一种基于F-P传感原理的加速度传感器敏感结构制造技术

本发明专利技术公开的一种基于F

【技术实现步骤摘要】
一种基于F
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P传感原理的加速度传感器敏感结构


[0001]本专利技术涉及一种基于F
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P传感原理的加速度传感器敏感结构，属于光纤加速度计领域。

技术介绍

[0002]传统检测应用的是电检测技术，其工作原理是将需要检测的部位上安装电阻应变片或压电式振动传感器，然后进行感应检测，通过电阻应变片电阻和振动传感器的电压变化的规律展开检测，并且利用探测器实施检测数据的统计与分析。该检测方式主要是根据应变或振动—电量的方式进行，主要是以电信号为传输的媒介，通过导线进行信号传输和应用。但电检测技术的应用受周边环境的干扰和影响较大，如果空气湿度比较大，会出现电阻升高的情况，产生短路的问题；环境温度较高的情况下，如果电路老化较为严重，容易诱发火灾、爆炸等事故问题。而光纤传感技术通过光信号传输，光纤是主要的工具。光纤的制作原材料是石英玻璃，其属于绝缘性质的材料，耐高温、耐腐蚀效果较为优异，应对外部复杂环境依然可以满足运行的要求。此外，光纤传感器在具体的应用中，抗干扰的能力非常高，应用环节具备较高的灵敏度与分辨率，其体积小、自重轻，可以完全满足实时检测的要求，所以能够广泛的应用到低频的检测中，发挥出先进技术的优势。
[0003]基于光纤传感的加速度传感器主要分为光纤光栅传感(FBG)和珐珀腔传感(F
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P)原理两大类，本专利主要聚焦于F
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P传感原理，四梁式惯性质量梁式敏感结构(如图2)，包括四梁和质量块，为保证结构能够在低频环境下的响应，其梁厚度较薄，虽然在实际应用中能够感受外界低频振动激励，但在长期使用下，支撑梁极易发生断裂，从而导致结构失效。增大梁截面在振动方向尺寸可防止梁发生断裂，并建立相应模型(如图2)，通过仿真结果(如图4)可以看出增大支撑梁的振动方向截面尺寸后，该结构在振动方向上的固有频率增大，甚至转动模态的固有频率低于振动方向的固有频率，导致1阶和2阶模态产生交叉敏感响应(如图4)。因此，梁截面在振动方向尺寸的增加会导致以下问题：
[0004](1)结构刚度变大导致固有频率增大；
[0005](2)灵敏度降低，结构对低频响应降低；
[0006](3)非振动方向上固有频率降低，导致结构不能满足要求。

技术实现思路

[0007]本专利技术主要目的在于提供一种基于F
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P传感原理的加速度传感器敏感结构，能够实现光纤加速度传感器在低频振动环境下的响应，封装边框便于质量块保护模块封装。本专利技术通过增加敏感结构内的惯性质量，提高敏感结构的灵敏度，加强结构横向刚度，避免其他方向上的交叉敏感，更容易实现对于低频信号的响应。
[0008]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0009]本专利技术公开的一种基于F
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P传感原理的加速度传感器敏感结构，包括惯性质量块、支撑梁、功能性配重支撑、封装边框。
[0010]整体结构在敏感方向固有频率用如下算式计算：
[0011][0012]其中：k为支撑梁的等效刚度；m为质量块、功能性配重支撑、支撑梁等效到质量块端的等效质量，其分别用如下算式计算：
[0013][0014][0015]其中：ω
n
—振动敏感方向固有频率；
[0016]l—支撑梁总长度；
[0017]E—支撑梁材料的弹性常数；
[0018]I
z
—支撑梁二次惯性矩；
[0019]m
梁
—支撑梁质量；
[0020]m3—外侧功能性配重支撑质量；
[0021]m2—内侧功能性配重支撑质量；
[0022]m1—质量块质量；
[0023]a—外侧功能性配重支撑到固定端的距离；
[0024]b—内外侧功能性配重支撑间的距离；
[0025]所述质量块作为惯性和光反射结构，用于感受外界振动信号和反射光信号。
[0026]所述功能性配重支撑用于增加振动感应方向的质量，提高灵敏度，避免振动的交叉敏感。功能性配重支撑包括惯性质量配重、功能性支撑梁，其中靠近质量块部分为惯性质量配重元件，其效益为增加质量，提高传感器灵敏度；功能性支撑梁可根据实际情况设置为带质量配重支撑或与支撑梁同等厚度的功能性支撑，其效益为隔离敏感结构各阶固有频率，避免敏感结构发生交叉敏感。
[0027]所述支撑梁作为弹性结构控制整个系统的刚度，实现敏感结构在低频环境下的响应。
[0028]所述封装边框用于质量块保护和限位模块封装。
[0029]作为优选，所述功能性配重支撑分为两部分，一部分为配重，配置在质量块周围，其厚度应大于支撑梁厚度10倍，增加振动感应方向的质量，提高灵敏度；一部分为布置在支撑梁中间的功能性支撑梁，横向刚度应较大，避免结构的交叉敏感。
[0030]作为优选，所述支撑梁作为弹性结构控制整个系统的刚度，截面为方形结构，其振动方向尺寸应小于等于质量块尺寸的1/10，提高支撑梁结构在振动方向的强度，通过功能性支撑梁避免交叉敏感，实现光纤加速度传感器在低频振动环境下的响应。
[0031]作为优选，所述封装边框便于质量块保护模块封装。封装边框尺寸应大于质量块厚度，依据传感器设计量程设置高度差，用以对质量块进行保护和限位。
[0032]作为优选，加速度传感器敏感结构整体结构采用SiC材料。
[0033]作为优选，采用刻蚀工艺对加速度传感器敏感结构进行刻蚀。
[0034]本专利技术公开的一种基于F
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P传感原理的加速度传感器敏感结构的工作方法为：光信号通过光纤传输到质量块表面发生反射，入射光和反射光发生干涉，当质量块由于外界振动产生位移影响干涉，将振动信号转化为光信号。质量块作为惯性和光反射结构，需要对其表面进行处理，以便于减少光信号反射的能量损失；功能性配重支撑能够增加振动感应方向的质量，提高灵敏度，同时保证该结构在其他方向上实现振动隔离；梁作为弹性结构控制整个系统的刚度，实现光纤加速度传感器在低频振动环境下的响应；封装边框便于质量块保护模块封装。
[0035]有益效果：
[0036]本专利技术公开的一种基于F
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P传感原理的加速度传感器敏感结构，利用振动敏感特性，在增加悬臂梁间增加功能性配重和支撑，相比于传统未增加配重支撑的敏感结构，实现了测量方向和其他方向上的振动隔离，避免交叉响应，能够实现在低频振动环境下的振动响应，具有较好的灵敏度。
附图说明
[0037]图1为本专利技术提出的一种基于F
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P传感原理的加速度传感器敏感结构示意图。
[0038]其中：1—质量块、2—功能性配重支撑、3—支撑梁结构、4—封装边框。
[0039]图2为本专利技术初步设计F
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P传感原理的加速度传感器敏感结构示意图，该结构为四梁支撑质量块结构，其中：图2(a)为俯视图，图2(b)为立体图。
[0040]图3为本专利技术提出的敏感结构等效示意本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于F
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P传感原理的加速度传感器敏感结构，其特征在于：包括惯性质量块(1)、功能性配重支撑(2)、支撑梁(3)、封装边框(4)；所述质量块(1)作为惯性和光反射结构，用于感受外界振动信号和反射光信号；所述功能性配重支撑(2)用于增加振动感应方向的质量，提高灵敏度，避免振动的交叉敏感；功能性配重支撑(2)包括惯性质量配重、功能性支撑梁，其中靠近质量块(1)部分为惯性质量配重元件，其效益为增加质量，提高传感器灵敏度；功能性支撑梁(3)根据实际情况设置为带质量配重支撑或与支撑梁(3)同等厚度的功能性支撑，其效益为隔离敏感结构各阶固有频率，避免敏感结构发生交叉敏感；所述支撑梁(3)作为弹性结构控制整个系统的刚度，实现敏感结构在低频环境下的响应；所述封装边框(4)用于质量块保护和限位模块封装。2.如权利要求1所述的一种基于F
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P传感原理的加速度传感器敏感结构，其特征在于：所述敏感方向固有频率如下计算：其中：k为支撑梁(3)的等效刚度；m为质量块(1)、功能性配重支撑(2)、支撑梁(3)等效到质量块端的等效质量，其分别用如下求出；到质量块端的等效质量，其分别用如下求出；其中：ω
n
—振动敏感方向固有频率；l—支撑梁总长度；E—支撑梁材料的弹性常数；I
z
—支撑梁二次惯性矩；m
梁
—支撑梁质...

【专利技术属性】
技术研发人员：付佳豪，陈爽，申雅峰，
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：