本发明专利技术涉及一种耐高温一体化弹性结构光纤F‑P腔加速度传感器，属于光纤传感器技术领域；包括：支撑框架(104)、弹性梁(105)、质量块(106)、光纤(101)和石英玻璃管(102)，将两段光纤(101)分别从石英玻璃管(102)两端插入，在两段光纤(101)端面相隔一定距离经胶点或焊点(107)固定于石英玻璃管(102)内，两段光纤(101)端面之间由石英玻璃管(102)包围的空腔构成光纤F‑P腔(103)，并将石英玻璃管(102)通过胶点或焊点(108)安装于支撑框架(104)和质量块(106)上。对比现有光纤加速度传感器，本发明专利技术具有体积小、质量轻、耐温高、频响高、量程大、灵敏度高的特点，其耐温高于600℃、频响高于2000Hz。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种耐高温一体化弹性结构光纤F-P腔加速度传感器，以光纤F-P腔作为敏感核心，属于光纤传感器
技术介绍
传统加速度传感器一般利用机电转换原理，如压电、压阻、MEMS等方式，其不足在于耐高温能力受到限制，一般不超过200℃，采用特殊压电材料制成的高温加速度传感器最高耐温范围一般也不超过600℃。而目前普遍使用的光纤光栅加速度传感器虽具有绝缘、抗电磁干扰等特点，但光纤光栅的应变分辨力一般只在0.1με左右，由其所制成的加速度传感器灵敏度难以更普遍满足实际应用的需要；且因其敏感核心光纤光栅的刚度不能改变，结构尺寸也会比较大，因此造成结构固有频率较低，导致传感器频响比较低；同时光纤光栅目前的制作工艺需要将光纤表面的涂覆层剥除，刻制完光栅之后再涂覆，由于受到涂覆层的限制，光纤光栅的耐温一般在250℃，亦无法满足高温条件下的应用需求。因此，目前迫切需要一种耐温范围大、频响高、灵敏度高的加速度传感器来满足人们日益增长的生产生活需要。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有光纤加速度传感器应用过程中耐温范围小、频响低、灵敏度低等问题，提出一种耐高温一体化弹性结构光纤F-P腔加速度传感器，解决了前述问题，在发动机、发电机组等极端环境测试领域具有重要应用价值。本专利技术的思想是以光纤F-P腔为敏感核心，采用一体化设计加工方式由高
温弹性材料制成加速度传感器的弹簧质量系统，将耐高温光纤F-P腔安装在支撑框架与弹簧质量系统上，构成光纤加速度传感器，使其具有耐温高、频响高、量程大、灵敏度高的特点。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种耐高温一体化弹性结构光纤F-P腔加速度传感器，包括：支撑框架、弹性梁、质量块、光纤和石英玻璃管，将两段光纤分别从石英玻璃管两端插入，在两段光纤端面相隔距离λ位置经胶点或焊点固定于石英玻璃管内，两段光纤端面之间由石英玻璃管包围的空腔构成光纤F-P腔，并将石英玻璃管通过胶点或焊点安装于支撑框架和质量块上。其工作原理是：外界加速度引起光纤F-P腔腔长的变化，通过对腔长的检测，可反求加速度。作为优选，所述支撑框架、弹性梁和质量块为由弹性材料经过一体化设计加工制成。作为优选，所述石英玻璃管垂直于弹性梁并位于其中心位置。有益效果对比现有技术，本专利技术具有以下特点：1、光纤F-P腔(103)与弹性梁(105)、支撑框架(104)形成互相支撑的封闭结构，具有结构固有频率高、抗过载能力强、可靠性高的优点；2、采用光纤F-P腔(103)为敏感核心，具有灵敏度高、频响高的特点；3、采用一体化设计加工方式形成的加速度传感器弹性支撑结构，具有结构简洁、可靠性高的特点，更利于适应高温环境，避免其他连接方式所产生的不可靠和热应力集中问题；4、采用耐高温的弹性材料、石英玻璃管(102)、光纤(101)、胶点或焊点
(107)(108)，使传感器适应于高温环境。综上所述，本专利技术可使光纤加速度传感器的耐温高于600℃、频响高于2000Hz，同时具备体积小、质量轻、量程大的特点，成为高温、强电、强电磁干扰环境条件下进行振动测量的有效手段。附图说明图1是本专利技术实施例的一种耐高温一体化弹性结构光纤F-P腔加速度传感器的结构示意图；图2是一种耐高温一体化弹性结构光纤F-P腔加速度传感器在不同频率下试验波形示意图；图3是一种耐高温一体化弹性结构光纤F-P腔加速度传感器的频响曲线示意图；图4是一种耐高温一体化弹性结构光纤F-P腔加速度传感器与光纤光栅加速度传感器在同样300Hz频率和5g加速度值下的试验波形对比示意图。附图标记：101-光纤，102-石英玻璃管，103-光纤F-P腔，104-支撑框架，105-弹性梁，106-质量块，107-用于制备光纤F-P腔的胶点或焊点，108-用于安装光纤F-P腔的胶点或焊点。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做以下详细描述。如图1所示，本专利技术是一种耐高温一体化弹性结构光纤F-P腔加速度传感器，实施方式包括：由同一块耐高温弹性材料经过一体化设计加工制成支撑框架(104)、弹性梁(105)和质量块(106)，由耐高温光纤(101)与耐高温石英玻璃管(102)经胶点或焊点(107)连接制成光纤F-P腔(103)，作为加速度传感器的敏感核心，将内置光纤F-P腔(103)的石英玻璃管(102)经胶点
或焊点(108)固定安装在支撑框架(104)和质量块(106)上，构成光纤加速度传感器。所述光纤F-P腔加速度传感器的传感原理为光纤F-P腔干涉原理，即：在外界加速度作用下，经支撑框架(104)和弹性梁(105)传递，质量块(106)产生惯性力，作用于石英玻璃管(102)，使光纤F-P腔(103)的腔长发生变化，通过对光纤F-P腔(103)腔长的检测，可反求出加速度。将所述内腔式光纤F-P腔(103)垂直安装于所述两端固支的弹性梁(105)，形成加速度敏感结构，且该结构处于传感器中心或轴心位置。所述光纤(101)和石英玻璃管(102)采用耐高温材质制成。所述光纤F-P腔(103)的腔长λ在30μm～300μm范围内。试验结果如图2所示为本专利技术提出的一种耐高温一体化弹性结构光纤F-P腔加速度传感器在不同频率下的试验波形示意图，包含(a)至(g)共七张图，每张图的左部分为时域波形，右部分为频谱曲线，在时域波形中，横坐标为时间，纵坐标为传感器输出波长，在频谱曲线中，横坐标为频率，纵坐标为传感器输出波长，图2表示了光纤F-P腔加速度传感器在20、63、120、320、600、1000及1200Hz条件下的时域波形和频谱情况，可以看出波形质量比较好，说明可以工作在这一频段。如图3所示为本专利技术提出的一种耐高温一体化弹性结构光纤F-P腔加速度传感器的频响曲线示意图，从图中可以看出传感器的谐振频率在2500Hz，频响的平直段可以达到1200Hz，可用于1200Hz以下频率加速度的测量，表明传感器具有较高频响特性。如图4所示为本专利技术提出的一种耐高温一体化弹性结构光纤F-P腔加速度
传感器(a)与光纤光栅加速度传感器(b)在同样300Hz频率和5g加速度值下的试验波形对比示意图，从图中可以看出(a)的波形比(b)的波形更接近标准正弦波，即失真度更小，说明(a)在此较高频率下，相对(b)可更好工作。光纤F-P腔相对于光纤光栅作为加速度传感器的敏感核心，具有灵敏度高、频响高、耐高温的特点，原因如下：加速度的测量需要设法转变为光纤敏感核心的应变变化，光纤光栅的应变分辨力一般在0.1με左右，光纤F-P强的应变分辨力可以达到0.001με左右，因此设计制作成加速度传感器具有更高的灵敏度；光纤光栅需要利用光学照射技术制作在光纤内部，长度一般在10mm左右，设计制作加速度传感器，敏感核心的刚度不能改变，结构尺寸也会比较大，因此造成结构固有频率较低，导致传感器频响比较低，而F-P腔制作将光纤焊接在玻璃管内部，玻璃管的直径可设计，敏感核心的刚度可设计比较大，F-P腔的光纤端面距离在1mm以下，完整的F-P腔可以设计在几毫米，由于灵敏度比较高，可以将敏感结构设计在较大刚度，因此可以设计制作出高频响的传感器；光纤光栅目前的制作工艺需要将光纤表面的涂覆层剥除，刻制完光栅之后再涂覆，由于受本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种耐高温一体化弹性结构光纤F‑P腔加速度传感器，其特征在于：包括：支撑框架(104)、弹性梁(105)、质量块(106)、光纤(101)和石英玻璃管(102)，将两段光纤(101)分别从石英玻璃管(102)两端插入，在两段光纤(101)端面相隔距离λ位置经胶点或焊点(107)固定于石英玻璃管(102)内，两段光纤(101)端面之间由石英玻璃管(102)包围的空腔构成光纤F‑P腔(103)，并将石英玻璃管(102)通过胶点或焊点(108)安装于支撑框架(104)和质量块(106)上。
【技术特征摘要】
1.一种耐高温一体化弹性结构光纤F-P腔加速度传感器，其特征在于：包括：支撑框架(104)、弹性梁(105)、质量块(106)、光纤(101)和石英玻璃管(102)，将两段光纤(101)分别从石英玻璃管(102)两端插入，在两段光纤(101)端面相隔距离λ位置经胶点或焊点(107)固定于石英玻璃管(102)内，两段光纤(101)端面之间由石英玻璃管(102)包围的空腔构成光纤F-P腔(103)，并将石英玻璃管(102)通过胶点或焊点(108)安装于支撑框架(104)和质量块(106)上。2.根据权利要求1所述的一种耐高温一体化弹性结构光纤F-P腔加速度传感器，其特征在于，所述支撑框架(104)、弹性梁(105)和质量块(106)为由弹性材料经过一体化设计加工制成。3.根据权利要求1所述的一种耐高温一体化弹性结构光纤F...
【专利技术属性】
技术研发人员：薛景锋，张毅翔，刘春红，陈喜，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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