敏感单元及使用该敏感单元的光纤法珀振动传感器

1.本实用新型大体涉及光纤传感领域，具体涉及一种敏感单元及使用该敏感单元的光纤法珀振动传感器。


背景技术：

2.近些年来，高温恶劣环境下振动参数的测量需求广泛存在于军用和民用领域，振动的测量与生产生活的安全息息相关。传统的压电式或涡流式振动传感器由于制作材料不耐高温、抗干扰能力差以及信号线热传导对解调系统造成不良影响等问题，难以在高温恶劣环境下进行高精度的振动测量。
3.光纤式振动传感器例如光纤法珀式振动传感器通常由敏感单元基于光学干涉原理对振动进行感测，具有体积小、灵敏度高、耐腐蚀以及抗电磁干扰等优点。其中，敏感单元可选用耐高温的材料进行制作并且高温不易对上述光学干涉原理的应用产生影响，因此光纤法珀式振动传感器适用于上述高温环境的振动测量。
4.目前已经报道国外的一种振动传感器，其利用pyrex玻璃圆片和硅片制造光纤法珀振动传感器的敏感单元，该种传感器能在较高的温度环境下进行振动测量。然而，由于使用了两种不同热膨胀系数的材料制作敏感单元，当该种传感器在高温环境下工作时，不同材料间的热膨胀系数不匹配容易影响传感器的测量精确度。因此，光纤法珀振动传感器在高温环境下进行振动测量的精确度还有待于提高。


技术实现要素：

5.本实用新型是有鉴于上述现有技术的状况而提出的，其目的在于提供一种应用于光纤法珀振动传感器并且能够提高光纤法珀振动传感器的测量精确度的敏感单元。
6.为此，本实用新型第一方面提供一种敏感单元，包括依次层叠的第一膜片、第二膜片以及第三膜片；所述第一膜片与所述第三膜片之间形成有空腔，所述第二膜片具有悬置于所述空腔内的质量块、以及与所述第一膜片和/或所述第三膜片连接以对所述质量块进行支承的梁结构；所述质量块具有面向所述第一膜片的光反射面，所述第一膜片具有与所述光反射面对准的孔。
7.在第一方面中，设置具有光反射面的质量块、以及与第一膜片和/或第三膜片连接以对质量块进行支承的梁结构，通过梁结构的支承作用使质量块能够悬置于空腔内。当质量块因感应外界环境的振动而在空腔内发生位移时，由于梁结构对质量块产生的约束作用，能够使得质量块的光反射面(相当于法珀腔的其中一个反射面)与法珀腔的另外一个反射面之间大致保持平行。垂直于光反射面而入射的光线在法珀腔的两个反射面之间进行反射时具有较高的重合度，从而能够有利于提高光线在法珀腔的两个反射面之间进行反射时所形成的干涉光信号的强度。由此，当基于干涉光信号对振动进行测量时，能够提高测量精确度。
8.另外，在本实用新型第一方面所涉及的敏感单元中，可选地，所述第二膜片还包括
围绕在所述质量块的外周且呈环状的接合部，所述梁结构连接所述质量块与所述接合部，所述接合部被所述第一膜片和所述第三膜片夹持。在这种情况下，能够使得接合部被第一膜片和第三膜片较充分地夹持，从而能够使得梁结构更稳定地被第一膜片与第三膜片夹持。
9.另外，在本实用新型第一方面所涉及的敏感单元中，可选地，所述梁结构形成于所述质量块的外周并向外周发散延伸至与所述接合部连接。由此，能够使得梁结构更牢固地连接质量块与接合部。
10.另外，在本实用新型第一方面所涉及的敏感单元中，可选地，所述梁结构的数量为多个，沿着所述第一膜片、所述第二膜片和所述第三膜片的层叠方向的进行投影，多个梁结构分别从所述质量块的四周向外发散延伸。在这种情况下，通过多个梁结构较均匀地支承质量块。由此，在质量块发生位移时，能够进一步提高质量块的光反射面与法珀腔的另外一个反射面之间的平行度。
11.另外，在本实用新型第一方面所涉及的敏感单元中，可选地，所述第一膜片具有面向所述第三膜片的第一凹槽，所述第三膜片具有面向所述第一膜片的第三凹槽，沿着所述第一膜片、所述第二膜片和所述第三膜片的层叠方向进行投影，所述第一凹槽与所述第三凹槽重合。由此，通过第一凹槽与第三凹槽之间的配合能够方便地为质量块提供位移的空间。
12.另外，在本实用新型第一方面所涉及的敏感单元中，可选地，还包括设置于所述第一膜片且与所述第一膜片一体成型的凸台，所述凸台具有与所述孔连通且与所述孔共轴的中空部，所述中空部的内径与所述孔的孔径相同。在这种情况下，在将光纤插入孔时，通过凸台能够有利于对光纤进行准直和固定。
13.另外，在本实用新型第一方面所涉及的敏感单元中，可选地，所述第三膜片具有与所述空腔连通的多个气孔。在这种情况下，能够平衡空腔内外之间的气压，减少气压差对质量块位移的影响。
14.另外，在本实用新型第一方面所涉及的敏感单元中，可选地，所述第一膜片、所述第二膜片以及所述第三膜片为石英膜片。在这种情况下，由于石英材料的耐高温特性，能够应用于高温环境下的振动感应。
15.另外，在本实用新型第一方面所涉及的敏感单元中，可选地，所述孔为通孔或沉孔。在这种情况下，通过将孔设置为通孔，在光纤置入通孔时，能够便于调节光纤置入的深度，从而能够便于调节法珀腔的初始腔长；将孔设置为沉孔，通过光反射面与第一膜片的内表面来构成法珀腔的两个反射面，从而能够提高法珀腔的初始腔长的恒定性。
16.本实用新型第二方面提供一种光纤法珀振动传感器，所述光纤法珀振动传感器包括本实用新型第一方面所涉及的敏感单元以及光纤，所述光纤嵌设于所述孔，所述光纤具有导光端面，所述质量块感应于振动而在所述空腔内发生位移，所述光反射面与所述导光端面之间的距离因所述质量块的位移而发生变化。
17.在第二方面中，设置具有光反射面的质量块、以及与第一膜片和/或第三膜片连接以对质量块进行支承的梁结构，通过梁结构的支承作用使质量块能够悬置于空腔内。质量块的光反射面与光纤的导光端面之间能够形成一个法珀腔。当质量块因感应外界环境的振动而在空腔内发生位移时，由于梁结构对质量块产生的约束作用，能够使得质量块的光反
射面与光纤的导光端面之间大致保持平行。垂直于光反射面而入射的光线在法珀腔的两个反射面之间进行反射时具有较高的重合度，从而能够有利于提高光线在法珀腔的两个反射面之间进行反射时所形成的干涉光信号的强度。由此，当基于干涉光信号对振动进行测量时，能够提高测量精确度。
18.根据本实用新型，能够提供一种提高光纤法珀振动传感器的测量精确度的敏感单元及使用该敏感单元的光纤法珀振动传感器。
附图说明
19.图1是本实用新型示例所涉及的敏感单元的整体外观的示意图。
20.图2a是本实用新型示例所涉及的敏感单元在第一视角下的爆炸图。
21.图2b是本实用新型示例所涉及的敏感单元在第二视角下的爆炸图。
22.图3a是本实用新型示例所涉及的敏感单元的通孔的示意图。
23.图3b是本实用新型示例所涉及的敏感单元的沉孔的示意图。
24.图4是使用本实用新型示例所涉及的敏感单元的光纤法珀振动传感器的应用场景图。
具体实施方式
25.以下，参考附图，详细地说明本实用新型的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。
26.需要说明的是，本实用新型中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，例如所包括或所具有的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可以包括或具有没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
27.本实用新型的实施方式涉及一种应用于光纤法珀振动传感器的敏感单元。在本实施方式中，敏感单元有时也称为敏感元件或感应单元，光纤法珀振动传感器可以简称为振动传感器。通过本实施方式的敏感单元，能够进一步提高振动传感器的测量精确度和工作稳定性。
28.在本实施方式中，敏感单元能够获得外部的力学参数(例如，加速度、速度、位移等)的变化情况。敏感单元可以包括具有两个反射面的法珀腔，光线在法珀腔的两个反射面之间进行反射并叠加形成干涉光信号，通过对该干涉光信号进行解析，能够获得两个反射面之间的距离，也即法珀腔的腔长信息。
29.在本实施方式中，法珀腔是指由相对设置、相互平行并且具有预定间距的两个反射面组成的光学谐振腔，光线经光纤进入法珀腔之后，可以在法珀腔的两个反射面之间进行反射，由此叠加形成干涉光信号。在法珀腔中，干涉光信号与两个反射面之间的间距(即腔长)具有对应关系。当法珀腔的两个反射面之间的距离发生变化，相应的法珀腔的腔长就会发生变化，干涉光信号携带的信息也会相应地发生变化。
30.在本实施方式中，敏感单元可以应用于振动传感器，振动传感器可以安装在高温环境下探测振动信息(例如，探测飞机发动机的振动信息)，振动传感器能够通过敏感单元
获得外部的力学参数的变化情况，再根据法珀腔干涉原理将力学参数变化情况转换成干涉光信号的相位变化信息，利用光波解调设备对干涉光信号的相位变化信息进行解调从而获得振动的测量结果。
31.图1是本实用新型示例所涉及的敏感单元1的整体外观的示意图。
32.在一些示例中，参见图1，敏感单元1可以包括依次层叠的第一膜片10、第二膜片20以及第三膜片30。在一些示例中，在第一膜片10与第三膜片30之间可以形成有空腔(稍后描述)。在一些示例中，第一膜片10、第二膜片20以及第三膜片30可以为石英膜片。在这种情况下，由于石英材料的耐高温特性，使得使用敏感单元1的振动传感器2能够用于高温环境下的振动测量。
33.在一些示例中，第一膜片10、第二膜片20以及第三膜片30可以通过键合的方式结合。由此，能够获得结构稳定的敏感单元1，从而提高敏感单元1的工作稳定性。
34.在一些示例中，参见图1，敏感单元1可以大致呈正方体状。在另一些示例中，敏感单元1也可以呈其他立体状。例如，敏感单元1的外形可以呈圆柱状、棱柱状或球体状。
35.图2a是本实用新型示例所涉及的敏感单元1在第一视角下的爆炸图。图2b是本实用新型示例所涉及的敏感单元1在第二视角下的爆炸图。
36.在一些示例中，参见图2a和2b，第一膜片10可以具有第一凹槽14，第三膜片30可以具有第三凹槽34。在一些示例中，第一凹槽14可以面向第三膜片30，第三凹槽34可以面向第一膜片10。由此，第一凹槽14与第三凹槽34能够配合形成空腔。在一些示例中，沿着第一膜片10、第二膜片20和第三膜片30的层叠方向进行投影，第一凹槽14与第三凹槽34可以重合。在这种情况下，能够形成空腔，进而通过第一凹槽14与第三凹槽34之间的配合能够为质量块22提供位移的空间。
37.在一些示例中，第一凹槽14的底部可以具有平整的第一内表面。在这种情况下，能够提高第一内表面与质量块22的光反射面的平行度，进而有利于在第一内表面与质量块22的光反射面之间形成法珀腔。
38.在一些示例中，第一内表面可以是反光性能良好的反射面。在这种情况下，能够提高入射光线在法珀腔内的反射光量，进而能够提高光线在法珀腔内进行反射时形成的干涉光信号的强度。
39.在一些示例中，第一凹槽14和第三凹槽34可以呈圆柱状、椭圆柱状或棱柱状例如四棱柱状等形状。
40.在一些示例中，第二膜片20可以包括质量块22以及用于支承质量块的梁结构26(参见图2a或2b)。在一些示例中，质量块22可以悬置于空腔内。
41.在一些示例中，梁结构26可以与第一膜片10和/或第三膜片30连接以对质量块22进行支承。在一些示例中，梁结构26可以与第一膜片10连接。在一些示例中，梁结构26可以与第三膜片30连接。在一些示例中，梁结构26可以与第一膜片10和第三膜片30连接。
42.在一些示例中，梁结构26的一端可以连接于质量块22，梁结构26的另一端可以连接目标对象(例如，第一膜片10和/或第三膜片30)。
43.以梁结构26的另一端连接第一膜片10和第三膜片3为例。梁结构26的一端可以连接于质量块22，梁结构26的另一端可以连接第一膜片10和第三膜片30。在这种情况下，通过梁结构26对质量块22的支承作用，使质量块22能够悬置于空腔内。由此，质量块22能够感应
于外界振动而在空腔内发生位移。梁结构26的另一端连接其他目标对象的方式类似，此处不再赘述。
44.在一些示例中，梁结构26的另一端可以通过被第一膜片10和第三膜片30夹持的方式而连接第一膜片10和第三膜片30。
45.在一些示例中，第二膜片20还可以包括接合部24。在一些示例中，接合部24可以呈环状。在一些示例中，接合部24可以围绕在质量块22的外周。
46.在一些示例中，梁结构26可以连接质量块22与接合部24。具体而言，梁结构26的一端连接于质量块22，梁结构26的另一端连接于接合部24。
47.在一些示例中，接合部24可以设置于第一膜片10与第三膜片30之间。在一些示例中，接合部24可以被第一膜片10与第三膜片30夹持。在这种情况下，能够使得梁结构26更稳定地被第一膜片10与第三膜片30夹持。
48.在一些示例中，梁结构26可以形成于质量块22的外周。在一些示例中，梁结构26可以通过一体成型的方式形成于质量块22的外周。由此，能够提高梁结构26与质量块22之间连接的牢固性。
49.在一些示例中，梁结构26可以形成于质量块22的外周并向外周发散延伸。在一些示例中，梁结构26可以延伸至与接合部24连接。由此，能够使得梁结构26更牢固地连接质量块22与接合部24。
50.在一些示例中，梁结构26的数量可以为多个。在一些示例中，梁结构26的数量可以为四个，四个梁结构26可以为梁结构26a、梁结构26b、梁结构26c、以及梁结构26d(参见图2a或2b)。但本实用新型的示例并不仅限于此。在另外一些示例中，梁结构26的数量可以为八个或十二个。
51.在一些示例中，沿着第一膜片10、第二膜片20和第三膜片30的层叠方向进行投影，多个梁结构26可以分别从质量块22的四周向外发散延伸至与接合部24连接。在这种情况下，通过多个梁结构26的支承作用，能够使质量块22受力均匀地悬置于空腔内。由此，在质量块22发生位移时，由于多个梁结构26的约束作用，能够使得质量块22的光反射面(法珀腔的其中一个反射面)与法珀腔的另外一个反射面之间保持较高的平行度。
52.以下，以梁结构26的数量为四个为例对多个梁结构26的分布情况进行描述说明。
53.在一些示例中，梁结构26可以呈长条状。在一些示例中，沿着第一膜片10、第二膜片20和第三膜片30的层叠方向进行投影，四个梁结构26的一端可以以均匀分布的方式连接于质量块22的四周、四个梁结构26的另一端连接于接合部24。在这种情况下，通过四个梁结构26均匀地支承质量块22，能够使质量块22受力均匀地悬于空腔内。由此，在质量块22发生位移时，由于四个梁结构26对质量块22产生的约束作用，使得质量块22作为法珀腔的其中一个反射面，能够与法珀腔的另外一个反射面之间保持高度平行。
54.在一些示例中，四个梁结构26可以以均匀分布的方式连接于质量块22的四周，并且相邻的两个梁结构26之间可以以相互正交的方式与质量块22连接。
55.在一些示例中，可以通过改变梁结构26的尺寸或厚度使得质量块22能够感应不同的振动频率，从而使敏感单元1能够拥有不同的共振频率和灵敏度。由此，使得使用敏感单元1的振动传感器2能够适用于不同的振动环境。
56.在一些示例中，质量块22的形状可以为正方形、菱形、圆形、或椭圆形。优选地，质
量块22的形状可以为正方形，质量块22的边长的取值范围可以为2mm至4mm，例如可以取2.2mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.8mm、3.0mm、3.2mm、3.4mm、3.5mm、3.6mm、或3.8mm，优选地，质量块22的边长为3.0mm。
57.在一些示例中，质量块22的厚度的取值范围为0.2mm至0.4mm，例如可以取0.22mm、0.24mm、0.25mm、0.26mm、0.28mm、0.3mm、0.32mm、0.34mm、0.35mm、0.36mm、或0.38mm。优选地，质量块22的厚度为0.3mm。
58.在一些示例中，梁结构26的形状可以呈长方形，梁结构26的长度的取值范围为2.5mm至3.5mm，例如可以取2.6mm、2.8mm、3.0mm、3.2mm、或3.4mm。优选地，梁结构26的长度的取值为3mm。梁结构26的宽度的取值范围为0.5mm至1.3mm，例如可以取0.6mm、0.8mm、1.0mm、或1.2mm。优选地，梁结构26的宽度的取值为1.0mm。
59.如上所述，在一些示例中，梁结构26的厚度可以与质量块22的厚度一致。但本实用新型并不限于此，在另一些示例中，梁结构26的厚度可以与质量块22的厚度不一致。例如，质量块22的厚度可以大于梁结构26的厚度。
60.在一些示例中，参见图2a，质量块22可以具有光反射面。光反射面可以作为法珀腔的其中一个反射面。在这种情况下，质量块22在外界振动的作用下发生位移时，能够使法珀腔的两个反射面之间的距离发生变化。在一些示例中，质量块22的光反射面可以面向第一膜片10。在这种情况下，能够使光反射面接收并反射进入法珀腔的光线。
61.在一些示例中，第一膜片10可以具有与光反射面对准的孔16。在一些示例中，孔16的位置可以与光反射面的中心对准。在这种情况下，能够使光反射面更多地接收并反射进入法珀腔的光线。由此，有利于提高干涉光信号的强度。
62.在一些示例中，孔16可以为通孔16a或沉孔16b。作为示例，图2b示出了通孔16a与光反射面的中心对准的示意。
63.图3a是本实用新型示例所涉及的敏感单元1的通孔16a的示意图。
64.在一些示例中，光纤可以插入通孔16a。在一些示例中，光纤具有导光端面。在一些示例中，导光端面可以作为法珀腔的一个反射面，质量块22的光反射面可以作为法珀腔的另一个反射面。在一些示例中，导光端面与光反射面之间可以留有预设距离。例如，预设距离可以为0.6mm、0.8mm、1.0mm、或1.2mm。优选地，预设距离为1.0mm。由此，能够有利于形成一个法珀腔。在一些示例中，可以通过调节光纤插入通孔16a的深度而调节法珀腔的初始腔长。图3b是本实用新型示例所涉及的敏感单元1的沉孔16b的示意图。
65.在一些示例中，参见图3b，第一膜片10的孔16可以是沉孔16b。沉孔16b的位置可以与质量块22的光反射面的中心对准。在一些示例中，光纤可以插入沉孔16b。在一些示例中，光纤具有导光端面，导光端面可以与沉孔16b的底面贴合。
66.在一些示例中，沉孔16b可以透光。在一些示例中，经由光纤传输的光线可以经沉孔16b的底面而进入空腔。在一些示例中，第一膜片10的第一内表面可以作为法珀腔的一个反射面，质量块22的光反射面可以作为法珀腔的另一个反射面。在这种情况下，能够形成一个具有恒定初始腔长的法珀腔，从而能够提高法珀腔的初始腔长的恒定性。
67.另外，经光纤传输的光线一部分在光纤的导光端面发生反射(也称为第一反射光)，一部分光线在沉孔16b的底面发生反射(也称为第二反射光)，另一部分光线经沉孔16b进入法珀腔，在法珀腔内进行反射。法珀腔内的反射光线(也称为第三反射光)可以经沉孔
16b传输回导光端面并耦合进入光纤。在这种情况下，第一反射光、第二反射光、和第三反射光能够发生干涉，从而形成多束干涉光信号，基于多束干涉光信号能够提高干涉光信号的强度。
68.在一些示例中，参见图3a或图3b，敏感单元1还包括凸台12。凸台12可以设置于第一膜片10且与第一膜片10一体成型。
69.在一些示例中，第一膜片10在远离空腔的一侧可以形成有凸台12。在一些示例中，凸台12可以具有中空部121。在一些示例中，中空部121可以与第一膜片10的孔16相连通。在一些示例中，中空部121可以与孔16以共轴的方式连通。在一些示例中，中空部121的内径可以与孔16的孔径相同。在这种情况下，凸台12能够对插入孔16的光纤或者石英管起到准直的作用，进而光线以垂直第一膜片10的方式进入法珀腔。在一些示例中，中空部121可以为圆柱形腔体。
70.在一些示例中，返回参考图2a或图2b，第三膜片30可以具有气孔32。在一些示例中，第三膜片30的气孔32可以连通空腔与外界环境。在这种情况下，气孔32能够平衡空腔内外的气压，从而能够减少质量块22在位移过程中因空腔内外的气压不平衡而受到的影响，进一步提高振动的测量精确度。
71.在一些示例中，气孔32的数量可以为多个。例如，气孔32的数量可以为两个。两个气孔32分别为气孔32a和气孔32b(参见图2a或图2b)。另外，在一些示例中，气孔32的数量可以为一个、三个、四个、五个或六个等。
72.图4是使用本实用新型示例所涉及的敏感单元1的光纤法珀振动传感器2的应用场景图。
73.在一些示例中，光纤法珀振动传感器2可以包括敏感单元1和光纤，光纤可以具有导光端面。在一些示例中，光纤可以嵌设于敏感单元1的孔16之中。具体而言，光纤插入孔16之后，光纤可以通过高温熔接的方式与凸台12焊接结合，由此，能够实现光纤与敏感单元1之间的紧密结合。
74.在一些示例中，光纤的导光端面与质量块22的光反射面之间可以形成一个法珀腔。在一些示例中，质量块22可以感应于振动而在空腔内发生位移，光反射面与导光端面之间的距离因质量块22的位移而发生变化。由此，使得法珀腔的腔长也发生相应的变化。
75.以下以使用敏感单元1的光纤法珀振动传感器2的应用场景为例，具体描述光纤法珀振动传感器2的工作过程。
76.在一些示例中，参见图4，振动传感器2工作时，光信号由光源3发出并经光纤传输进入振动传感器2的敏感单元1的法珀腔，一部分光信号(也称为第一反射光信号)在光纤的导光端面发生反射，另一部分光信号可以经法珀腔入射到质量块22的光反射面，在光反射面与导光端面之间进行反射，反射的光信号(也称为第二反射光信号)可以传输回导光端面并耦合进光纤中。由此，第一反射光信号和第二反射光信号发生干涉，干涉光信号经光纤将传至光波解调设备4。在这种情况下，当外界力学参数发生变化时，质量块22因受振动作用而发生位移，从而改变法珀腔的腔长，使得干涉光信号的条纹发生变化。在这种情况下，利用光波解调设备4对干涉光信号进行解调就能够获取法珀腔腔长的变化信息，从而最终获得振动的测量结果。
77.虽然以上结合附图和示例对本实用新型进行了具体说明，但是可以理解，上述说
明不以任何形式限制本实用新型。本领域技术人员在不偏离本实用新型的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本实用新型进行变形和变化，这些变形和变化均落入本实用新型的范围内。