2024年11月1日发(作者：费令锋)

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN2.6

(22)申请日 2014.07.31

(71)申请人 清华大学

地址 100084 北京市海淀区清华园北京100084-82信箱

(72)发明人 张敏 王笑非 周宏朴

(74)专利代理机构 北京路浩知识产权代理有限公司

代理人 李相雨

(51)

G01P15/03

权利要求说明书 说明书 幅图

(10)申请公布号 CN 104166014 A

(43)申请公布日 2014.11.26

(54)发明名称

基于加速度传感器获取加速度信号

的方法、加速度传感器

(57)摘要

本发明涉及一种基于加速度传感器

获取加速度信号的方法，包括以下步骤：

S1：激光通过端口输入耦合器中，并将激

光分为等光强的两束光；S2：等光强的两

束光分别进入参考光纤与传感光纤；S3：

当传感器所处的加速度环境发生变化时，

加速度信号转化为质量块的振动；S4：质

量块的振动使弹性筒的压缩状态产生改

变，以及使传感光纤发生形变，其中，传

感光纤与参考光纤之间存在相位差；S5：

通过相位测量电路获取相位差信息，并通

过分析相位差的变化获取加速度信号。本

发明利用单弹性筒-质量块的结构，并选取

合适的弹性筒材料、外径及厚度尺寸，在

保证大于100rad/g高灵敏度的前提下，将

带宽提高至1200Hz以上。本发明还公开了

一种加速度传感器。

法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1.一种基于加速度传感器获取加速度信号的方法,其特征在于,包括具体以下步骤:

S1:激光通过端口输入耦合器中,并将所述激光分为等光强的两束光;

S2:所述等光强的两束光分别进入参考光纤与传感光纤;

S3:当传感器所处的加速度环境发生变化时,加速度信号转化为质量块的振动;

S4:所述质量块的振动使弹性筒的压缩状态产生改变,以及使传感光纤发生形变,其中,

所述传感光纤与所述参考光纤之间存在相位差;

S5:通过相位测量电路获取相位差信息,并通过分析所述相位差的变化获取加速度信

号。

2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述传感光纤与所述参考光纤之间的相位

差根据所述传感器光纤的形变产生变化。

3.一种加速度传感器,其特征在于,包括:质量块、芯轴、弹性筒、参考光纤、传感光

纤、匹配光纤、反射单元、紧固螺丝、压环以及耦合器;

其中,所述质量块套在与底座相连的所述芯轴上;所述弹性筒,用于提供主要恢复力,

其中,所述弹性筒为柱形结构,位于所述质量块与所述底座之间;所述参考光纤缠绕在

所述压环上,其中,所述压环通过所述紧固螺丝与所述芯轴相连;所述压环,用于固定

传感器高度,并向所述质量块提供预设值压力;所述耦合器固定在所述芯轴内部的通

孔中;所述反射单元固定在所述底座底部与所述压环底部。

4.如权利要求3所述的加速度传感器,其特征在于,所述传感光纤包括:实际传感部分

与长度匹配部分,其中,所述实际传感部分缠绕在所述弹性筒上,所述长度匹配部分缠

绕在所述底座上。

5.如权利要求4所述的加速度传感器,其特征在于,所述长度匹配部分,用于匹配两个

反射光之间的时间延迟关系,其中所述两个反射光为通过端口输入所述耦合器中的

激光被分为所述等光强的两束光。

6.如权利要求3所述的加速度传感器,其特征在于,所述弹性筒的材料为塑料材料、

金属材料或其他耐高温材料。

7.如权利要求3所述的加速度传感器,其特征在于,所述反射单元采用法拉第旋镜、

光纤布拉格光栅和/或光纤末端镀膜。

说 明 书

技术领域

本发明涉及加速度传感技术领域,尤其涉及一种基于加速度传感器获取加速度信号

的方法、加速度传感器。

背景技术

加速度传感器将外界的加速度信息转化为更易测量的电信号信息和光信号信息,广

泛的应用于地质勘探,石油开采,大型建筑健康状况监测,交通状况监测等领域,是一类

与日程生活和工业生产息息相关的传感器。

传统加速度传感器主要采用电基结构,例如压电效应等,除灵敏度较低等缺点外,其在

极端环境中(例如高温高压环境等)的生存能力较差。与传统压电传感器相比,光纤加

速度传感器具有高灵敏度,高动态范围,极端环境生存能力强以及抗电磁干扰能力强

等优点,是近年来比较受欢迎的一种加速度传感器。

光纤加速度传感器一般基于干涉仪原理,将外界加速度信息转化为光的相位信息,配

合高精度相位解调方法实现高灵敏度加速度信息解调。常用的传感器有基于双顺变

柱体的推挽式加速度传感器,盘式加速度传感器。

推挽式传感器可实现高达10

4

rad/g的加速度灵敏度,但其带宽一般较窄,上限为400Hz,此外由于顺变柱体中常用的

橡胶等材料的稳定性差,传感器的寿命受到大大影响;盘式传感器的带宽一般很宽,其

上限可达2500Hz,但灵敏度一般小于40rad/g(参考

MoroEA,ToddMD,rmancecomparisonoftransducerdesignsforinterferom

etricfiberopticaccelerometers[C]//SPIESmartStructuresandMaterials+NondestructiveEval

ationalSocietyforOpticsandPhotonics,2010:76480G-

76480G-12.)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是,针对现有技术的不足,如何提供一种新的基于弹性筒

的光纤加速度传感器结构,以在保证100rad/g的高灵敏度前提下,大幅度提高传感器

的带宽的关键问题。

为此目的,本发明提出了一种基于加速度传感器获取加速度信号的方法,包括具体以

下步骤:

S1:激光通过端口输入耦合器中,并将所述激光分为等光强的两束光;

S2:所述等光强的两束光分别进入参考光纤与传感光纤;

S3:当传感器所处的加速度环境发生变化时,加速度信号转化为质量块的振动;

S4:所述质量块的振动使弹性筒的压缩状态产生改变,以及使传感光纤发生形变,其中,

所述传感光纤与所述参考光纤之间存在相位差;

S5:通过相位测量电路获取相位差信息,并通过分析所述相位差的变化获取加速度信

号。

进一步地,所述传感光纤与所述参考光纤之间的相位差根据所述传感器光纤的形变

产生变化。

为此目的,本发明还提出了一种加速度传感器,包括:质量块、芯轴、弹性筒、参考光

纤、传感光纤、匹配光纤、反射单元、紧固螺丝、压环以及耦合器;

其中,所述质量块套在与底座相连的所述芯轴上;所述弹性筒,用于提供主要恢复力,

其中,所述弹性筒为柱形结构,位于所述质量块与所述底座之间;所述参考光纤缠绕在

所述压环上,其中,所述压环通过所述紧固螺丝与所述芯轴相连;所述压环,用于固定

传感器高度,并向所述质量块提供预设值压力;所述耦合器固定在所述芯轴内部的通

孔中;所述反射单元固定在所述底座底部与所述压环底部。

进一步地,所述传感光纤包括:实际传感部分与长度匹配部分,其中,所述实际传感部

分缠绕在所述弹性筒上,所述长度匹配部分缠绕在所述底座上。

进一步地,所述长度匹配部分,用于匹配两个反射光之间的时间延迟关系,其中所述两

个反射光为通过端口输入所述耦合器中的激光被分为所述等光强的两束光。

进一步地,所述弹性筒的材料为塑料材料、金属材料或其他耐高温材料。

进一步地,所述反射单元采用法拉第旋镜、光纤布拉格光栅和/或光纤末端镀膜。

本发明所公开的一种基于加速度传感器获取加速度信号的方法,通过激光通过端口

输入耦合器中,并将激光分为等光强的两束光;等光强的两束光分别进入参考光纤与

传感光纤;当传感器所处的加速度环境发生变化时,加速度信号转化为质量块的振动;

质量块的振动使弹性筒的压缩状态产生改变,以及使传感光纤发生形变,其中,传感光

纤与参考光纤之间存在相位差;通过相位测量电路获取相位差信息,并通过分析相位

差的变化获取加速度信号。本发明利用单弹性筒-质量块的结构,并选取合适的弹性

筒材料、外径及厚度尺寸,在保证大于100rad/g高灵敏度的前提下,将带宽提高至

1200Hz以上。本发明还公开了一种加速度传感器。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点,附图是示意性的而不应理解

为对本发明进行任何限制,在附图中:

图1示出了本发明实施例中的一种基于加速度传感器获取加速度信号方法的步骤流

程图;

图2示出了本发明实施例中的一种加速度传感器的结构示意图;

图3示出了本发明实施例中的一种加速度传感器中的弹性筒微元分析图;

图4示出了本发明实施例中的一种加速度传感器中的频响曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

如图1所示,本发明提供了一种基于加速度传感器获取加速度信号的方法,包括具体

以下步骤:

步骤S1:激光通过端口输入耦合器中,并将所述激光分为等光强的两束光。

步骤S2:等光强的两束光分别进入参考光纤与传感光纤。

步骤S3:当传感器所处的加速度环境发生变化时,加速度信号转化为质量块的振动。

步骤S4:质量块的振动使弹性筒的压缩状态产生改变,以及使传感光纤发生形变,其

中,传感光纤与参考光纤之间存在相位差。具体地,传感光纤与参考光纤之间的相位

差根据传感器光纤的形变产生变化。

步骤S5:通过相位测量电路获取相位差信息,并通过分析相位差的变化获取加速度信

号。

为了更好的理解与应用本发明提出的基于加速度传感器获取加速度信号的方法,本

发明进一步公开了一种加速度传感器,具体地,本发明公开的一种加速度传感器为一

种基于弹性筒的新型光纤加速度传感器。

如图2所示,本发明提供了一种加速度传感器,包括:质量块Mass、芯轴Mandrel、弹

性筒Elasticcylinder、参考光纤Referencefiber、传感光纤Sensingfiber、匹配光纤

Matchingfiber、反射单元Reflector、紧固螺丝Fasteningscrew、压环Gradingring以

及耦合器Coupler。

具体地,质量块套在与底座相连的芯轴上,最大限度减小会带来干扰的横向位移;弹性

筒用于提供主要恢复力,其中,弹性筒为柱形结构,位于质量块与底座之间,且弹性筒的

材料可为塑料材料、金属材料或其他耐高温材料。由于弹性筒可以采用塑料材料或

者金属材料,其稳定性远高于传统橡胶,采用的塑料材料或者金属材料会使弹性筒的

使用寿命更长,且使用周期中参数变化小。

进一步地,参考光纤缠绕在压环上,由于压环不会随外界加速度信号的改变而产生形

变,所以参考光纤不会产生变化,其中,压环通过紧固螺丝与芯轴相连;压环用于固定

传感器高度,并向质量块提供预设值压力,保证弹性筒与质量块及底座紧密接触,在振

动过程中不会产生与底座或质量块分离的情况;耦合器固定在芯轴内部的通孔中;反

射单元固定在底座底部与压环底部,其中,反射单元可采用法拉第旋镜、光纤布拉格

光栅和/或光纤末端镀膜等方式来实现,具体方式的选用需要根据使用传感光纤品种、

使用环境温度以及相位传感精度等要求来进行确定。

进一步地,传感光纤包括:实际传感部分与长度匹配部分,其中,实际传感部分缠绕在

弹性筒上,随着弹性筒的径向伸缩产生形变,长度匹配部分缠绕在底座上。

进一步地,长度匹配部分,用于匹配两个反射光之间的时间延迟关系,其中两个反射光

为通过端口输入耦合器中的激光被分为等光强的两束光。

本发明公开的一种加速度传感器,从装配结构中,可以看出传感器的优势在于结构简

单,易于装配,采用了筒式弹性体,易于光纤的缠绕。在探头传感效果方面,根据理论分

析,影响传感器的灵敏度与带宽的主要因素在于整体系统的等效弹性系数。为了便

于更好的理解与应用本发明提出的一种加速度传感器,下面进一步地通过相关理论

来分析传感器的传感效果。

具体地,由于金属的杨氏模量远大于弹性筒与光纤,所以系统的弹性系数主要由弹性

筒与缠绕在弹性筒上的传感光纤决定,下面的讨论也集中在对弹性筒部分的分析上。

进一步地,针对弹性筒这种柱形结构,建立柱面坐标系并进行微元分析,其模型如图3

所示,即弹性筒微元分析。其中,AB,DC两端圆弧及BD,AC两段直线组成了待分析

的微元。根据微元径向与环向受力平衡的关系、连续体的限定关系以及边界条件,

可以得到如下方程组:

其中,σ

ρ

为径向应力,

为环向应力,

为切应力,其中σ

b

为光纤长度变化时产生的向心压力,σF

t

为光纤长度变化时产生的拉力,N为光纤缠绕圈数,E

f

为光纤杨氏模量,S

f

为光纤横截面积,δ

c

为周长变化,δF

z

为外界加速度变化时产生的压力,a为弹性筒内径,b为弹性筒外径。由于弹性筒为圆

心对称结构,各应力与

无关,其解为:

综合柱坐标下的胡克定律,可以得到弹性筒的应变方程,如下所示:

其中,E为弹性筒的杨氏模量,υ为泊松比。对上式中两个应变进行积分,可以的到弹

性筒的高度变化δH与周长变化δc与弹性体的附加压力以及光纤的向心压力的关

系,如下所示:

将σ

b

的表达式带入式(4)中,可以得到弹性筒径向变化与高度变化的关系,以及弹性筒和传

感光纤的综合弹性系数:

δcc=-vδHH·1AA=1-NEfSfEHb(b2-a2)[b2(2v2+v-1)-

a2(1+v)]K=δFzδH=π(b2-a2)HE+2πv2EfSfNbH2A---(5)

其中,系统等效弹性系数为K,等效质量为

等效阻尼为c,在a=α

o

cosωt的加速度信号激励下,根据受激振动方程,传感光纤的总长度变化为:

δc=NvδFzH·cKA·[(1-ω2ω02)2+(cωMω02)2]-

0.5=2πNvMabHKA·[(1-ω2ω02)2+(cωMω02)2]-0.5---(6)

上式中,ω

0

为加速度传感器的谐振频率,

综合考虑光纤的长度变化以及弹光效应,参考臂与传感臂之间的相位差与传感光纤

长度变化之间的关系满足如下等式:

δφ=2·2πn·δcλ{1-0.5n2[(1-vf)p12-vfp11]}---(7)

其中,上式中n为光纤折射率,λ为工作波长,ν

f

为光纤泊松比,p

12

、p

11

为光纤的Pockls系数,故此加速度传感器的加速度灵敏度为:

δφa(ω)=8π2NnvMbλHKA·{1-0.5n2[(1-vf)p12-vfp11]}·[(1-

ω2ω02)2+(cωMω02)2]-0.5---(8)

利用以上公式,在弹性筒厚0.75mm,缠绕光纤为14m,杨氏模量1.6GPa,质量块124.5g

的情况下,理论灵敏度可以到达119.1rad/g,谐振峰在1681Hz,工作带宽在1200Hz,即

在保证100rad/g的高灵敏度前提下,将工作带宽提高至1200Hz以上,通过对此探头

的实际测量,得到了如下频响曲线。由图4中数据可知,传感器的工作带宽在20-

1500Hz,灵敏度在120rad/g,灵敏度与之前的理论分析相近,工作带宽变宽的原因在于

系统中各个材料的阻尼系数无法精确的确定有关。

本发明所公开的一种基于加速度传感器获取加速度信号的方法,通过激光通过端口

输入耦合器中,并将激光分为等光强的两束光;等光强的两束光分别进入参考光纤与

传感光纤;当传感器所处的加速度环境发生变化时,加速度信号转化为质量块的振动;

质量块的振动使弹性筒的压缩状态产生改变,以及使传感光纤发生形变,其中,传感光

纤与参考光纤之间存在相位差;通过相位测量电路获取相位差信息,并通过分析相位

差的变化获取加速度信号。本发明利用单弹性筒-质量块的结构,并选取合适的弹性

筒外径及厚度尺寸,在保证大于100rad/g高灵敏度的前提下,将带宽提高至1200Hz

以上。本发明还公开了一种加速度传感器。

以上实施方式仅用于说明本发明,而并非对本发明的限制,有关技术领域的普通技术

人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型,因此所有

等同的技术方案也属于本发明的范畴,本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式,但是本领域技术人员可以在不脱离本发明

的精神和范围的情况下做出各种修改和变型,这样的修改和变型均落入由所附权利

要求所限定的范围之内。

2024年11月1日发(作者：费令锋)

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN2.6

(22)申请日 2014.07.31

(71)申请人 清华大学

地址 100084 北京市海淀区清华园北京100084-82信箱

(72)发明人 张敏 王笑非 周宏朴

(74)专利代理机构 北京路浩知识产权代理有限公司

代理人 李相雨

(51)

G01P15/03

权利要求说明书 说明书 幅图

(10)申请公布号 CN 104166014 A

(43)申请公布日 2014.11.26

(54)发明名称

基于加速度传感器获取加速度信号

的方法、加速度传感器

(57)摘要

本发明涉及一种基于加速度传感器

获取加速度信号的方法，包括以下步骤：

S1：激光通过端口输入耦合器中，并将激

光分为等光强的两束光；S2：等光强的两

束光分别进入参考光纤与传感光纤；S3：

当传感器所处的加速度环境发生变化时，

加速度信号转化为质量块的振动；S4：质

量块的振动使弹性筒的压缩状态产生改

变，以及使传感光纤发生形变，其中，传

感光纤与参考光纤之间存在相位差；S5：

通过相位测量电路获取相位差信息，并通

过分析相位差的变化获取加速度信号。本

发明利用单弹性筒-质量块的结构，并选取

合适的弹性筒材料、外径及厚度尺寸，在

保证大于100rad/g高灵敏度的前提下，将

带宽提高至1200Hz以上。本发明还公开了

一种加速度传感器。

法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1.一种基于加速度传感器获取加速度信号的方法,其特征在于,包括具体以下步骤:

S1:激光通过端口输入耦合器中,并将所述激光分为等光强的两束光;

S2:所述等光强的两束光分别进入参考光纤与传感光纤;

S3:当传感器所处的加速度环境发生变化时,加速度信号转化为质量块的振动;

S4:所述质量块的振动使弹性筒的压缩状态产生改变,以及使传感光纤发生形变,其中,

所述传感光纤与所述参考光纤之间存在相位差;

S5:通过相位测量电路获取相位差信息,并通过分析所述相位差的变化获取加速度信

号。

2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述传感光纤与所述参考光纤之间的相位

差根据所述传感器光纤的形变产生变化。

3.一种加速度传感器,其特征在于,包括:质量块、芯轴、弹性筒、参考光纤、传感光

纤、匹配光纤、反射单元、紧固螺丝、压环以及耦合器;

其中,所述质量块套在与底座相连的所述芯轴上;所述弹性筒,用于提供主要恢复力,

其中,所述弹性筒为柱形结构,位于所述质量块与所述底座之间;所述参考光纤缠绕在

所述压环上,其中,所述压环通过所述紧固螺丝与所述芯轴相连;所述压环,用于固定

传感器高度,并向所述质量块提供预设值压力;所述耦合器固定在所述芯轴内部的通

孔中;所述反射单元固定在所述底座底部与所述压环底部。

4.如权利要求3所述的加速度传感器,其特征在于,所述传感光纤包括:实际传感部分

与长度匹配部分,其中,所述实际传感部分缠绕在所述弹性筒上,所述长度匹配部分缠

绕在所述底座上。

5.如权利要求4所述的加速度传感器,其特征在于,所述长度匹配部分,用于匹配两个

反射光之间的时间延迟关系,其中所述两个反射光为通过端口输入所述耦合器中的

激光被分为所述等光强的两束光。

6.如权利要求3所述的加速度传感器,其特征在于,所述弹性筒的材料为塑料材料、

金属材料或其他耐高温材料。

7.如权利要求3所述的加速度传感器,其特征在于,所述反射单元采用法拉第旋镜、

光纤布拉格光栅和/或光纤末端镀膜。

说 明 书

技术领域

本发明涉及加速度传感技术领域,尤其涉及一种基于加速度传感器获取加速度信号

的方法、加速度传感器。

背景技术

加速度传感器将外界的加速度信息转化为更易测量的电信号信息和光信号信息,广

泛的应用于地质勘探,石油开采,大型建筑健康状况监测,交通状况监测等领域,是一类

与日程生活和工业生产息息相关的传感器。

传统加速度传感器主要采用电基结构,例如压电效应等,除灵敏度较低等缺点外,其在

极端环境中(例如高温高压环境等)的生存能力较差。与传统压电传感器相比,光纤加

速度传感器具有高灵敏度,高动态范围,极端环境生存能力强以及抗电磁干扰能力强

等优点,是近年来比较受欢迎的一种加速度传感器。

光纤加速度传感器一般基于干涉仪原理,将外界加速度信息转化为光的相位信息,配

合高精度相位解调方法实现高灵敏度加速度信息解调。常用的传感器有基于双顺变

柱体的推挽式加速度传感器,盘式加速度传感器。

推挽式传感器可实现高达10

4

rad/g的加速度灵敏度,但其带宽一般较窄,上限为400Hz,此外由于顺变柱体中常用的

橡胶等材料的稳定性差,传感器的寿命受到大大影响;盘式传感器的带宽一般很宽,其

上限可达2500Hz,但灵敏度一般小于40rad/g(参考

MoroEA,ToddMD,rmancecomparisonoftransducerdesignsforinterferom

etricfiberopticaccelerometers[C]//SPIESmartStructuresandMaterials+NondestructiveEval

ationalSocietyforOpticsandPhotonics,2010:76480G-

76480G-12.)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是,针对现有技术的不足,如何提供一种新的基于弹性筒

的光纤加速度传感器结构,以在保证100rad/g的高灵敏度前提下,大幅度提高传感器

的带宽的关键问题。

为此目的,本发明提出了一种基于加速度传感器获取加速度信号的方法,包括具体以

下步骤:

S1:激光通过端口输入耦合器中,并将所述激光分为等光强的两束光;

S2:所述等光强的两束光分别进入参考光纤与传感光纤;

S3:当传感器所处的加速度环境发生变化时,加速度信号转化为质量块的振动;

S4:所述质量块的振动使弹性筒的压缩状态产生改变,以及使传感光纤发生形变,其中,

所述传感光纤与所述参考光纤之间存在相位差;

S5:通过相位测量电路获取相位差信息,并通过分析所述相位差的变化获取加速度信

号。

进一步地,所述传感光纤与所述参考光纤之间的相位差根据所述传感器光纤的形变

产生变化。

为此目的,本发明还提出了一种加速度传感器,包括:质量块、芯轴、弹性筒、参考光

纤、传感光纤、匹配光纤、反射单元、紧固螺丝、压环以及耦合器;

其中,所述质量块套在与底座相连的所述芯轴上;所述弹性筒,用于提供主要恢复力,

其中,所述弹性筒为柱形结构,位于所述质量块与所述底座之间;所述参考光纤缠绕在

所述压环上,其中,所述压环通过所述紧固螺丝与所述芯轴相连;所述压环,用于固定

传感器高度,并向所述质量块提供预设值压力;所述耦合器固定在所述芯轴内部的通

孔中;所述反射单元固定在所述底座底部与所述压环底部。

进一步地,所述传感光纤包括:实际传感部分与长度匹配部分,其中,所述实际传感部

分缠绕在所述弹性筒上,所述长度匹配部分缠绕在所述底座上。

进一步地,所述长度匹配部分,用于匹配两个反射光之间的时间延迟关系,其中所述两

个反射光为通过端口输入所述耦合器中的激光被分为所述等光强的两束光。

进一步地,所述弹性筒的材料为塑料材料、金属材料或其他耐高温材料。

进一步地,所述反射单元采用法拉第旋镜、光纤布拉格光栅和/或光纤末端镀膜。

本发明所公开的一种基于加速度传感器获取加速度信号的方法,通过激光通过端口

输入耦合器中,并将激光分为等光强的两束光;等光强的两束光分别进入参考光纤与

传感光纤;当传感器所处的加速度环境发生变化时,加速度信号转化为质量块的振动;

质量块的振动使弹性筒的压缩状态产生改变,以及使传感光纤发生形变,其中,传感光

纤与参考光纤之间存在相位差;通过相位测量电路获取相位差信息,并通过分析相位

差的变化获取加速度信号。本发明利用单弹性筒-质量块的结构,并选取合适的弹性

筒材料、外径及厚度尺寸,在保证大于100rad/g高灵敏度的前提下,将带宽提高至

1200Hz以上。本发明还公开了一种加速度传感器。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点,附图是示意性的而不应理解

为对本发明进行任何限制,在附图中:

图1示出了本发明实施例中的一种基于加速度传感器获取加速度信号方法的步骤流

程图;

图2示出了本发明实施例中的一种加速度传感器的结构示意图;

图3示出了本发明实施例中的一种加速度传感器中的弹性筒微元分析图;

图4示出了本发明实施例中的一种加速度传感器中的频响曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

如图1所示,本发明提供了一种基于加速度传感器获取加速度信号的方法,包括具体

以下步骤:

步骤S1:激光通过端口输入耦合器中,并将所述激光分为等光强的两束光。

步骤S2:等光强的两束光分别进入参考光纤与传感光纤。

步骤S3:当传感器所处的加速度环境发生变化时,加速度信号转化为质量块的振动。

步骤S4:质量块的振动使弹性筒的压缩状态产生改变,以及使传感光纤发生形变,其

中,传感光纤与参考光纤之间存在相位差。具体地,传感光纤与参考光纤之间的相位

差根据传感器光纤的形变产生变化。

步骤S5:通过相位测量电路获取相位差信息,并通过分析相位差的变化获取加速度信

号。

为了更好的理解与应用本发明提出的基于加速度传感器获取加速度信号的方法,本

发明进一步公开了一种加速度传感器,具体地,本发明公开的一种加速度传感器为一

种基于弹性筒的新型光纤加速度传感器。

如图2所示,本发明提供了一种加速度传感器,包括:质量块Mass、芯轴Mandrel、弹

性筒Elasticcylinder、参考光纤Referencefiber、传感光纤Sensingfiber、匹配光纤

Matchingfiber、反射单元Reflector、紧固螺丝Fasteningscrew、压环Gradingring以

及耦合器Coupler。

具体地,质量块套在与底座相连的芯轴上,最大限度减小会带来干扰的横向位移;弹性

筒用于提供主要恢复力,其中,弹性筒为柱形结构,位于质量块与底座之间,且弹性筒的

材料可为塑料材料、金属材料或其他耐高温材料。由于弹性筒可以采用塑料材料或

者金属材料,其稳定性远高于传统橡胶,采用的塑料材料或者金属材料会使弹性筒的

使用寿命更长,且使用周期中参数变化小。

进一步地,参考光纤缠绕在压环上,由于压环不会随外界加速度信号的改变而产生形

变,所以参考光纤不会产生变化,其中,压环通过紧固螺丝与芯轴相连;压环用于固定

传感器高度,并向质量块提供预设值压力,保证弹性筒与质量块及底座紧密接触,在振

动过程中不会产生与底座或质量块分离的情况;耦合器固定在芯轴内部的通孔中;反

射单元固定在底座底部与压环底部,其中,反射单元可采用法拉第旋镜、光纤布拉格

光栅和/或光纤末端镀膜等方式来实现,具体方式的选用需要根据使用传感光纤品种、

使用环境温度以及相位传感精度等要求来进行确定。

进一步地,传感光纤包括:实际传感部分与长度匹配部分,其中,实际传感部分缠绕在

弹性筒上,随着弹性筒的径向伸缩产生形变,长度匹配部分缠绕在底座上。

进一步地,长度匹配部分,用于匹配两个反射光之间的时间延迟关系,其中两个反射光

为通过端口输入耦合器中的激光被分为等光强的两束光。

本发明公开的一种加速度传感器,从装配结构中,可以看出传感器的优势在于结构简

单,易于装配,采用了筒式弹性体,易于光纤的缠绕。在探头传感效果方面,根据理论分

析,影响传感器的灵敏度与带宽的主要因素在于整体系统的等效弹性系数。为了便

于更好的理解与应用本发明提出的一种加速度传感器,下面进一步地通过相关理论

来分析传感器的传感效果。

具体地,由于金属的杨氏模量远大于弹性筒与光纤,所以系统的弹性系数主要由弹性

筒与缠绕在弹性筒上的传感光纤决定,下面的讨论也集中在对弹性筒部分的分析上。

进一步地,针对弹性筒这种柱形结构,建立柱面坐标系并进行微元分析,其模型如图3

所示,即弹性筒微元分析。其中,AB,DC两端圆弧及BD,AC两段直线组成了待分析

的微元。根据微元径向与环向受力平衡的关系、连续体的限定关系以及边界条件,

可以得到如下方程组:

其中,σ

ρ

为径向应力,

为环向应力,

为切应力,其中σ

b

为光纤长度变化时产生的向心压力,σF

t

为光纤长度变化时产生的拉力,N为光纤缠绕圈数,E

f

为光纤杨氏模量,S

f

为光纤横截面积,δ

c

为周长变化,δF

z

为外界加速度变化时产生的压力,a为弹性筒内径,b为弹性筒外径。由于弹性筒为圆

心对称结构,各应力与

无关,其解为:

综合柱坐标下的胡克定律,可以得到弹性筒的应变方程,如下所示:

其中,E为弹性筒的杨氏模量,υ为泊松比。对上式中两个应变进行积分,可以的到弹

性筒的高度变化δH与周长变化δc与弹性体的附加压力以及光纤的向心压力的关

系,如下所示:

将σ

b

的表达式带入式(4)中,可以得到弹性筒径向变化与高度变化的关系,以及弹性筒和传

感光纤的综合弹性系数:

δcc=-vδHH·1AA=1-NEfSfEHb(b2-a2)[b2(2v2+v-1)-

a2(1+v)]K=δFzδH=π(b2-a2)HE+2πv2EfSfNbH2A---(5)

其中,系统等效弹性系数为K,等效质量为

等效阻尼为c,在a=α

o

cosωt的加速度信号激励下,根据受激振动方程,传感光纤的总长度变化为:

δc=NvδFzH·cKA·[(1-ω2ω02)2+(cωMω02)2]-

0.5=2πNvMabHKA·[(1-ω2ω02)2+(cωMω02)2]-0.5---(6)

上式中,ω

0

为加速度传感器的谐振频率,

综合考虑光纤的长度变化以及弹光效应,参考臂与传感臂之间的相位差与传感光纤

长度变化之间的关系满足如下等式:

δφ=2·2πn·δcλ{1-0.5n2[(1-vf)p12-vfp11]}---(7)

其中,上式中n为光纤折射率,λ为工作波长,ν

f

为光纤泊松比,p

12

、p

11

为光纤的Pockls系数,故此加速度传感器的加速度灵敏度为:

δφa(ω)=8π2NnvMbλHKA·{1-0.5n2[(1-vf)p12-vfp11]}·[(1-

ω2ω02)2+(cωMω02)2]-0.5---(8)

利用以上公式,在弹性筒厚0.75mm,缠绕光纤为14m,杨氏模量1.6GPa,质量块124.5g

的情况下,理论灵敏度可以到达119.1rad/g,谐振峰在1681Hz,工作带宽在1200Hz,即

在保证100rad/g的高灵敏度前提下,将工作带宽提高至1200Hz以上,通过对此探头

的实际测量,得到了如下频响曲线。由图4中数据可知,传感器的工作带宽在20-

1500Hz,灵敏度在120rad/g,灵敏度与之前的理论分析相近,工作带宽变宽的原因在于

系统中各个材料的阻尼系数无法精确的确定有关。

本发明所公开的一种基于加速度传感器获取加速度信号的方法,通过激光通过端口

输入耦合器中,并将激光分为等光强的两束光;等光强的两束光分别进入参考光纤与

传感光纤;当传感器所处的加速度环境发生变化时,加速度信号转化为质量块的振动;

质量块的振动使弹性筒的压缩状态产生改变,以及使传感光纤发生形变,其中,传感光

纤与参考光纤之间存在相位差;通过相位测量电路获取相位差信息,并通过分析相位

差的变化获取加速度信号。本发明利用单弹性筒-质量块的结构,并选取合适的弹性

筒外径及厚度尺寸,在保证大于100rad/g高灵敏度的前提下,将带宽提高至1200Hz

以上。本发明还公开了一种加速度传感器。

以上实施方式仅用于说明本发明,而并非对本发明的限制,有关技术领域的普通技术

人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型,因此所有

等同的技术方案也属于本发明的范畴,本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式,但是本领域技术人员可以在不脱离本发明

的精神和范围的情况下做出各种修改和变型,这样的修改和变型均落入由所附权利

要求所限定的范围之内。