作一个动态范围0～10g(重力加速度)，频率范围10～1KHz，温漂＜0.5‰，寿命＞三年的光纤振动传感器为例。

第一步：制作光纤插针

将光纤2剥制出L₁长为10mm的一段裸纤，裸纤段尾部的外被覆层段l₂为3～5mm成锥体形，使它能与毛细管1相配。

第二步：制作光纤毛细管

毛细管1选用具有热膨胀系数小，介质性能好，易与光纤粘接的陶瓷(ZrO₂)、或石英玻璃。毛细管内孔径d₁由采用的光纤裸纤的直径而定，一般比裸纤直径大1～2μm，毛细管1的低部是一个锥形孔，其直径d₂须满足能容纳光纤外被覆层至裸纤的过渡锥形段，毛细管1包容光纤裸纤的长度l₁和锥形孔长度l₂，当光纤2插入毛细管1中时，要求填充的粘接剂，(这里采用环氧树脂)能保证粘接牢固，并在高压气体中，保证气体不会从毛细管中渗透。

第三步：将光纤2插入毛细管1粘接固化后，然后将其毛细管和光纤插针的表面，用光学冷加工磨制成具有一特殊角度的光学斜面，以保证光纤与振动弹性体的振动反射面间的光束耦合(调制)是在线性区域。

第四步：振动弹性体的制作