光学传感器设备、传感器装置以及缆线制造方法及图纸

技术编号:16048165 阅读:57 留言:0更新日期:2017-08-20 07:39
本发明专利技术涉及包括参考体和至少一个感测换能器的光学传感器设备。感测换能器布置成用于接收输入动作,并且感测换能器相对于参考体可移动地布置以响应所述输入动作相对于参考体移动。设备还包括光纤和包括第一传输臂的一个或多个传输臂。光纤包括内置光纤传感器。光纤利用其第一连接部分连接至所述第一传输臂,并且利用其第二连接部连接至所述第一传输臂的外部元件。第一连接部和第二连接部在内置光纤传感器的两侧上。为了接收输入动作,第一传输臂的基部在其第一部分处与参考体连接,在其第二部分与感测换能器连接。光纤在沿第一传输臂远离基部的位置处连接,从而将由感测换能器接收的输入动作转换成施加于光纤的感测动作,以依据所述输入动作修改光纤中的张力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学传感器设备、传感器装置以及缆线
本专利技术涉及光学传感器设备,具体涉及应用内置光纤传感器的光学传感器设备。
技术介绍
用于各种应用的已知类型的光学传感器包括内置光纤传感器的使用。内置光纤传感器是使用光纤作为传感元件的传感器。在许多应用中,内置光纤传感器被点亮(例如,通过激光器),并且由于外部原因(取决于传感器的类型)而引起的纤维变化,导致由传感器发送或从传感器接收的光信号的可测量的变化。内置光纤传感器的典型示例是光纤布拉格光栅(FBG)。FBG包括具有芯的纤维,该芯在一定距离上包括折射率的周期性变化。该周期性变化形成波长特定的介电镜,在介电镜中,某一波长附近和包括某一波长的特定(窄)范围内的光被反射。反射的波长由芯的折射率的周期性确定。FBG所基于的原理为:光纤的应变的差异导致变化的几何周期性发生改变。这导致反射波长的变化,这种变化可被检测(例如,通过光谱分析或使用干涉仪)。光纤布拉格光栅应用于许多应用中,以用于测量大范围的参数和特性,包括静态参数和动态参数。例如,可通过将施加的外部压力转换为应用至包括FBG的纤维的可变力,来将FBG应用于压力传感器。可用于例如执行地质勘查的另一个应用是在例如用于测量土壤振动的加速度计中应用FBG。这种传感器有利地应用于例如石油和天然气工业中。对于许多这些应用,需要小尺寸的光学传感器设备,例如以能够在可用于陆地、海上或钻孔中进行勘探和地质勘查的缆线中实现,或者以测量建筑物、桥梁或其他构造中的振动。然而,实现期望的尺寸减小通常是以传感器的灵敏度为代价,并且这种折衷经常是不期望的。此外,灵敏度和大小不是仅关注的特征。特别是对于动态传感器,期望宽动态操作频率范围。该操作频率范围的上限由传感器设备的共振频率确定。即使对于静态传感器,也经常需要对变化的快速并准确的响应。由于这些要求彼此相关,并且满足一个要求通常使设计的另一个要求劣化,因此在光纤设计中符合所有这些要求是复杂的。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种易于实现的小尺寸光学传感器设备设计,其在宽操作频率范围内是高度灵敏的。出于这个目的,本文提供了包括参考体和至少一个感测换能器的光学传感器设备。感测换能器布置成用于接收输入动作,并且感测换能器相对于参考体可移动地布置以响应所述输入动作相对于参考体移动。设备还包括光纤和包括第一传输臂的一个或多个传输臂。光纤包括内置光纤传感器。光纤利用其第一连接部分连接至所述第一传输臂,并且利用其第二连接部连接至所述第一传输臂外部的元件。第一连接部和第二连接部位于内置光纤传感器的两侧上。为了接收输入动作,第一传输臂的基部在其第一部分处与参考体连接,并且在其第二部分与感测换能器连接。光纤连接在沿第一传输臂远离基部的位置处,从而将由感测换能器接收的输入动作转换成施加于光纤的感测动作,以依据所述输入动作修改光纤中的应变。在这方面,术语“基部”应理解成表示相应传输臂的第一端部,包括横向于穿过传输臂的纵向轴线的端面或多个端面。在沿其长度不具有单个纵向方向的成角度的或弯曲的传输臂情况下,这样的端面或多个端面涉及形成传输臂的闭合面的那些面,并且这样的端面或多个端面不平行于沿传输臂的长度的轴的局部方向。本专利技术的光学传感器设备包括将输入动作(例如,振动变化或压力变化)转换成施加至内置光纤传感器(例如,FBG、光纤激光器、多芯光纤)的传感器动作的传输臂。传输臂允许调谐动态传感器中可实现的操作频率范围和灵敏度,由此可枢转传输臂依据布置放大灵敏度或增加操作频率范围。然而,当考虑到尺寸要求时,传感器设计变得具有挑战性。具体地,在传输臂的传输比T(从输入和输出至臂上的枢转点的臂长之间的比率)进一步偏离单位元素(例如T>>1或T<<1)的情况下,臂的刚性和旋转惯性显著地有助于降低共振频率和操作频宽。另外,臂中的刚度损失直接导致传输效率的损失,并因此导致传感器系统中的灵敏度和信号的损失。此外,材料性质和制造问题限制对集成传感器尤为期望的小形状因素的可实现刚度。有利地,本专利技术的光学传感器设备允许紧凑的设计。同时,用于在纤维上施加力的输入动作的放大可最大化,同时保持系统的旋转惯性较小。臂的传输比等于T=L1/L2,其中L1是分别将臂连接至参考体和感测换能器的基部的第一部分与第二部分之间的距离。长度L2是基部处的枢转点(即,这是连接至参考体的基部处的第一部分)与纤维的连接部之间的臂长度。接收的输入动作的放大由传输比T确定。传输臂的低惯性是通过臂的紧凑性获得的。由感测换能器相对于参考体的运动产生的力经由在基部处的连接部被传送到传输臂中。基部的连接第一部分和连接第二部分分别连接至参考体和感测换能器,基部的连接第一部分和连接第二部分布置成相互接近(使得距离L1较小)。臂的基部具有由臂的纵向形状产生的机械刚度,并因此是坚固的。这对于输入处的刚性是有利的。臂可在其长度上相对于在光纤连接部处施加的力在旋转惯性和刚度方面完全优化。另外,基部(第一部分和第二部分)处的连接部的紧密接近允许臂的长度较小以获得相同的传输比T。这还有助于降低系统的惯性。系统的惯性矩决定了其对旋转运动提供阻力的程度。因此,本专利技术的光学传感器设备提供最佳设计,其中输入动作很好地放大成FBG中的应变变化,同时允许设备快速响应输入动作中的快速变化。在感测动态参数方面,较低的旋转惯性导致系统的共振频率转化至较高频率。因此,由于设备的操作频率范围的上限由共振频率(上限必须远低于共振频率)确定,本专利技术的低惯性设计提供具有宽操作频率范围的光学传感器设备。传感器设备因此响应于高频率。即使对于静态和半静态参数,本专利技术的光学传感器设备也提供优势。这不仅是因为其紧凑的设计,而且还由于系统的低惯性作用的结果,光学传感器设备对所感测参数的突然快速变化做出良好响应(例如,在传感器应用于压力传感器中的突然的压力变化)。可由传感器很好地跟随这种快速变化。这例如允许以更高的采样速率使用光学传感器设备,允许在相同的时间量内获得更多的传感器读数。因此,除了允许检测快速变化之外,这通过获得改进的测量统计来提高精度。本专利技术的另一个优点在于,至少一个传输臂(例如第一传输臂)的基部在其第一部分处与参考体连接,在其第二部分处与感测换能器连接,这允许设计中光学传感器设备所需的铰链的数量最小化。光学传感器设备所需的铰链的最小量为两个铰链(一个在基部的第一部分,一个在基部的第二部分)。通常,每个铰链增加整个设备的不期望的刚度。此外,铰链在设备的部件的运动期间响应于可能导致传感器性能滞后的输入动作而耗散能量。因此,根据本专利技术的设备优于其他设计,其中铰链的数量保持为最小。本专利技术的另一个优点在于,通过使至少一个传输臂(例如第一传输臂)的基部在其第一部分与参考体连接,并且在其第二部分处与感测换能器连接,允许部件的布置使得交叉轴灵敏度下降到最小。交叉轴灵敏度是光学传感器设备对输入动作的灵敏度,该输入动作不与用于接收输入动作的设备的优选轴对准。例如,加速度计可设计成用于检测与特定方向对准的振动。为了检测所有方向上的振动,可应用三个这种加速度计,三个加速度计的输入轴彼此正交布置(例如,x方向、y方向、z方向)。就z轴对准的加速度计而言,该加速度计优选地仅响应于z方向上的振动。交叉轴灵敏度是系统对不与本文档来自技高网
...
光学传感器设备、传感器装置以及缆线

【技术保护点】
光学传感器设备,包括参考体和至少一个感测换能器,其中,所述感测换能器布置成用于接收输入动作,以及其中,所述感测换能器相对于所述参考体可移动地布置,以用于响应于所述输入动作相对于所述参考体移动,其中,所述设备还包括光纤和包括第一传输臂的一个或多个传输臂,其中,所述光纤包括内置光纤传感器,以及其中,所述光纤利用其第一连接部分连接至所述第一传输臂,以及所述光纤利用其第二连接部连接至所述第一传输臂的外部的元件,所述第一连接部和所述第二连接部位于所述内置光纤传感器的两侧上,所述第一传输臂在其第一部分处与所述参考体连接,以及在其第二部分处与所述感测换能器连接,所述光纤连接在沿所述第一传输臂远离基部的位置处,从而将由所述感测换能器接收的所述输入动作转换成施加于所述光纤的感测动作,以根据所述输入动作修改所述光纤中的张力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.光学传感器设备,包括参考体和至少一个感测换能器,其中,所述感测换能器布置成用于接收输入动作,以及其中,所述感测换能器相对于所述参考体可移动地布置,以用于响应于所述输入动作相对于所述参考体移动,其中,所述设备还包括光纤和包括第一传输臂的一个或多个传输臂,其中,所述光纤包括内置光纤传感器,以及其中,所述光纤利用其第一连接部分连接至所述第一传输臂,以及所述光纤利用其第二连接部连接至所述第一传输臂的外部的元件,所述第一连接部和所述第二连接部位于所述内置光纤传感器的两侧上,所述第一传输臂在其第一部分处与所述参考体连接,以及在其第二部分处与所述感测换能器连接,所述光纤连接在沿所述第一传输臂远离基部的位置处,从而将由所述感测换能器接收的所述输入动作转换成施加于所述光纤的感测动作,以根据所述输入动作修改所述光纤中的张力。2.根据权利要求1所述的光学传感器设备,其中,所述光纤利用其所述第二连接部分连接至以下组中的至少一个,所述组包括:所述参考体、相对于所述参考体固定的另一元件。3.根据权利要求1所述的光学传感器设备,其中,所述一个或多个传输臂中的至少一个还包括第二传输臂,所述第二传输臂具有基部,所述基部在其第一部分处与所述参考体连接,以及所述基部在其第二部分处与至少一个感测换能器连接,以及其中,所述光纤利用其所述第二连接部连接在沿所述第二传输臂远离所述基部的位置处,其中,所述第二传输臂布置成用于将所述输入动作转换成施加于所述光纤的另一感测动作,使得当接收到所述输入动作后,由所述第二传输臂施加的所述另一感测动作在与由所述第一传输臂施加的所述感测动作不同的方向上施加。4.根据前述权利要求中的任一项所述的光学传感器设备,其中,对于至少一个所述传输臂,与所述感测换能器和所述参考体的所述连接件由柔性铰链形成。5.根据前述权利要求中的任一项所述的光学传感器设备,其中,所述传输臂中的至少一个包括这样的形状,该形状使得所述至少一个传输臂在其基部附近的截面尺寸比在用于连接所述光纤的所述位置附近的截面尺寸宽...

【专利技术属性】
技术研发人员:马蒂珍·马西杰森巴斯蒂安·莫尔勃洛克日尔曼·恩里克·克诺珀斯德夫雷兹·穆罕默德·卡拉巴卡克
申请(专利权)人:辉固科技有限公司
类型:发明
国别省市:荷兰,NL

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1