專利名稱：光纖加速度計的制作方法
光纖加速度計技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明在一個方面涉及一種光纖加速度計(fibre opticalaccelerometer), 該光纖加速度計包括通過各自的鉸接元件可移動地接合至底座結(jié)構(gòu)的第一震動質(zhì)量塊 (seismic mass)和第二震動質(zhì)量塊。光纖接合至第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊,從而 通過第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊分別圍繞第一鉸鏈結(jié)構(gòu)和第二鉸鏈結(jié)構(gòu)的位移而 使該光纖受到變化的張力(strain)。
背景技術(shù)：
在本領(lǐng)域中已知用于結(jié)構(gòu)振動或加速度的魯棒遙感的光纖加速度計。光纖加速度 計具有多個期望的特性，諸如對電磁干擾和機械干擾的不敏感、良好的多路復用能力以及 支持連接電纜的延長長度。這些特性使光纖加速度計成為許多特定應用的第一選擇，諸如 通常處在偏遠且惡劣的環(huán)境中的風能、油氣勘探、航天等。
US 6，891，621B2公開了一種用于惡劣環(huán)境的高靈敏度加速度計。該加速度計包括 通過鉸鏈接合至底座的震動質(zhì)量塊。該震動質(zhì)量塊響應于施加至加速度計的水平力而圍繞 鉸鏈執(zhí)行擺動。一對光纖以這樣的方式互連在加速度計的底座和殼體之間使得光纖在對 加速度計施加水平力期間交替地張緊和壓縮。
然而，在本領(lǐng)域中存在提供改進的光纖加速度計的需要，這些光纖加速度計能夠 以較低的成本制造或者具有較高的測量精度，諸如改進的操作帶寬和動態(tài)范圍。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種光纖加速度計，包括
-底座結(jié)構(gòu)；
-第一震動質(zhì)量塊,通過第一鉸接元件(hingeelement)可移動地接合至底座結(jié) 構(gòu)；
-第二震動質(zhì)量塊，通過第二鉸接元件可移動地接合至底座結(jié)構(gòu)；
-光纖,分別在第一附接接合部(attachmentjoint)和第二附接接合部處接合至 第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊，以通過第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊分別圍繞第 一鉸鏈結(jié)構(gòu)和第二鉸鏈結(jié)構(gòu)的位移使光纖受到變化的張力。
第一鉸接元件和第二鉸接元件確保第一附接接合部和第二附接接合部響應于加 速度的位移朝向相反。第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊因而相配合，以便以這樣的力張 緊或壓縮光纖該力與由質(zhì)量等于第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊之和的單個震動質(zhì)量 塊的位移提供的相同。然而，由于第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊的移動是獨立的，因此 可在本光纖加速度計中實現(xiàn)導致較大的工作頻率范圍的較高的高頻諧振。此外，光纖加速 度計的靈敏度相對于具有單個震動質(zhì)量塊的加速度計翻倍，因為第一震動質(zhì)量塊和第二震 動質(zhì)量塊均響應于加速度為光纖賦予張力。
本光纖加速度計可包括指示測得的加速度的光讀出機構(gòu)。在一個這種實施例中，光纖在第一附接接合部和第二附接接合部之間延伸的部分包括光纖布拉格光柵(FBG)。該 FBG用于根據(jù)對沿著預定軸線的加速度計加速度的測量來指示光纖的張力。在該實施例中， 光纖可以預張緊，從而在靜止(即，零加速度)的情況下為光纖賦予預定的張力級別。在加速 度下，在包括FBG的纖維區(qū)域中引發(fā)的張力級別根據(jù)瞬時加速度在預定的張力級別周圍動 態(tài)地變化。這導致張緊的光纖區(qū)域中的張力級別的對應交替，這可通過測量來自FBG的反 射光的波長范圍來檢測。
也利用光讀出機構(gòu)的另一實施例包括由設(shè)置在第一附接接合部和第二附接接合 部之間的張緊的光纖區(qū)域外部(例如，在附接接合部的每側(cè)上向外)的兩個FBG限定的法布 里-珀羅諧振器。對于這種基于光學加速度計的干涉計、以及以上描述的單個FBG，光學檢 測方案可依賴于對透射光或反射光的光強度、光波長或甚至是光相位的解調(diào)。
本發(fā)明的光纖加速度計優(yōu)選地封裝在密閉的轉(zhuǎn)換器殼體中，以使可移動的且敏感 的內(nèi)部組件免受外部環(huán)境的污染。一對光連接件可方便地與轉(zhuǎn)換器殼體成一體，以提供可 拆卸的且可通用的光纖加速度計。
在一個實施例中，第一鉸接元件和第二鉸接元件布置在共同水平面中。此外，第一 震動質(zhì)量塊的重心和第二震動質(zhì)量塊的重心優(yōu)選地布置在共同水平面中。第一震動質(zhì)量塊 和第二震動質(zhì)量塊的各自的重心設(shè)置在相同的水平面中，因為第一鉸接元件和第二鉸接元 件用于降低橫軸靈敏度，即，對與光纖加速度計的預期靈敏度軸線垂直的方向上的加速度 的靈敏度。能實現(xiàn)橫軸靈敏度的這種降低，由于在很大程度上防止了第一震動質(zhì)量塊和第 二震動質(zhì)量塊相對于底座的位移受到沿著共同水平面的加速度。
根據(jù)本發(fā)明的一個有利實施例，第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊、第一鉸接元 件和第二鉸接元件以及底座結(jié)構(gòu)以相同的材料形成。第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊、 第一鉸接元件和第二鉸接元件以及底座結(jié)構(gòu)可模制成形成光纖加速度計的一致核心部分。 第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊、第一鉸接元件和第二鉸接元件以及底座結(jié)構(gòu)可替代地 可通過諸如銑削或切割的機加工工藝由單個實心物體制成。由于光纖加速度計核心部分的 一致或統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，提供了一種節(jié)省成本的制造和裝配方法。此外，光纖加速度計的關(guān)鍵性能 標準(諸如靈敏度、工作頻率范圍和尺寸)可以通過僅改變第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量 塊、第一鉸接元件和第二鉸接元件以及底座結(jié)構(gòu)中的一個或多個的適當尺寸以高效的方式 調(diào)整或調(diào)節(jié)，以適合特定的應用。此外，或作為替待，可改變形成第一震動質(zhì)量塊和第二震 動質(zhì)量塊、第一鉸接元件和第二鉸接元件以及底座結(jié)構(gòu)的材料，以使關(guān)鍵性能標準適合期 望的目標標準。
第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊、第一鉸接元件和第二鉸接元件以及底座結(jié)構(gòu) 可由金屬材料提供，諸如選自{鎢、不銹鋼、黃銅、銅、鈦、硅}的組的金屬。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，第一鉸接元件和第二鉸接元件包括鄰近底座的位于第 一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊中的相應切口(incision)或去除部分(pinch)。這些切口 可以通過傳統(tǒng)的銑削或切割技術(shù)以有效的方式形成。此外，可改變這些切口的物理特征，例 如寬度和/或高度方面，從而以快速且節(jié)省成本的方式使光纖加速度計的性能標準適合特 定的目標標準。
根據(jù)本發(fā)明的再一實施例，第一桿在第一震動質(zhì)量塊和光纖上的第一附接接合部 之間延伸，并且第二桿在第二震動質(zhì)量塊和光纖上的第二附接接合部之間延伸。第一桿和第二桿可提供張力放大，從而通過第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊圍繞第一鉸鏈結(jié)構(gòu)和 第二鉸鏈結(jié)構(gòu)的特定位移來增大施加于第一附接接合部和第二附接接合部之間的光纖部 分的張力級別。張力放大的量取決于第一距離比。第一距離比被設(shè)定為光纖上的第一附接 接合部和第一鉸接元件之間的距離相對于第一震動質(zhì)量塊的重心和第一鉸接元件之間的 距離。該第一距離比可大于2或3或5。優(yōu)選地，對應的與第二附接接合部和第二鉸接元件 之間的距離相對于第二震動質(zhì)量塊的重心和第二鉸接元件之間的距離相關(guān)的第二距離比 與第一距離比基本相同。
第一桿和第二桿中的每根可作為通過適當?shù)母浇臃绞礁浇踊蚪雍现粮髯缘恼饎?質(zhì)量塊的單獨元件來提供，或者可替代地例如通過對之前討論的單個實心物體進行機加工 而與各自的震動質(zhì)量塊一體形成。
本光纖加速度計的核心組件優(yōu)選地圍繞穿過光纖加速度計延伸的中心豎直面對 稱布置。在一個實施例中，第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊、第一鉸接元件和第二鉸接元 件以及底座結(jié)構(gòu)圍繞中心豎直面對稱布置。這簡化了制造，提供了更統(tǒng)一的頻率響應，并使 對沿著除預期的靈敏度軸線之外的其他軸線的加速度的靈敏度最小化。
根據(jù)尤其非常適合低成本制造的本光纖加速度計的一個實施例，第一震動質(zhì)量塊 和第二震動質(zhì)量塊朝向光纖布置在第一鉸接元件和第二鉸接元件的共同水平面上方，并且 底座結(jié)構(gòu)布置在共同水平面下方。如之前所說明的，第一鉸接元件和第二鉸接元件可形成 為鄰近或延伸到底座結(jié)構(gòu)中的位于第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊中的切口或去除部 分，使得切口本身限定第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊和底座結(jié)構(gòu)之間的物理分隔或邊 界。
根據(jù)特定類型的振動測量應用的約束和期望的性能標準，本光纖加速度計可提供 或制造為具有非常不同的尺寸。在一個實施例中，底座結(jié)構(gòu)在水平面中的最大尺寸處于4mm 至40mm,優(yōu)選地為8mm至20mm。光纖加速度計具有的沿著豎直軸線的最大尺寸為8mm至 80mm,諸如為 IOmm 至 15_。
光纖加速度計的質(zhì)量將通常遵循其尺寸，從而增大尺寸導致增加加速度計質(zhì)量。 多個有效實施例具有的加速度計質(zhì)量為2克至400克，諸如為5克至100克。這些優(yōu)選的 加速度計質(zhì)量范圍指定對于通常包括轉(zhuǎn)換器殼體和可能的一個或多個光纖連接件的封裝 好的工作光纖加速度計的質(zhì)量。
光纖加速度計優(yōu)選地包括相對于外部環(huán)境封裝和密封第一震動質(zhì)量塊和第二震 動質(zhì)量塊以及第一鉸接元件和第二鉸接元件的以上提到的轉(zhuǎn)換器殼體。轉(zhuǎn)換器殼體優(yōu)選地 相對于外部環(huán)境密閉，從而封裝和保護光纖加速度計的可移動的且易碎的內(nèi)部組件(諸如 以上提到的第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊以及第一鉸接元件和第二鉸接元件)免受外 部環(huán)境的污染。轉(zhuǎn)換器殼體可通過適當?shù)母浇臃绞?諸如旋擰、膠合、焊接、卷曲、壓配合、軟 焊等)附接至底座結(jié)構(gòu)。
轉(zhuǎn)換器殼體可包括或支撐一個或多個光纖連接件，以將封裝好的光纖加速度計內(nèi) 部的張緊的光纖區(qū)域光學地接合至外部遠程寬帶光源，以用于加速度讀出目的。每個光纖 連接件可封裝在保護光連接件免受外部張力、壓力和污染的它們各自的保護彈性套管內(nèi)。 最后，轉(zhuǎn)換器殼體可支撐光纖的位于光纖(感測元件)的張緊部分和每個光纖連接件之間的 緩沖長度。
本發(fā)明的第二方面涉及一種光纖加速度計，包括
-底座結(jié)構(gòu)，
-第一震動質(zhì)量塊，通過第一鉸接元件可移動地接合至底座結(jié)構(gòu)，
-光纖，接合在第一附接接合部處的第一震動質(zhì)量塊與第二附接接合部之間，以通 過第一震動質(zhì)量塊圍繞第一鉸鏈結(jié)構(gòu)的位移使光纖受到變化的張力。第一震動質(zhì)量塊、第 一鉸接元件和底座結(jié)構(gòu)通過模制、蝕刻或機加工由單個實心物體制成。
根據(jù)本發(fā)明的該第二方面，第一震動質(zhì)量塊、第一鉸接元件和底座結(jié)構(gòu)通過模制、 蝕刻或機加工由單個實心物體制成。由于光纖加速度計的核心部分的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，提供了一 種節(jié)省成本的制造和裝配方法。此外，重要性能標準或指標(諸如靈敏度、工作頻率范圍或 尺寸)可以通過僅改變第一震動質(zhì)量塊、第一鉸接元件和底座結(jié)構(gòu)中的一個或多個的適當 尺寸以高效的方式調(diào)整，以適合特定的應用。此外或作為替代，可調(diào)整形成第一震動質(zhì)量 塊、第一鉸接元件和底座結(jié)構(gòu)的材料，以滿足由特定的應用施加的性能標準或約束。改變本 光纖加速度計的相關(guān)組件的尺寸可通過修改可編程數(shù)控銑床的適當參數(shù)方便地實現(xiàn)。下面 結(jié)合說明書附圖5進一步詳細說明其中改變鉸接元件的尺寸的該改變方法的有效性的一 個實例。
根據(jù)一個優(yōu)選實施例，光纖加速度計還包括通過第二鉸鏈可移動地接合至底座結(jié) 構(gòu)的第二震動質(zhì)量塊，其中光纖通過第二附接接合部接合至第二震動質(zhì)量塊。通過將光纖 安裝在兩個震動質(zhì)量塊之間，第一附接接合部和第二附接接合部的響應于加速度的位移可 通過適當?shù)募铀俣扔嬙O(shè)計而相反朝向。在后面的實施例中，第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì) 量塊因而相配合，以便以這樣的力張緊或壓縮光纖該力與由質(zhì)量等于如之前說明的第一 震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊的質(zhì)量之和的單個震動質(zhì)量塊的位移提供的相同。顯然，以 上關(guān)于第一方面討論的多個本發(fā)明實施例的特征也可用于根據(jù)本發(fā)明的第二方面的具有 兩個可單獨移動的震動質(zhì)量塊的光纖加速度計。在一個這種實施例中，光纖加速度計的第 一鉸接元件和第二鉸接元件布置在共同水平面中。
本發(fā)明的第三方面涉及一種使用光纖加速度計檢測遠處的振動結(jié)構(gòu)加速度的方 法，包括以下步驟
-將根據(jù)任意以上提到的實施例的光纖加速度計附接至振動結(jié)構(gòu)，
-將傳輸光纖光學地接合至光纖加速度計的光纖，
-對傳輸光纖施加寬帶光源,例如紅外光源，
-檢測來自光纖加速度計的反射光的波長，以及
-通過對反射光的波長進行解調(diào)來確定光纖加速度計的加速度。
根據(jù)該方法，在光域中執(zhí)行加速度讀出，從而獲得對于電磁干擾和機械干擾的不 靈敏、良好的多路復用能力并支持連接電纜的延長長度。振動檢測系統(tǒng)可包括多個光纖加 速度計，如果光纖加速度計包括允許進入的寬帶光通過每個光纖加速度計的光學入口和出 口，那么這些光纖加速度計是級聯(lián)的或菊鏈式的(daisy-chained)?？蓪碜远鄠€光纖加速 度計中的每個的反射光的波長單獨調(diào)諧至不同的波長，以允許用于任意特定光纖加速度計 的反射光的單獨檢測和解調(diào)。


將結(jié)合附圖更詳細地描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，附圖中
圖1是用于根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的光纖加速度計的光纖加速度計核心部分 (core)的3D透視圖，
圖2a)_圖2b)是圖1中描繪的光纖加速度計核心部分的示意性正視圖和側(cè)視圖，
圖3是安裝有光纖的圖1和圖2中描繪的光纖加速度計核心部分的3D透視圖，
圖4a)和圖4b)是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的光纖加速度計核心部分的3D透視 圖，
圖5是對于具有不同尺寸的鉸接元件的三個不同變體中的基于圖1-圖2中描繪 的核心部分的光纖加速度計的加速度計輸出靈敏度與頻率的圖表，以及
圖6是包括圖4a)和圖4b)中描繪的加速度計核心部分的封裝好的或完成的光纖 加速度計的3D視圖。
具體實施方式
圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的光纖加速度計核心部分I。光纖加速度計 核心部分I或核心部分包括大致為圓柱形或圓盤形的底座結(jié)構(gòu)3，該底座結(jié)構(gòu)通過第一鉸 接元件8可移動地接合至第一震動質(zhì)量塊13。第二震動質(zhì)量塊11同樣地通過第二鉸接元 件10可移動地接合至底座結(jié)構(gòu)3。第一震動質(zhì)量塊13包括下半圓柱形圓盤13和沿著光纖 加速度計核心部分I的豎直軸線(未示出)從下半圓柱形圓盤13突出的桿(lever) 7a形式 的兩個一體形成的部件。相似形狀的第二震動質(zhì)量塊11包括下半圓柱形圓盤和沿著光纖 加速度計核心部分I的豎直軸線(未示出)從下圓柱形圓盤突出的另一桿或第二桿7b形式 的兩個一體形成的部件。
第一鉸接元件8由位于第一震動質(zhì)量塊13中和/或位于圓柱形底座結(jié)構(gòu)3中的 水平切口、去除部分或切除部分(cut-out )5形成?？梢哉{(diào)節(jié)第一鉸接元件8的尺寸以適合 光纖加速度計的總尺寸。通過控制鉸接元件8、10中的每個的尺寸和材料，可方便地控制并 調(diào)節(jié)柔度或剛度，以適合特定應用的要求。以下結(jié)合圖5進一步詳細討論改變鉸接元件的 尺寸的效果。
在本發(fā)明的本實施例中，鉸接元件8的寬度在O. 25mm至O. 75mm，而鉸接元件8的 高度或厚度在O. 5mm至1. 0mm。寬度沿著這樣的水平面測得該水平面從由中心豎直切除 部分12形成的豎直中心底座壁平行于水平切除部分5延伸。鉸接元件8的厚度對應于沿 著光纖加速度計核心部分I的豎直軸線(未示出)測得的水平切除部分5的高度。
相似形狀的第二鉸接元件10由位于第二震動質(zhì)量塊11中和/或位于圓柱形底座 結(jié)構(gòu)3中的另一或第二水平切口、去除部分或切除部分17形成。第二鉸接元件10的尺寸 優(yōu)選地與第一鉸接元件8的尺寸相同。
第一震動質(zhì)量塊13的桿7a的平頂部分包括水平延伸的凹槽9a，該凹槽的形狀和 尺寸形成為用于接收穿過凹槽9a并穿過雕刻在第二震動質(zhì)量塊11的第二桿7b的平頂部 分中的對應形狀的凹槽9b而水平延伸的光纖(未示出)。光纖通過適當?shù)母浇臃绞?諸如膠 合、焊接、卷曲、壓配合、軟焊等)在至少部分地穿過凹槽9a延伸的第一附接接合部處牢固地 附接或接合至第一震動質(zhì)量塊13。光纖的另一部分同樣地在至少部分地穿過凹槽9b延伸 的第二附接接合部處牢固地附接或接合至第二震動質(zhì)量塊11。因此，當光纖加速度核心部分I受到由箭頭15指示的方向上的沿著其豎直軸線的往復加速度時，由于第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊13、11的相反朝向的位移,光纖的在第一桿和第二桿之間水平延伸的部分受到變化的張緊力。
布置于光纖的在第一附接接合部和第二附接接合部之間水平延伸的部分中的光纖布拉格光柵(FBG)區(qū)域處的光反射可用于測量或確定光纖中的變化的張緊力，如以下結(jié)合說明書附圖3另外詳細說明的。
如示出的，光纖加速度計核心部分I優(yōu)選地關(guān)于穿過中心豎直切除部分12居中延伸的豎直面對稱。
底座結(jié)構(gòu)3可具有8mm至12mm的直徑,諸如約10mm。對應的高度可處于6mm-12mm。
光纖加速度計核心部分I優(yōu)選地通過對金屬材料的單個實心金屬件或塊進行機加工(例如通過銑削或微加工)而制造，從而提供整體的或單個的光纖加速度計核心部分I。 金屬件或塊可包括鎢、不銹鋼、黃銅、銅或鈦。第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊13、11(包括第一桿和第二桿7a、7b、第一鉸接元件和第二鉸接元件8、10以及底座結(jié)構(gòu)3)的這種一體形成支持一種消除了傳統(tǒng)加速度計結(jié)構(gòu)的許多小的單獨的組件或部件的處理和裝配步驟的非常節(jié)省時間和成本的制造方法。
圖2a)和圖2b)是圖1中描繪的光纖加速度計核心部分I的示意性2D前視圖和側(cè)視圖。第一鉸接元件和第二鉸接元件8、10布置在由虛線20指示的共同水平面中。在本發(fā)明的該實施例中，第一震動質(zhì)量塊13的重心相對于第一鉸接元件和第二鉸接元件8、10 的共同水平面20在向上方向上垂直移動。同樣地，第二震動質(zhì)量塊11的重心相對于共同水平面20在向上方向上垂直移動。
圖3是安裝有光纖30的光纖加速度計核心部分I的3D透視圖的按比例視圖。光纖加速度計核心部分I的尺寸由其中所顯示的數(shù)值以米為單位的比例尺31指示。
光纖30的分別在第一桿和第二桿9a、9b上的第一附接接合部和第二附接接合部之間延伸的張緊區(qū)域包括光纖布拉格光柵(FBG)。該FBG用于根據(jù)對沿著作為加速度計的靈敏度軸線的豎直軸線15的加速度計加速度的測量來檢測光纖的變化張力。光纖30優(yōu)選地預張緊，從而為光纖賦予預定的張力。光纖加速度計的操作如下當沿著豎直軸線15將加速度施加于光纖加速度計時，第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊13、11圍繞它們各自的鉸接元件移動。第一附接接合部9a、9b作為響應在相反的大致水平方向上移動，從而相互接近或相互遠離。該移動轉(zhuǎn)換成包括FBG的張緊的光纖區(qū)域30中的張力的減小或增大。該變化的張力可通過測量來自FBG的反射光的波長變化來檢測。反射光可歸因于由寬帶光源 (例如包括遠離光纖加速度計而設(shè)置的1550nm LED)產(chǎn)生的入射光。入射寬帶光可已通過接合于光纖加速度計的傳輸光纖傳輸至光纖加速度計。傳輸光纖因此負責將入射寬帶光傳送至光纖加速度計以及使窄帶反射光從光纖加速度計返回。作為替代，可檢測所傳輸?shù)膶拵Ч庵械奈瞻枷?absorption dip),以確定由FBG引發(fā)的波長變化。
窄帶反射光的波長可以由以下的等式(I)確定A/
1-= Oe,0( I )
-其中
Λ λ =反射光的變化；
λ 0=無張力情況下的反射波長；
ζ =彈光系數(shù)(張緊情況下的相關(guān)折射率變化);
ε =光纖的縱向張力。
圖4a)是根據(jù)本發(fā)明的光纖加速度計的第二實施例的光纖加速度計核心部分40 的側(cè)視圖，并且圖4b)是光纖加速度計核心部分40的第二實施例的3D透視圖。
與本發(fā)明的第一實施例相比，光纖加速度計核心部分40提供橫軸(cross-axial) 加速度靈敏度(即，與沿著圖4a上的豎直箭頭55指示的加速度方向垂直的方向上的加速度)的降低。
圖4b)中的光纖加速度計核心部分40或核心部分包括階梯式圓柱形或圓盤形底座結(jié)構(gòu)43，該底座結(jié)構(gòu)通過第一鉸接元件48可移動地接合至第一震動質(zhì)量塊53。第二震動質(zhì)量塊51同樣地通過第二鉸接元件50可移動地接合至階梯式圓盤形的底座結(jié)構(gòu)43。第一震動質(zhì)量塊53包括通常不規(guī)則的下半圓柱形圓盤和沿著光纖加速度計核心部分40的豎直軸線(未示出)從下半圓柱形圓盤突出的桿47a形式的兩個一體形成的部件。相似形狀的第二震動質(zhì)量塊51包括通常不規(guī)則的下半圓柱形圓盤和沿著光纖加速度計核心部分40的豎直軸線(未示出)從下半圓柱形圓盤51延伸的另一或第二桿47b形式的兩個一體形成的部件。
第一鉸接元件48由第一震動質(zhì)量塊53中和/或階梯式圓盤形底座結(jié)構(gòu)43中的切口、去除部分或切除部分45形成。
可以調(diào)整第一鉸接元件48的尺寸以適合光纖加速度計的總尺寸。通過控制鉸接元件48、50中的每個的尺寸和材料，可方便地控制柔度和剛度，以符合特定應用的要求。
相似形狀的第二鉸接元件50由第二震動質(zhì)量塊11中和/或圓柱形底座結(jié)構(gòu)3中的另一或第二切口、去除部分或切除部分57 (參考圖4b)形成。第二鉸接元件50的尺寸優(yōu)選地與第一鉸接元件48的尺寸相同。第一震動質(zhì)量塊53的第一桿47a的頂部包括水平延伸的凹槽或凹痕(indent) 49a，該凹槽或凹痕的形狀和尺寸形成為用于接收穿過凹槽49a 并穿過雕刻在第二震動質(zhì)量塊51的第二桿47b的頂部中的對應形狀的凹槽49b而水平延伸的光纖(未示出)。當安裝好時，光纖30通過適當?shù)母浇臃绞?諸如膠合、焊接、卷曲、軟焊等)在至少部分地穿過凹槽49a延伸的第一附接接合部處牢固地附接或接合至第一震動質(zhì)量塊53。光纖的另一部分同樣地在至少部分地穿過第二凹槽49b延伸的第二附接接合部處牢固地附接或接合至第二震動質(zhì)量塊51。如之前結(jié)合本發(fā)明的第一實施例所說明的，當光纖加速度計核心部分40受到沿著由箭頭55指示的豎直軸線的往復加速度時，光纖的在第一桿和第二桿47a、47b之間水平延伸的張緊部分受到可變的張緊力?？勺兊膹埦o力由于第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊53、51響應于加速度圍繞它們各自的鉸接元件的相反朝向的位移所引起的第一附接接合部和第二附接接合部的相反朝向的基本水平位移而產(chǎn)生。
第一鉸接元件48、50布置在由圖4a上的虛線70指示的共同水平面中。與第一實施例對比，本實施例具有布置在還包括第一鉸接元件和第二鉸接元件48、50的共同水平面 70中的第一震動質(zhì)量塊的重心以及第二震動質(zhì)量塊的重心。這有效地減小了橫軸靈敏度 (即，對沿著光纖加速度計的虛線70指示的加速度的靈敏度)，因為在這種情況下在很大程度上阻止了第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊53、51的位移。
第一震動質(zhì)量塊53的外表面可包括從附接接合部49a向下至靠近底座43的連接合部的用于將光纖鎖定在位的雕刻的淺導槽(未示出)。對應的淺導槽也雕刻在第二震動質(zhì) 量塊51的外表面中。除了以良好限定的方式將光纖向下引導至光纖加速度計的光纖可卷 曲在其中的階梯式圓柱形或圓盤形的底座結(jié)構(gòu)43之外，這些淺導槽還有利于支持和保持 光纖的引導部分的適當限制的曲率半徑的多個目的。
圖5是對于基于圖1-圖2中描述的核心部分的實驗性光纖加速度計的測得的加 速度計輸出靈敏度與頻率的圖表。光纖加速度計受到豎直方向(即，由圖1的箭頭15指示的 方向，其是最大靈敏度的軸線)上的預定加速度。實驗性光纖加速度計核心部分I的三個不 同變體以鈦制成，并具有不同尺寸的鉸接元件，以驗證本光纖加速度計的可量測性。下部曲 線63在鉸接元件的厚度或高度為O. 5mm且寬度為約O. 75mm的光纖加速度計核心部分或核 心部分上測得。中間曲線和上部曲線62、61分別表示對于鉸接元件寬度為O. 5mm和O. 25mm 的測得的加速度計輸出靈敏度。如所預期的，由于鉸接元件的柔度增加，實驗性光纖加速度 計的高頻諧振隨著鉸接元件寬度減小而減少。同樣地，實驗性光纖加速度計的工作頻率范 圍(即，遠低于高頻諧振)內(nèi)的輸出靈敏度隨著鉸接元件厚度減小而增加，鉸接元件厚度減 小表示對于給定的加速度為光纖賦予的張力增大。鉸接元件寬度的本調(diào)節(jié)僅代表展示可如 何通過改變光纖加速度計核心部分的選定特征的簡單幾何尺寸以方便且有效的方式調(diào)整 本光纖加速度計的性能標準以適合特定目標標準的一個實例。
圖6是包括圖4a)和圖4b)中描繪的加速度計核心部分40的封裝好的或完成的 光纖加速度計75的3D視圖。杯狀上殼體部分65封裝第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊 53,51 (參考圖4b)以及第一鉸接元件和第二鉸接元件48、50。杯狀上殼體部分65接觸階 梯式圓盤形底座結(jié)構(gòu)43 (參考圖4b)的上表面，以封裝核心部分并保護可移動的且易碎的 內(nèi)部組件免受外部環(huán)境中的污染物。一對光纖連接件(未示出)封裝在保護光纖連接件免受 外部張力、應力和污染因素的它們各自的彈性套管66a、66b內(nèi)。每個光纖連接件可包括用 于將封裝好的光纖加速度計75內(nèi)部的張緊的光纖區(qū)域光學地接合至外部遠程光源以用于 加速度讀出目的的工業(yè)標準連接件，諸如由LEMO 供應的Redel-D小型光連接件。一個 光纖連接件可用作可連接至多路復用布置中的另一串聯(lián)接合的光纖加速度計的光輸出。下 殼體部分67封裝階梯式圓盤形底座結(jié)構(gòu)43(參考圖4b)的下部并鄰接杯狀上殼體部分65， 以形成完整的加速度計殼體或轉(zhuǎn)換器殼體，該殼體支撐光纖的位于光纖(感測元件)的張緊 部分和每個光纖連接件之間的緩沖長度。
權(quán)利要求
1.一種光纖加速度計，包括 底座結(jié)構(gòu)， 第一震動質(zhì)量塊，通過第一鉸接元件可移動地接合至所述底座結(jié)構(gòu)， 第二震動質(zhì)量塊，通過第二鉸接元件可移動地接合至所述底座結(jié)構(gòu)， 光纖，分別在第一附接接合部和第二附接接合部處接合至所述第一震動質(zhì)量塊和所述第二震動質(zhì)量塊，以通過所述第一震動質(zhì)量塊和所述第二震動質(zhì)量塊分別圍繞所述第一鉸鏈結(jié)構(gòu)和所述第二鉸鏈結(jié)構(gòu)的位移使所述光纖受到變化的張力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖加速度計，其中，所述第一鉸接元件和所述第二鉸接元件布置在共同水平面中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖加速度計，其中，所述第一震動質(zhì)量塊的重心和所述第二震動質(zhì)量塊的重心布置在所述共同水平面中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的光纖加速度計，其中，所述第一震動質(zhì)量塊和所述第二震動質(zhì)量塊、所述第一鉸接元件和所述第二鉸接元件以及所述底座結(jié)構(gòu)以相同的材 料形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖加速度計，其中，所述材料包括選自{鎢、不銹鋼、黃銅、銅、鈦、硅}的組的金屬材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的光纖加速度計，其中，所述第一震動質(zhì)量塊和所述第二震動質(zhì)量塊、所述第一鉸接元件和所述第二鉸接元件以及所述底座結(jié)構(gòu)通過模制或機加工由單個實心物體制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的光纖加速度計，其中，所述第一鉸接元件和所述第二鉸接元件包括鄰近所述底座的位于所述第一震動質(zhì)量塊和所述第二震動質(zhì)量塊中的相應切口或去除部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的光纖加速度計，包括 第一桿，在所述第一震動質(zhì)量塊與所述光纖上的所述第一附接接合部之間延伸， 第二桿，在所述第二震動質(zhì)量塊與所述光纖上的所述第二附接接合部之間延伸。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的光纖加速度計，其中，所述光纖上的所述第一附接接合部與所述第一鉸接元件之間的距離是所述第一震動質(zhì)量塊的重心與所述第一鉸接元件之間的距離的至少兩倍。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光纖加速度計，其中，所述第一震動質(zhì)量塊和所述第二震動質(zhì)量塊、所述第一鉸接元件和所述第二鉸接元件以及所述底座結(jié)構(gòu)關(guān)于中心豎直面對稱布置。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光纖加速度計，其中，所述第一震動質(zhì)量塊和所述第二震動質(zhì)量塊朝向所述光纖布置在所述第一鉸接元件和所述第二鉸接元件的共同水平面上方，并且所述底座結(jié)構(gòu)布置在所述共同水平面下方。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光纖加速度計，其中，所述底座結(jié)構(gòu)在水平面中的最大尺寸處于4mm至40mm,優(yōu)選地為8mm至20mm。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光纖加速度計，具有的沿豎直軸線的最大尺寸為 8_ 至 80mm。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光纖加速度計，具有的質(zhì)量為2克至400克，諸如為5克至100克。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光纖加速度計，其中，所述光纖的在所述第一附接接合部與所述第二附接接合部之間延伸的張緊部分包括光纖布拉格光柵(FBG)。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光纖加速度計，包括相對于外部環(huán)境封裝和密封所述第一震動質(zhì)量塊和所述第二震動質(zhì)量塊以及所述第一鉸接元件和所述第二鉸接元件的轉(zhuǎn)換器殼體。
17.一種光纖加速度計，包括 底座結(jié)構(gòu)， 第一震動質(zhì)量塊，通過第一鉸接元件可移動地接合至所述底座結(jié)構(gòu)，以及光纖，接合在第一附接接合部處的所述第一震動質(zhì)量塊與第二附接接合部之間，以通過所述第一震動質(zhì)量塊圍繞所述第一鉸接元件的位移使所述光纖受到變化的張力； 其中，所述第一震動質(zhì)量塊、所述第一鉸接元件以及所述底座結(jié)構(gòu)通過模制、蝕刻或機加工由單個實心物體制成。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光纖加速度計，還包括 第二震動質(zhì)量塊，通過第二鉸接元件可移動地接合至所述底座結(jié)構(gòu)；并且 所述光纖通過所述第二附接接合部接合至所述第二震動質(zhì)量塊。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光纖加速度計，其中，所述第一鉸接元件和所述第二鉸接元件布置在共同水平面中。
20.一種使用光纖加速度計檢測遠處的振動結(jié)構(gòu)的加速度的方法，包括 將根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光纖加速度計附接至所述振動結(jié)構(gòu)， 將傳輸光纖光學地接合至所述光纖加速度計的光纖， 對所述傳輸光纖施加寬帶光源，例如紅外光源， 檢測來自所述光纖加速度計的反射光的波長，以及 通過對所述反射光的波長進行解調(diào)來確定所述光纖加速度計的加速度。
全文摘要
一種光纖加速度計，包括底座結(jié)構(gòu)；第一震動質(zhì)量塊，通過第一鉸接元件可移動地接合至底座結(jié)構(gòu)；第二震動質(zhì)量塊，通過第二鉸接元件可移動地接合至底座結(jié)構(gòu)；光纖，分別在第一附接接合部和第二附接接合部處接合至第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊，以通過第一震動質(zhì)量塊和第二震動質(zhì)量塊分別圍繞第一鉸鏈結(jié)構(gòu)和第二鉸鏈結(jié)構(gòu)的位移使光纖受到變化的張力。
文檔編號G01P1/02GK103003703SQ201180023665
公開日2013年3月27日 申請日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者瑟倫·安德森, 托本·拉斯克·利希特 申請人:布魯爾及凱爾聲音及振動測量公司