[发明专利]一种全方位悬臂梁光纤加速度传感器装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种新颖的全方位悬臂梁光纤加速度传感器结构及其工作领域，具体涉及可测量运动加速度及振荡相位领域。

背景技术

加速度传感器是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的重要传感器。传统的加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。传统加速度传感器根据测量加速力原理的不同，可以分为压电式加速度传感器、压阻式加速度传感器、电容式加速度传感器、电容式加速度传感器及伺服式加速度传感器。

压电式加速度传感器：又称压电加速度计，属于惯性式传感器。压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

压阻式加速度传感器：该传感器基于世界领先的MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。

电容式加速度传感器：该传感器基于电容原理的极距变化型的电容传感器。电容式加速度传感器是比较通用的加速度传感器。在某些领域的应用，如安全气囊，手机移动设备等无可替代。电容式加速度传感器采用了微机电系统工艺，在大量生产时变得经济，从而保证了较低的成本。

伺服式加速度传感器：该传感器是一种闭环测试系统，具有动态性能好、动态范围大和线性度好等特点。其工作原理，传感器的振动系统由“m-k”系统组成，与一般加速度计相同，但质量块上还接着一个电磁线圈，当基座上有加速度输入时，质量块偏离平衡位置，该位移大小由位移传感器检测出来，经伺服放大器放大后转换为电流输出，该电流流过电磁线圈，在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上，所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。由于有反馈作用，增强了抗干扰的能力，提高测量精度，扩大了测量范围，伺服加速度测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中，在高精度的振动测量和标定中也有应用。

这四种性能优异的电子式传感器，凭借各种独特的检测方法，在不同的领域发挥了重要的作用。正如专利ZL200910087937.6中公开的一种带声学腔的电容式加速度传感器，包括：传感器框架、由检测质量块和弹性振动膜构成的加速度检测结构、和带有阻尼孔和限位凸点的背极板。检测质量块位于加速度传感器中心位置，通过四周的弹性振动膜与传感器框架相连接；背极板上制作的阻尼孔用以调节系统阻尼，限位凸点用以防止过载时的粘附或损坏；检测质量块与背极板相互平行，且在各相对的表面上分别形成有检测电容；框架内装入加速度检测结构以及背极板封闭后其内部形成声学腔可以改善频率响应。本发明的传感器结构，对加速度传感器的真空度要求较低，且通过改变阻尼孔的密度和大小、声学腔的体积等可以调节系统的品质因数Q等重要参数，给设计和制造带来较大的灵活性。但是电子式传感器都存在着一个不可避免的缺点，那就是信号的转换都是直接在传感头部分将外接加速度转化为电信号，当工作环境中存在电磁和原子辐射等干扰时，传感器将无法正常使用。

这时，就需要考虑一种抗电磁干扰的新式检测方法，光纤传感器就是其中一中解决方案。光纤具有很多优异的性能，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。与传统加速度传感器相比，光纤加速度传感器不但具有抗电磁干扰的独特优点，而且体积小、质量轻、动态范围宽、准确度高、能在恶劣环境下工作，因此光纤加速度传感器的研究受到高度重视，各种光纤加速度传感器不断涌现。

光纤加速传感器则采用光纤传感技术测量质量块的惯性力或位移。其工作原理是采用惯性原理，利用质量块感受被测件运动时产生的惯性力或位移，测量出此惯性力或位移即可测量出相应的加速度。

目前研制的光纤加速度传感器主要有光强调制型与相位调制型两大类。光强调制型有透射式、反射式、偏振式等，其结构一般比较简单，容易实现，国内外研究较多;相位调制型光纤加速度传感器均属本征型，有Mach-Zender干涉式，Michelson干涉式和Fabry-Perot干涉式等。但其存在的缺点是：