[发明专利]基于微纳尺度材料光机电系统的超高灵敏度振动传感器

说明书

技术领域

本发明涉及振动测量技术领域，具体地说，涉及了一种振动传感器；更具体地说，涉及了一种基于微纳尺度材料光机电系统的超高灵敏度振动传感器。

背景技术

众所周知，日常生活中振动无处不在，例如，风、潮汐、声音、机械运动都会产生振动，振动不仅反映了物体所处的实际环境状况，而且对机械、设备、生物体等的正常运转、测量精度、使用寿命都具有重要的影响，因此精确测量振动的大小与方向是非常必要的。目前测量振动主要采用加速度传感器，包括压电式、压阻式、电容式、伺服式等等，以压电式为例，它主要是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，当压电式加速度传感器接收振动时，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压电式加速度传感器中的加速度计的固有频率时，加速度计的变化与被测加速度成正比，从而能够测量振动。目前的例如压电式等加速度传感器的灵敏度均较低，仅能够测量10^-3G量级的振动，无法满足微小振动信号的测量，因而常常会出现漏测现象，无法满足高精度振动信号测量需求。

发明内容

本发明的内容是提供一种振动传感器，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。其是一种基于微纳尺度材料光机电系统的超高灵敏度振动传感器，其能够较为敏感地测量出亚微米级别幅度的振动，即能够较佳地探测出大于等于10^-8G量级(或10^-9m/s²加速度)的振动，从而能够较佳地满足高灵敏度、高精度的振动信号测量需求。

根据本发明的一种振动传感器，其包括：

光路系统，其用于产生检测光束；

感振阵列，其包括基座和设置在基座上的用于感应振动状态的感振片，其中感振片构造成用于接收检测光束并形成反射光束；

采集单元，其用于采集反射光束的位置信息从而生成偏移信号；以及

处理单元，其用于接收偏移信号，从而根据反射光束的位置信息解析出所述振动状态。

本发明中，感振阵列能够用于感受振动，感振片在感受到振动时由于惯性作用能够较好地偏离原有平衡位置形成微弱地弯曲变形，而该微弱地弯曲变形能够较佳地经过光路系统放大，从而能够较好地被采集单元采集，并经处理单元处理后形成可观察的显著信号。通过上述构造，使得本发明的采集单元能够对经光路系统放大后的振动信息进行采集，从而能够较为精确地检测出微弱的振动信号。

作为优选，感振片采用微纳尺度材料构成。

本发明中，感振片能够采用例如微纳尺度材料构成，由于微纳尺度材料具有惯性小、表面光滑、振动时弯曲形变大曲率半径小的特点，从而能够使得本发明中能够较为灵敏地、精确地测量不低于10^-8G量级(或10^-9m/s²)的振动加速度，从而能够较佳地测量出亚微米级别幅度的振动。另外，由于微纳尺度材料的共振频率远高于外界振动信号的频率，从而能够较佳地保证本发明的工作稳定性，使其能够具备较佳地线性。

作为优选，感振片能够构造成长度为微米或纳米级别的棒状或片状。

本发明中，感振片能够构造成长度为微米或纳米级别的棒状或片状，从而使得感振片能够较佳地感受振动信息，并能够较佳地将振动信息转换成感振片自身的形变。

作为优选，感振片的长度不低于20nm，感振片的长径比或长宽比构造成不低于10:1。

本发明中，感振片的长度优选地不低于20nm，感振片的长径比(棒状)或长宽比(片状)优选地构造成不低于10:1，这是因为，在经实际操作和对感振片进行理论建模分析后得出，感振片的长度和长径比(棒状)或长宽比(片状)构造在上述范围时，能够较佳地感受振动，从而能够更精确地对微弱振动进行检测。

作为优选，基座上构造有凸台，任意相邻的凸台间构造成凹槽，感振片构造成一端或两端固定设置在凸台上并部分悬空于凹槽上方。

本发明中，基座上能够阵列有例如多个凸台，而任意相邻凸台间能够构造成凹槽，而多个感振片能够阵列地设置在凸台上，从而使得上述多个感振片能够共同检测振动信息，从而能够更为精确、灵敏地检测出微弱振动信息，而且上述多个感振片间的相互配合还是使得，本发明能够较佳地检测出振动方向。另外，本发明中任一感振片与凸台的配合方式能够为一端或两端固定设置在凸台上并部分悬空于凹槽上方，从而使得上述多个感振片能够相互配合对多个方向的振动信息均进行较佳地检测。

作为优选，光路系统包括光源和反射镜，光源用于提供能量稳定的点光源、线光源或面光源，反射镜用于反射光源从而形成检测光束。