本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種通過(guò)梳狀柵格實(shí)現(xiàn)外界振動(dòng)信號(hào)對(duì)傳感器光強(qiáng)信號(hào)編碼，并具備無(wú)線信號(hào)傳輸功能的MOEMS無(wú)線振動(dòng)傳感器及其工作方法。

背景技術(shù)：

微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)是近幾年在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中發(fā)展起來(lái)的一支極具活力的新技術(shù)系統(tǒng)，它是由微光學(xué)、微電子和微機(jī)械相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新型的微光學(xué)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。MOEMS因其可批量生產(chǎn)、體積小、精度高等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于光通訊及圖像處理方面，其在工程檢測(cè)傳感領(lǐng)域的專利報(bào)道相對(duì)較少。

中國(guó)專利CN102483427A給出一種CMOS MOEMS傳感器可以用于探測(cè)諸如振動(dòng)、運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、加速度等物理參數(shù)。但是該CMOS MOEMS傳感器在監(jiān)測(cè)被測(cè)動(dòng)態(tài)參量時(shí)需要保證被測(cè)物體表面的光滑度以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的有效反射。這一測(cè)量要求限制了其在隧道、橋梁等環(huán)境復(fù)雜大型工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

本發(fā)明中微型光源發(fā)出的光強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直設(shè)備進(jìn)入振動(dòng)敏感源進(jìn)行調(diào)制后輸入到光電轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。數(shù)據(jù)分析設(shè)備分析來(lái)自光電轉(zhuǎn)換設(shè)備的電信號(hào)后得到外界振動(dòng)信號(hào)的振幅及頻率信息，然后對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行編碼，并通過(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的無(wú)線傳輸。該傳感器各部分均封裝在一個(gè)傳感器外殼中，實(shí)現(xiàn)了傳感器的微型化與高度集成。此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其在監(jiān)測(cè)中僅需要將傳感器與被測(cè)物體進(jìn)行有效的接觸，并且檢測(cè)信號(hào)的無(wú)線傳輸功能有效的克服了隧道、橋梁等大型工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中傳感器布置及引線困難的現(xiàn)狀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于梳狀柵格的MOEMS無(wú)線振動(dòng)傳感器及其工作方法，該傳感器實(shí)現(xiàn)了外界振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量及無(wú)線傳輸，該傳感器體積小、高度集成，克服了現(xiàn)有光纖振動(dòng)傳感器在隧道、橋梁等大型工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中傳感器布置及引線困難的現(xiàn)狀。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于梳狀柵格的MOEMS無(wú)線振動(dòng)傳感器，包括：微型光源、傳輸光纖、準(zhǔn)直器、振動(dòng)敏感源、光電轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和無(wú)線傳輸模塊；

所述微型光源通過(guò)傳輸光纖與振動(dòng)敏感源連接，在所述振動(dòng)敏感源的兩側(cè)分別固定有準(zhǔn)直器，所述振動(dòng)敏感源的輸出端通過(guò)傳輸光纖與光電轉(zhuǎn)換模塊連接，光電轉(zhuǎn)換模塊與數(shù)據(jù)分析模塊、無(wú)線傳輸模塊依次連接。

進(jìn)一步地，所述振動(dòng)敏感源包括梳狀柵格、保護(hù)框架及準(zhǔn)直螺紋孔；所述梳狀柵格隨外界振動(dòng)而上下浮動(dòng)，所述保護(hù)框架設(shè)置在梳狀柵格的外側(cè)，所述準(zhǔn)直螺紋孔設(shè)置在保護(hù)框架上用于與準(zhǔn)直設(shè)備連接。

進(jìn)一步地，所述光電轉(zhuǎn)換設(shè)備包括依次串聯(lián)連接的光電轉(zhuǎn)換元件、放大電路和濾波電路。

一種基于梳狀柵格的MOEMS無(wú)線振動(dòng)傳感器的工作方法，包括：

1)光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直設(shè)備進(jìn)入振動(dòng)敏感源，經(jīng)過(guò)振動(dòng)敏感源調(diào)制之后的光信號(hào)通過(guò)準(zhǔn)直器進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換設(shè)備；光電轉(zhuǎn)換模塊將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入到數(shù)據(jù)處理分析模塊進(jìn)行處理；

2)通過(guò)分析在特定時(shí)間內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)幅值強(qiáng)弱交替的次數(shù)，確定光強(qiáng)信號(hào)的變化頻率f；

3)結(jié)合振動(dòng)敏感源中梳狀柵格寬度l、格距數(shù)值d以及光強(qiáng)信號(hào)的頻率f，計(jì)算所述特定時(shí)間內(nèi)振動(dòng)敏感源所經(jīng)過(guò)的路程L；

4)根據(jù)路程L計(jì)算振動(dòng)信號(hào)的幅值a；

進(jìn)一步地，所述步驟3)中計(jì)算所述特定時(shí)間內(nèi)振動(dòng)敏感源所經(jīng)過(guò)的路程L的方法為：

L＝f(l+d)

其中，l為梳狀柵格寬度，d為格距數(shù)值，f為光強(qiáng)信號(hào)的頻率。

所述步驟4)中計(jì)算振動(dòng)信號(hào)的幅值a的方法為：

L＝2*a*t²

其中，L為時(shí)間t內(nèi)振動(dòng)敏感源所經(jīng)過(guò)的路程。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明中微型光源發(fā)出的光強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直器進(jìn)入振動(dòng)敏感源進(jìn)行調(diào)制后輸入到光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。數(shù)據(jù)分析模塊分析來(lái)自光電轉(zhuǎn)換模塊的電信號(hào)后得到外界環(huán)境振動(dòng)信號(hào)的振幅及頻率信息，然后編碼振動(dòng)信號(hào)信息并通過(guò)無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的無(wú)線傳輸。此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其在監(jiān)測(cè)中僅需要將傳感器與被測(cè)物體進(jìn)行有效的接觸，并檢測(cè)信號(hào)的無(wú)線傳輸功能有效的克服了隧道、橋梁等大型工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中傳感器布置及引線困難的現(xiàn)狀。

附圖說(shuō)明

圖1為基于梳狀柵格的MMOEMS無(wú)線振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為振動(dòng)敏感源的正視圖；

圖3為光電轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖；

圖4(a)為基于梳狀柵格的MMOEMS無(wú)線振動(dòng)傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時(shí)域波形；

圖4(b)為基于梳狀柵格的MMOEMS無(wú)線振動(dòng)傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)頻域波形；

其中，1.微型光源，2.光纖尾纖，3.準(zhǔn)直器，4.振動(dòng)敏感源，5.光電轉(zhuǎn)換模塊，6.數(shù)據(jù)分析模塊，7.無(wú)線傳輸模塊，8.傳感器外殼，9.準(zhǔn)直螺紋孔，10.保護(hù)框架，11.梳狀柵格。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施方法對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明：

一種基于梳狀柵格11的MOEMS無(wú)線振動(dòng)傳感器主要包括傳感器外殼8、微型光源1、傳輸光纖、準(zhǔn)直器3、振動(dòng)敏感源4、光電轉(zhuǎn)換模塊5、數(shù)據(jù)分析模塊6及無(wú)線傳輸模塊7。

MOEMS無(wú)線振動(dòng)傳感器封裝在傳感器外殼8中，模塊化高度集成設(shè)計(jì)，使得傳感器體積小，克服了現(xiàn)有光纖振動(dòng)傳感器在隧道、橋梁等大型工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中傳感器布置及引線困難的現(xiàn)狀。

微型光源1包括依次連接的供電單元、發(fā)光單元及輸出光纖尾纖2等三部分；

振動(dòng)敏感源4主要包括隨外界振動(dòng)而上下浮動(dòng)的梳狀柵格11、保護(hù)框架10及準(zhǔn)直螺紋孔9；梳狀柵格11隨外界振動(dòng)而上下浮動(dòng)，保護(hù)框架10設(shè)置在梳狀柵格11的外側(cè)，準(zhǔn)直螺紋孔9設(shè)置在保護(hù)框架10上用于與準(zhǔn)直器3連接。

準(zhǔn)直器3主要包括二維準(zhǔn)直器3及準(zhǔn)直螺紋孔9。準(zhǔn)直螺紋孔9設(shè)置在準(zhǔn)直器3前段。

光電轉(zhuǎn)換模塊5主要包括依次串聯(lián)連接的光電轉(zhuǎn)換元件、放大電路及濾波電路；

數(shù)據(jù)分析模塊6主要包括依次連接的供電單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、時(shí)鐘電路、單片機(jī)MSP430及通訊單元；

無(wú)線傳輸模塊7主要包括供電單元、無(wú)線模塊及發(fā)射天線。供電單元給無(wú)線模塊供電，無(wú)線模塊將信號(hào)轉(zhuǎn)換成發(fā)射天線的接收信號(hào)，發(fā)射天線將信號(hào)發(fā)射出去。

該傳感器的信號(hào)分析基本流程為微型光源1發(fā)出光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)入光纖尾纖2。光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直器3進(jìn)入振動(dòng)敏感源4，振動(dòng)敏感源4調(diào)制之后的光信號(hào)通過(guò)準(zhǔn)直器3進(jìn)入與光電轉(zhuǎn)換模塊5相連的光纖尾纖2中。光電轉(zhuǎn)換模塊5將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入到數(shù)據(jù)分析模塊6進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)分析模塊6將分析所得振動(dòng)信號(hào)的振幅及頻率信息按照用戶要求的通訊編碼協(xié)議后通過(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的無(wú)線傳輸。

二維準(zhǔn)直器3及其準(zhǔn)直螺紋孔9與振動(dòng)敏感源4的準(zhǔn)直螺紋孔9有效的保證了經(jīng)過(guò)振動(dòng)敏感源4調(diào)制后的光強(qiáng)信號(hào)在光纖中的傳輸。

光電轉(zhuǎn)換設(shè)備中放大電路有效的實(shí)現(xiàn)了微型光源1微弱光信號(hào)光電轉(zhuǎn)換后電信號(hào)的放大，避免了數(shù)據(jù)分析設(shè)備中A/D轉(zhuǎn)換元件因原始光信號(hào)較弱而被忽略的隱患。

數(shù)據(jù)分析模塊6對(duì)于經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換元件所得光信號(hào)的處理過(guò)程如下所示：

1)通過(guò)分析在一秒之內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)幅值強(qiáng)弱交替次數(shù)，進(jìn)而確定光強(qiáng)信號(hào)的頻率信息f。

2)結(jié)合振動(dòng)敏感源4中梳狀柵格11寬度l、格距數(shù)值d及步驟1所確定的光信號(hào)頻率f，從而確定在一秒之內(nèi)振動(dòng)敏感源4所經(jīng)過(guò)的路程，其路程計(jì)算公式為：

L＝f(l+d) (1)

3)通過(guò)計(jì)算求解振動(dòng)信號(hào)的幅值，其計(jì)算公式為：

L＝2*a*t² (2)

其中a為振動(dòng)信號(hào)的幅值，其數(shù)值為f(l+d)/2。

數(shù)據(jù)分析模塊6將分析所得振動(dòng)信號(hào)的頻率及幅值信息編碼后發(fā)送到無(wú)線傳輸模塊7。無(wú)線傳輸模塊7通過(guò)發(fā)射天線實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)距離的傳輸。

本發(fā)明通過(guò)振動(dòng)敏感源4實(shí)現(xiàn)外界振動(dòng)信號(hào)對(duì)光強(qiáng)信號(hào)的調(diào)制，并將調(diào)制后的信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊5轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送到數(shù)據(jù)分析模塊6，數(shù)據(jù)分析模塊6將分析所得振動(dòng)信號(hào)的頻率及幅值信息編碼后通過(guò)無(wú)線傳輸模塊7實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，有效的克服在隧道、橋梁等大型工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中傳感器布置與引線困難的現(xiàn)狀。

對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了振動(dòng)特性標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，在2Hz-150Hz頻率范圍內(nèi)，振動(dòng)檢測(cè)性能良好，40Hz時(shí)所得時(shí)頻曲線如圖4(a)和圖4(b)所示。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。