一种高灵敏度的光纤光栅电场传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种高灵敏度的光纤光栅电场传感器，包括上金属半球和下金属半球，增敏放大机构、光纤和绝缘板设置在上、下金属半球之间，通过两个金属半球来感应电场信号，该增敏放大机构的设计运用了逆压电效应和放大式增敏相结合的方法，增敏效果更加明显。电压信号通过导线传递到增敏放大机构上，增敏放大机构从而发生机械变形，该变形量经过增敏放大机构的放大输出一个相对较大的变形量并作用于光纤，使其中心波长发生变化，通过检测波长漂移量从而获得待测电场强度。该光纤光栅传感器增敏效果显著，体积小，使用范围广，适用于结构的微小应变测量。

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度的光纤光栅电场传感器
本专利技术属于电场传感器
，具体涉及一种高灵敏度的光纤光栅电场传感器。
技术介绍
光纤光栅传感器是当今传感器研究的重要方向。随着世界军工、航空航天等领域的快速发展，对电场探测传感器要求的灵敏度越来越高，空间中存在各种电场，各种电器设备产生的辐射也都对传感器的探测构成了背景噪声。但是目标电场往往非常微弱，这就需要传感器对微弱的电场有所响应。目前电子类电场传感器件都是手持单点测量，或者需要光电转换后采用光纤才能将测量数据传输监测中心。由于光纤光栅传感器相比于传统的电子传感器件具有抗干扰性好、灵敏度高的优势，且易于实现分布式测量。所以对光纤光栅传感器的研究对微弱信号的监测具有重要的意义。经过多年的研究，已经发展出多种不同的光纤传感技术方案，并且在电场探索领域得到了很好的应用，例如空间目标识别、以及工业监测控制等。在众多光纤光栅电场传感器结构中，大多都直接采用压电材作为敏感单元，压电材料在电场作用下发生变形，然后变形直接作用在光纤光栅上，但是，压电材料的变形微小，其电场的分辨能力差。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种高灵敏度的光纤光栅电场传感器，通过设计增敏放大机构对微小形变进行放大，放大后的形变作用于光纤光栅，能够有效提升分辨能力。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：本专利技术公开的一种高灵敏度的光纤光栅电场传感器，包括上金属半球、下金属半球、增敏放大机构、光纤和绝缘板；光纤安装于增敏放大机构上，增敏放大机构设置在绝缘板上，上金属半球和下金属半球均为实心球，增敏放大机构和绝缘板设置在上、下金属半球之间；上、下金属半球分别通过导线与增敏放大机构相连。优选地，所述增敏放大机构包括一个外部框架、一个压电陶瓷堆和一套杠杆机构；其中：杠杆机构包括设置在外部框架内且相互平行的一级杠杆和二级杠杆，一级杠杆和二级杠杆之间通过平衡块相连，在一级杠杆上设有连接块；压电陶瓷堆的一端固定在外部框架上，另一端紧贴连接块设置。进一步优选地，外部框架与一级杠杆、二级杠杆之间通过柔性铰链连接；平衡块与一级杠杆、二级杠杆之间通过柔性铰链连接。进一步优选地，外部框架上开设有用于布置光纤的线槽，光纤的纤芯上写有一段光纤光栅，光纤光栅置于杠杆机构的位移输出端和固定端之间。此处，输出端是指杠杆机构的位移输出端，即说明输出端是运动的，而固定端是不动的，在输出端和固定端之间固定了光纤光栅。进一步优选地，上金属半球通过导线与增敏放大机构中的压电陶瓷堆相连。进一步优选地，外部框架上还开设有四个螺纹孔I。进一步优选地，所述绝缘板包括支承座，与轴承座相连的手持杆，在轴承座上开设有矩形通孔和4个螺纹孔II，绝缘板上开设的螺纹孔II与外部框架上的螺纹孔I位置匹配，用于将绝缘板固定在增敏放大机构上。更进一步优选地，下金属半球通过导线与压电陶瓷堆相连，下金属半球的导线能够穿过矩形通孔。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术公开的高灵敏度的光纤光栅电场传感器，包括上金属半球和下金属半球，增敏放大机构、光纤和绝缘板设置在上、下金属半球之间，通过两个金属半球来感应电场信号，该增敏放大机构的设计运用了逆压电效应和放大式增敏相结合的方法，增敏效果更加明显。电压信号通过导线传递到增敏放大机构上，增敏放大机构从而发生机械变形，该变形量经过增敏放大机构的放大输出一个相对较大的变形量并作用于光纤，使其中心波长发生变化，通过检测波长漂移量从而获得待测电场强度。本专利技术的增敏放大机构对微小变形进行放大，放大厚的形变作用于光纤光栅，其分辨能力有了很大提升，该光纤光栅传感器增敏效果显著，体积小，使用范围广，适用于结构的微小应变测量。进一步地，增敏放大机构由一个压电陶瓷堆和一套柔性铰链式的杠杆机构组成，逆压电效应的原理是：在压电陶瓷堆的极化方向上施加电压，压电陶瓷堆就会在厚度方向产生机械变形。放大式增敏原理是：杠杆机构设有一级杠杆和二级杠杆。利用杠杆原理，被测物体产生的微小位移经两级放大并传递到光纤光栅，则放大式增敏系数为二级杠杆的放大倍数。附图说明图1为本专利技术的高灵敏度的光纤光栅电场传感器的整体结构示意图；图2为本专利技术的高灵敏度的光纤光栅电场传感器的增敏放大机构的结构示意图；图3为本专利技术的高灵敏度的光纤光栅电场传感器的绝缘板的结构示意图；图4为本专利技术的高灵敏度的光纤光栅电场传感器的压电陶瓷堆的工作原理图。其中，1.上金属半球；2.增敏放大机构；3.光纤；4.绝缘板；5.下金属半球；21.压电陶瓷堆；22.平衡块；23.一级杠杆；24.外框架；25.二级杠杆；26.线槽；27.连接块；28.螺纹孔I；31.光纤光栅；41.支承座；42.手持杆；43.矩形通孔；44.螺纹孔II。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了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，而是可包括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。下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：参见图1，本专利技术的高灵敏度的光纤光栅电场传感器，由上金属半球1、增敏放大机构2、光纤3、绝缘板4、下金属半球5组成；所述上金属半球1与所述下金属半球5通过绝缘板4连接，将增敏放大机构2和光纤3封装起来。当将传感器置于电场中时，上金属半球1和下金属半球5感应电场信号，通过导线将电压传递到增敏放大机构2上。参加图2，为本专利技术的增敏放大机构的结构示意图，增敏放大机构2包括一个外部框架24、一个压电陶瓷堆21和一套杠杆机构；上金属半球1和下金属半球5分别通过导线与增敏放大机构2中的压电陶瓷堆21相连，其中：杠杆机构包括设置在外部框架24内且相互平行的一级杠杆23和二级杠杆25，一级杠杆23和二级杠杆25之间通过平衡块22相连，在一级杠杆23上设有连接块27；压电陶瓷堆21的一端固定在外部框架24上，另一端紧贴连接块27设置。平衡块22与一级杠杆23和二级杠杆25之间分别通过柔性铰链连接，一级杠杆23和二级杠杆25与外框架24之间也分别通过柔性铰链连接。发生弯曲的压电陶瓷堆21推动连接块27，则变形位移被传递到一级杠杆23上，然后一级杠杆23的位移又通过平衡块22和柔性铰链传递到二级杠杆25，此过程中，平衡块22平衡了杠杆转动过程中的剪切力，使得杠杆机构放大位移能力达到最大。进一步地，外部框架24上开设有用于布置光纤3的线槽26，光纤3的纤芯上写有一段光纤光栅31，光纤光栅31置于杠杆机构的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高灵敏度的光纤光栅电场传感器，其特征在于，包括上金属半球(1)、下金属半球(5)、增敏放大机构(2)、光纤(3)和绝缘板(4)；光纤(3)安装于增敏放大机构(2)上，增敏放大机构(2)设置在绝缘板(4)上，上金属半球(1)和下金属半球(5)均为实心球，增敏放大机构(2)和绝缘板(4)设置在上、下金属半球之间；上、下金属半球分别通过导线与增敏放大机构(2)相连。

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度的光纤光栅电场传感器，其特征在于，包括上金属半球(1)、下金属半球(5)、增敏放大机构(2)、光纤(3)和绝缘板(4)；光纤(3)安装于增敏放大机构(2)上，增敏放大机构(2)设置在绝缘板(4)上，上金属半球(1)和下金属半球(5)均为实心球，增敏放大机构(2)和绝缘板(4)设置在上、下金属半球之间；上、下金属半球分别通过导线与增敏放大机构(2)相连。2.根据权利要求1所述的高灵敏度的光纤光栅电场传感器，其特征在于，所述增敏放大机构(2)包括一个外部框架(24)、一个压电陶瓷堆(21)和一套杠杆机构；其中：杠杆机构包括设置在外部框架(24)内且相互平行的一级杠杆(23)和二级杠杆(25)，一级杠杆(23)和二级杠杆(25)之间通过平衡块(22)相连，在一级杠杆(23)上设有连接块(27)；压电陶瓷堆(21)的一端固定在外部框架(24)上，另一端紧贴连接块(27)设置。3.根据权利要求2所述的高灵敏度的光纤光栅电场传感器，其特征在于，外部框架(24)与一级杠杆(23)、二级杠杆(25)之间通过柔性铰链连接；平衡块(22)与一级杠杆(23)、二级杠杆(25)之间通...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾书海，彭俊，卞佳铭，张硕，周星，刘健犇，张建功，
申请(专利权)人：西安交通大学，中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61