CN105203199A - 基于微纳尺度材料光机电***的超高灵敏度振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及振动测量技术领域，公开了一种基于微纳尺度材料光机电***的超高灵敏度振动传感器。其包括：光路***，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)的加速度，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。

Description

基于微纳尺度材料光机电***的超高灵敏度振动传感器

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***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***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***，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***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***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***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。

本发明中，反射镜能够较佳地增加光程，从而能够较佳地缩小本发明的空间尺寸，另外，还能够通过改变反射镜的位置来调整光电位移探测器的位置，从而使得本发明能够便于调试。

作为优选，光源和反射镜间设有光栅。

本发明中，光源和反射镜间还能够设有光栅，光栅能够屏蔽掉光源所发出的光束边缘不规则或强度不稳定的部分，从而能够提高光路***的稳定性。

作为优选，光源和光栅间设有透镜，透镜构造成能够在光源和光栅间进行往复移动。

本发明中，光源和光栅间能够设有透镜，透镜能够用于调整光源发出的光束状态的作用，通过调整透镜位置能够将光源发出的光束调整为平行、发散或聚焦状态，从而使得本发明能够提供不同地测量条件，使得本发明能够较佳地不同种类的振动进行测量。

作为优选，采集单元采用光电式位移传感器。

本发明中，采集单元能够包括光电式位移传感器，而光电式位移传感器能够包括由例如紫外光、可见光或红外光敏感元件制成的感光元件，从而使得本发明能够根据不同的检测环境，相对应的选择能够较佳感受不同波段的光的光电式位移传感器，进而使得本发明能够根据实际检测环境将外界光线的干扰降到最低，从而能够较佳地提升本发明的测量精度。

本发明的一个较佳的实施例中，光路***中还包括滤光镜，滤光镜能够在采集单元仅对特定波长范围的光线敏感是，滤去处于不需要的波长范围的光线，从而能够进一步地提升本发明的测量精度。

作为优选，检测光束能够为波长是紫外波到红外光波段中的单色光或复色光。

附图说明

图1为实施例1中的一种振动传感器的光路***、感振阵列与采集单元间的工作原理示意图；

图2为实施例1中的一种振动传感器的***结构框图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

实施例1

本实施例中提供了一种振动传感器，其是一种基于微纳尺度材料光机电***的超高灵敏度振动传感器。

如图1所示，图2所示，揭示了本实施例中的一种振动传感器的工作原理和***结构，其包括光路***、感振阵列、采集单元140、处理单元和电源，其中电源用于为光路***、采集单元140和处理单元进行供电，光路***用于产生检测光束115，感振阵列用于接收检测光束115并形成反射光束116，采集单元140用于采集反射光束116的位置信息从而生成偏移信号；处理单元用于接收偏移信号，从而根据反射光束116的位置信息解析出所述振动状态。

本实施例中，感振阵列包括基座120和设置在基座120上的用于感应振动状态的感振片130，其中，基座120上构造有凸台121，任意相邻的凸台121间构造成凹槽122，多个感振片130阵列在基座120上，其中上述多个感振片130能够根据实际检测要求全部一端固定在凸台121上或全部两端固定在凸台上或部分一端固定在凸台121上部分两端固定在凸台上，而本实施例中上述多个感振片130与凸台121间的连接方式采用部分一端固定在凸台121上部分两端固定在凸台上的方式，从而能够较佳地检测振动幅度和振动方向。

感振片130反射检测光束115从而形成反射光束116，感振片130采用微纳尺度材料构成，感振片130构造成长度为微米级别的棒状材料，单个感振片130的长度构造成20um，单个感振片130的长径比构造成10:1。

另外，光路***包括光源111和反射镜114，光源111能够根据实际检测要求用于提供能量稳定的点光源、线光源或面光源，本实施例中光源111用于提供线光源；反射镜114用于反射光源111从而形成检测光束115。

本实施例中，采集单元140采用光电式位移传感器，而光电位移传感器能够根据实际检测环境，选取对紫外光、可见光或红外光等敏感的光电式位移传感器，从而有效降低外界光线对采集单元140造成的干扰，本实施例中的光电位移传感器选取对紫外光敏感的光电式位移传感器，而光源111提供的光波段能够依据光电位移传感器所敏感的光波段而进行调整，本实施中，光源111用于提供波长在紫外波段的单色光。

本实施例中，当外界的振动传递到感振阵列时，上述多个感振片130由于惯性作用而产生不同程度的弯曲，又由于感振片130均是由微纳尺度材料构成，而微纳尺度材料构成的共振频率远高于外界振动信号频率，因此上述多个感振片130的自由端(一端固定在凸台121上)或轴向中心点(两端固定在凸台上)产生的弯曲与振动加速度成正比。特别地，由于微纳尺度材料振动时弯曲形变大曲率半径小，以及微纳尺度材料光滑的特点，从而使得，上述多个感振片130能够较为灵敏地感受外界振动，并能够较佳地将检测光束115反射至采集单元140处，采集单元140能够采集偏移信号并发送给处理单元，处理单元能够对偏移信号进行滤波、放大、降噪等处理后解析出极为微弱的外界振动状态。

本实施例中的一种振动传感器，其能够较为敏感地测量出亚微米级别幅度的振动，即可以探测出大于等于10^-8G量级(10^-9m/s²的振动加速度)的振动，从而满足了高灵敏度、高精度的振动状态测量需求。

实施例2

本实施例中提供了一种振动传感器，其与实施例1的不同之处在于：光源111和反射镜114间依次设有透镜112、光栅113以及滤光片，单个感振片130构造成长度为纳米级别的片状材料，单个感振片130的长度能够根据具体检测要求构造成不低于20nm的任意长度，单个感振片130的长宽比能够根据具体检测要求构造成不低于10:1任何一个比值，应当理解的是，单个感振片130的长度和长宽比在上述范围内时，其长度越大、长宽比越小则测量的精度越小，而当单个感振片130的长度超出上述范围时，单个感振片130的制造难度和装配难度将大大提升，而且无法带来明显的检测精度上的提升，而当单个感振片130的长宽比(长径比)超出上述范围时，将会造成明显的测量精度的降低，故上述范围仅仅是提供了本发明的一种优选范围，而不应当理解为对本发明进行了任何限定；本实施例中，选取单个感振片130的长宽比为20:1，单个感振片130的长度为20nm。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种振动传感器，其包括：

光路***，其用于产生检测光束(115)；

感振阵列，其包括基座(120)和设置在基座(120)上的用于感应振动状态的感振片(130)，其中感振片(130)构造成用于接收检测光束(115)并形成反射光束(116)；

采集单元(140)，其用于采集反射光束(116)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(116)的位置信息解析出所述振动状态。

2.根据权利要求1中所述的一种振动传感器，其特征在于：感振片(130)采用微纳尺度材料构成。

3.根据权利要求1或2中所述的一种振动传感器，其特征在于：感振片(130)构造成长度为微米或纳米级别的棒状或片状。

4.根据权利要求3中所述的一种振动传感器，其特征在于：感振片(130)的长度不低于20nm，感振片(130)的长径比或长宽比构造成不低于10:1。

5.根据权利要求1中所述的一种振动传感器，其特征在于：基座(120)上构造有凸台(121)，任意相邻的凸台(121)间构造成凹槽(122)，感振片(130)构造成一端或两端固定设置在凸台(121)上并部分悬空于凹槽(122)上方。

6.根据权利要求5中所述的一种振动传感器，其特征在于：光路***包括光源(111)和反射镜(114)，光源(111)用于提供能量稳定的点光源、线光源或面光源，反射镜(114)用于反射光源(111)从而形成检测光束(115)。

7.根据权利要求6中所述的一种振动传感器，其特征在于：光源(111)和反射镜(114)间设有光栅(113)。

8.根据权利要求7中所述的一种振动传感器，其特征在于：光源(111)和光栅(113)间设有透镜(112)。

9.根据权利要求1中所述的一种振动传感器，其特征在于：采集单元(140)采用光电式位移传感器。

10.根据权利要求1中所述的一种振动传感器，其特征在于：检测光束(115)为波长是紫外波到红外光波段中的单色光或复色光。