CN101788569A - 一种光纤加速度传感器探头及加速度传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤加速度传感器探头以及基于相位载波调制技术的光纤加速度传感器系统。该系统包括：激光光源、光纤、光纤耦合器、光纤加速度传感器探头、光电探测器、相位载波调制信号电子解调系统。激光光源是一种相位载波调制的激光光源；光纤耦合器通过光纤分别与激光光源、加速度传感器探头及光电探测器连接；光电探测器与相位载波调制信号电子解调系统通过电线或电缆连接；光纤加速度传感器探头包括：加速度检测结构、至少一片背极板、加速度传感器框架以及至少一个光纤传感头。本发明的系统采用双背极板结构和光纤读出检测方式，使系统在抗冲击和过载性能、抗电磁干扰、灵敏度等方面，都有所改善和提高。

Description

一种光纤加速度传感器探头及加速度传感器系统

技术领域

本发明涉及惯性传感器技术领域，具体地说，本发明涉及一种光纤加速度传感器探头及基于相位载波调制的光纤加速度传感器系统。

背景技术

加速度传感器是一种非常重要的惯性传感及测量器件，广泛应用于航空航天、振动监测、工业控制、地球物理勘探等领域。近年来随着MEMS(微机电系统)技术的发展和成熟，MEMS加速度传感器以其体积小、重量轻、成本低、集成度高等优点，在汽车电子及消费类电子产品中获得了大量的应用，并进一步向工业应用领域扩展，具有广阔的市场前景。

加速度传感器通过将感受到的加速度以一定比例转化为电信号输出来实现对外界加速度的测量。传统的加速度传感器通常由敏感元件、读出和放大电路，以及金属外壳组成，其灵敏度高、性能稳定，但其性能对加工精度的依赖较大。MEMS加速度传感器虽然有诸多优势，但目前其灵敏度与工业领域的要求尚有一定差距，且Q值不容易调节。本申请人在申请号为200910087937.6的中国专利申请中提出了一种采用质量块-弹性膜-背极板-声学腔的加速度传感器结构，提高了加速度传感器的灵敏度，并可以容易地调节系统Q值。但以上加速度传感器都是直接在传感头部分将外接加速度转化为电信号，因此容易受到外部电磁噪声的干扰，不适合在强电场、强磁场或强射频场等环境中应用。

加速度传感器通常将外界加速度转化成为传感头上某可动部分的位移。光纤加速度传感器是探测这个位移信号，将其转换成调制的光信号，并通过光纤传输，再将调制的光信号解调成电信号的一种装置。光纤加速度传感器一般包括传感头和电子电路系统两个独立的部分，这两个部分通过光纤连接。由于在传感头部分没有电信号的转换，也没有电子电路，即传感头部分既不产生电磁信号，也不受电磁信号的干扰，因此，光纤加速度传感器可以应用于强电场、强磁场或强射频场环境中。另外，光纤加速度传感器还具有灵敏度和分辨率高、频带宽、动态范围大、低频响应好等优点。

光纤加速度传感器的调制方式一般有光强度调制、相位调制和偏振调制等，采用光强度调制的加速度传感器系统一般比较简单，但在灵敏度、信噪比和动态范围指标上，没有采用相位调制的光纤加速度传感器系统好。

采用相位载波调制的光纤传感系统相对来讲有较好的稳定性，例如在专利申请号为CN03200396.X等的专利文件中提出了光纤相位载波调制技术，这些光纤相位载波调制技术都采用普通激光器，通过将光纤缠绕在某压电振子上，或将自聚焦透镜粘贴在压电振子上，并对该压电振子施加特定频率的正弦信号来实现相位载波调制，但是，这种方法在产品小型化以及温度稳定性方面还有待提高。

另外，本申请人曾经在申请号为200610112615.9的中国专利申请中提出了一种基于相位载波调制的光纤硅微传声器系统。该系统能较好地提高硅微传声器的灵敏度和抗电磁干扰能力。但该系统不适用于传声器以外的其他传感器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有加速度传感器技术中抗电磁干扰能力弱、灵敏度和分辨率较低、动态范围小的缺点，从而提供一种光纤加速度传感器探头以及基于相位载波调制技术的光纤加速度传感器系统。该系统采用相位载波调制的激光光源，以实现光信号的直接调制，在一定功率范围内，其输出激光的频率与光源上所加电流强度成正比。并且通过采用双背极板结构和光纤读出检测方式，使系统在抗冲击和过载性能、抗电磁干扰、灵敏度等方面都有所改善和提高。

为实现上述发明目的，本发明提供的一种光纤加速度传感器探头，其特征在于，包括：加速度检测结构、至少一片背极板、加速度传感器框架以及至少一个光纤传感头。

所述加速度检测结构位于加速度传感器探头的中心位置，其构成包括：检测质量块、位于检测质量块周围的弹性部件和支撑部件，它们将感受的加速度转化为检测质量块的位移，所述检测质量块和弹性部件可以采用传统电容式加速度传感器的质量块-弹簧结构，也可以采用MEMS加速度传感器的质量块-弹性梁或质量块-弹性振动膜结构(包括有孔和无孔弹性振动膜)，其中，所述检测质量块位于整个加速度检测结构的中心位置，所述弹性部件两端分别与所述检测质量块及所述支撑部件连接，且所述弹性部件围绕所述检测质量块呈中心对称分布，所述支撑部件的作用是支撑所述加速度检测结构并将其固定于所述加速度传感器框架上。

所述检测质量块与所述背极板上下平行，其间形成空气隙，并且在与所述背极板相对一侧的检测质量块的表面上制作有反光膜区域，该反光膜区域位于检测质量块的中心位置或者覆盖整个检测质量块的表面。

所述背极板为边界固定在所述加速度传感器框架上的刚性较大的板，其材料可以为印制电路板、硅片或者玻璃板。所述背极板上制作有特定大小和分布的阻尼孔以调节阻尼，所述背极板其中一面上制作有限位凸触以防止过载和粘附，所述背极板的中心还制作有透光孔以透过入射及反射的激光；另外，所述背极板与加速度传感器框架之间形成声学腔，该声学腔为一个空腔或者二个连通或不连通的空腔，用于形成流动气体回路，改善系统频率响应；所述检测质量块上的反光膜区域与背极板上的透光孔正对，且反光膜区域的尺寸大于透光孔尺寸。当具有两片所述背极板时，该两片背极板相对于所述检测质量块上下对称设置，两片背极板的结构相同或者不同，其上制作有阻尼孔、限位凸触以及透光孔，两片背极板分别与所述加速度传感器框架之间形成上下两个声学腔，与所述检测质量块之间形成上下两个空气隙，由此形成背极板-阻尼孔-声学腔结构以调节系统的阻尼和Q值。

另外，所述加速度检测结构还可以设置驱动电极，其位于所述检测质量块的一个或者上下两个表面上的反光膜区域外围，若在检测质量块的上下表面均有设置时，则两个驱动电极相对于所述检测质量块呈镜像对称分布，同时，在所述背极板的与检测质量块相对的表面上也制作有驱动电极，与检测质量块上的驱动电极尽量正对以构成驱动电极对，为检测质量块提供静电力，用于调节质量块的位置、引入力学反馈以及当过载粘附时提供一个反方向的电力实现过载恢复等功能。

另外，所述加速度检测结构还可以采用一单晶取向硅片制成，经过包括高温氧化、光刻图形化、去热氧以及体刻蚀的MEMS工艺步骤制得。该单晶硅加速度检测结构包括：单晶硅支撑结构、单晶硅弹性振动膜以及单晶硅加速度检测质量块三个部分，其中，单晶硅加速度检测质量块与所述单晶硅弹性振动膜具有相同的几何中心，二者由所述单晶取向硅片经过体刻蚀加工而成，所述单晶硅弹性振动膜的内边界与所述单晶硅加速度检测质量块的外边界相连，单晶硅弹性振动膜的外边界与所述单晶硅支撑结构的内边界相连，所述单晶硅支撑结构用于支撑加速度检测结构并与背极板贴合，其厚度与所述单晶取向硅片相同；所述单晶硅支撑结构、单晶硅弹性振动膜和单晶硅加速度检测质量块的仰视图为包括圆形、矩形、正方形、正六边形的任意形状；该单晶硅加速度检测结构以厚度方向的中心平面镜像对称，其中，所述单晶硅支撑结构的厚度等于所述单晶取向硅片的厚度，所述单晶硅加速度检测质量块的厚度较所述单晶取向硅片的厚度薄，其上下表面与所述单晶硅支撑结构的上下表面的垂直距离各约为2～100微米，所述单晶硅弹性振动膜的厚度为5～500微米。

所述光纤传感头包括梯度透镜和尾纤，所述尾纤安装在梯度透镜的尾部，所述梯度透镜安装在所述加速度传感器框架上，或者安装在另外增加的斐索干涉腔支架上，安装时使所述梯度透镜的出射端面与背极板上的透光孔以及检测质量块上的反光膜区域正对，且保证出射端面与反光膜区域平行，该反光膜区域将通过所述梯度透镜入射的激光反射回去，从而对入射光的相位进行调制，所述梯度透镜出射面和所述反光膜区域之间构成一个柱形斐索干涉腔。这里，所述斐索干涉腔支架可以安装在所述背极板的未制作有限位凸触的一面上，或者安装在所述加速度传感器框架上等其他的位置，只要保证所述梯度透镜出射面和所述反光膜区域之间的距离，即保证斐索干涉腔的长度满足需要即可。

当具有两个所述光纤传感头时，该两个光纤传感头的结构完全相同，并相对称地关于检测质量块设置在所述加速度传感器框架上，或者设置在另外增加的斐索干涉腔支架上，并使所述梯度透镜的出射端面与背极板上的透光孔以及检测质量块上的反光膜区域正对，且保证出射端面与反光膜区域平行，上下两个光纤传感头的梯度透镜出射面与所述反光膜区域之间形成的上下两个斐索干涉腔的长度完全相同。

另外，本发明提供的基于相位载波调制的光纤加速度传感器系统，包括：激光光源、光纤、光纤耦合器、加速度传感器探头、光电探测器以及相位载波调制信号电子解调系统。

所述激光光源是一种相位载波调制的激光光源；所述光纤包括输入光纤、传输光纤以及输出光纤；所述光纤耦合器通过所述输入光纤与所述相位载波调制的激光光源连接，通过所述传输光纤与所述加速度传感器探头连接，并通过所述输出光纤与所述光电探测器连接；所述光电探测器与相位载波调制信号电子解调系统通过电线或电缆连接；所述加速度传感器探头包括至少一个梯度透镜和一个带有反光膜区域的加速度检测质量块，所述梯度透镜的出射端面和所述加速度检测质量块上的反光膜区域平行放置，构成激光斐索干涉腔。

上述技术方案中，所述相位载波调制的激光光源包括至少一个半导体激光器和一个产生调制电流的振荡器，在额定的发光功率范围内，所述半导体激光器输出的激光光频随调制电流线性变化。

上述技术方案中，所述输入光纤、输出光纤和传输光纤均为单模光纤。

上述技术方案中，所述光纤耦合器是一种将注入光束分成光强相等的两束光的耦合器。

上述技术方案中，所述光电探测器是一种由PIN光电二极管组成的光电转换电路。

上述技术方案中，所述相位载波调制信号电子解调系统是一种将载波调制信号中的相应加速度信号解调出来的电子信号处理系统。

上述技术方案中，所述加速度传感器探头包括：加速度检测结构、至少一片背极板、加速度传感器框架以及至少一个光纤传感头。

其中，所述加速度检测结构位于加速度传感器探头的中心位置，其构成包括：检测质量块、位于检测质量块周围的弹性部件和支撑部件，它们将感受的加速度转化为检测质量块的位移，所述检测质量块和弹性部件可以采用传统电容式加速度传感器的质量块-弹簧结构，也可以采用MEMS加速度传感器的质量块-弹性梁或质量块-弹性振动膜结构(包括有孔和无孔弹性振动膜)，其中，所述检测质量块位于整个加速度检测结构的中心位置，所述弹性部件的两端分别与所述检测质量块及所述支撑部件连接，且所述弹性部件围绕所述检测质量块呈中心对称分布。所述支撑部件的作用是支撑所述加速度检测结构并将其固定于所述加速度传感器框架上。

所述检测质量块与所述背极板上下平行，其间形成空气隙，并且在与所述背极板相对一侧的检测质量块的表面上制作有反光膜区域，该反光膜区域位于检测质量块的中心位置或者覆盖整个检测质量块的表面。

所述背极板为边界固定在所述加速度传感器框架上的刚性较大的板，所述背极板上制作有特定大小和分布的阻尼孔以调节阻尼，所述背极板其中一面上制作有限位凸触以防止过载和粘附，另外，所述背极板的中心还制作有透光孔以透过入射及反射的激光；所述背极板与加速度传感器框架之间形成声学腔，该声学腔为一个空腔或者二个连通或不连通的空腔，用于形成流动气体回路，改善系统频率响应；所述检测质量块上的反光膜区域与背极板上的透光孔正对，且反光膜区域的尺寸大于透光孔尺寸。

所述光纤传感头包括梯度透镜和尾纤，所述尾纤安装在梯度透镜的尾部，所述梯度透镜安装在所述加速度传感器框架上，或者安装在另外增加的斐索干涉腔支架上，安装时使所述梯度透镜的出射端面与背极板上的透光孔以及检测质量块上的反光膜区域正对，且保证出射端面与反光膜区域平行，该反光膜区域将通过所述梯度透镜入射的激光反射回去，从而对入射光的相位进行调制，所述梯度透镜出射面和所述反光膜区域之间构成一个柱形斐索干涉腔。这里，所述斐索干涉腔支架可以安装在所述背极板的未制作有限位凸触的一面上，或者安装在所述加速度传感器框架上等其他的位置，只要保证所述梯度透镜出射面和所述反光膜区域之间的距离，即保证斐索干涉腔的长度满足需要即可。

另外，上述基于相位载波调制的光纤加速度传感器系统的技术方案中，所述光纤加速度传感器探头的结构中可以具有两片背极板和两个光纤传感头。其中，两片背极板相对于所述检测质量块上下对称设置，两片背极板的结构相同，其上制作有阻尼孔、限位凸触以及透光孔，两片背极板分别与所述加速度传感器框架之间形成上下两个声学腔，与所述检测质量块之间形成上下两个空气隙，由此形成背极板-阻尼孔-声学腔结构以调节系统的阻尼和Q值。所述检测质量块的上下表面上均设有反光膜区域，并相对于检测质量块呈镜像对称分布。并且，两个光纤传感头的结构完全相同，并相对称地关于检测质量块设置在所述加速度传感器框架上，或者设置在另外增加的斐索干涉腔支架上，并使所述梯度透镜的出射端面与背极板上的透光孔以及检测质量块上的反光膜区域正对，且保证出射端面与反光膜区域平行，上下两个光纤传感头的梯度透镜出射面与所述反光膜区域之间形成的上下两个斐索干涉腔的长度完全相同。该结构组成的光纤加速度传感器系统采用差分方式工作，当传感器感受到外界加速度的作用时，光纤加速度传感器探头中的质量块向上或向下发生偏移，使得上下两个斐索干涉腔的长度发生变化，分别对通过两个所述梯度透镜入射的激光进行相位调制。经过调制的激光作为两个信号臂的传感信号输入两个传输光纤，二者经过所述光纤耦合器耦合后进入所述输出光纤发生干涉，并由所述光电探测器转化为电信号，进入所述载波调制信号电子解调系统中进行解调。

另外，上述基于相位载波调制的光纤加速度传感器系统的技术方案中，所述光纤加速度传感器探头的结构中的加速度检测结构中还可以包括驱动电极，设置在所述检测质量块的一个或者上下两个表面上的反光膜区域外围，若在检测质量块的上下表面均有设置时，则两个驱动电极相对于所述检测质量块呈镜像对称分布。并且，该结构中所述背极板的与检测质量块相对的表面上也制作有驱动电极，与所述检测质量块上的驱动电极尽量正对以构成驱动电极对，为检测质量块提供静电力，用于调节质量块的位置、引入力学反馈以及当过载粘附时候提供一个反方向的电力实现过载恢复等功能。另外，在该结构中，所述光纤传感头具有一个或者两个，设置在所述加速度传感器框架上，或者设置在另外增加的斐索干涉腔支架上，并使所述梯度透镜的出射端面与背极板上的透光孔以及检测质量块上的反光膜区域正对，且保证出射端面与反光膜区域平行；当设置有两个光纤传感头时，相对称地关于检测质量块进行设置，且上下两个光纤传感头的梯度透镜出射面与所述反光膜区域之间形成的上下两个斐索干涉腔的长度完全相同。上述结构组成的光纤加速度传感器系统采用反馈方式工作，此时需要在所述相位载波调制信号电子解调系统中增加反馈控制电路模块，并通过该模块与光纤加速度传感器探头上的各驱动电极进行连接。所述相位载波调制信号电子解调系统在进行解调的同时，根据接收到的信号幅度，产生与其成比例的电压反馈信号输入到各光纤加速度传感器探头上的各驱动电极上。

本发明的一种光纤加速度传感器探头以及基于相位载波调制技术的光纤加速度传感器系统的有益效果在于：

(1)本发明的光纤加速度传感器探头没有电子电路，在使用时可以通过光纤连接，它既不产生电磁信号，也不受电磁信号的干扰，因此，可以应用于强电场、强磁场或强射频场环境中。

(2)本发明采用相位载波调制的激光作为光源并在光纤加速度传感器传感探头中应用了梯度透镜，因此，本发明在灵敏度、动态范围和信噪比等方面比采用光强度调制的传感器要好很多。

(3)本发明采用双背极板结构，限定了加速度检测质量块的移动范围，大大提高了系统的抗冲击性；背极板上的电极，可以提供静电力，用于调节质量块的位置、引入力学反馈以及当过载粘附时提供一个反方向的电力实现过载恢复等功能。

(4)本发明的光纤加速度传感器探头采用背极板-阻尼孔-声学腔结构，背极板上的声孔大小和密度，可以调节系统的阻尼和频率响应；背极板上的凸触可以防止过载时候的粘附。

(5)本发明的光纤加速度传感器探头中易于采用差分方式进行探测，也易于引入反馈机制，可以进一步提高其灵敏度、动态范围和信噪比等性能。

(6)本发明的加速度检测结构采用MEMS技术制作，在样品的间隙控制、器件的一致性等方面都得到了改善和提高。

附图说明

图1是本发明的基于相位载波调制的光纤加速度传感器系统的构成框图。

图2是本发明的光纤加速度传感器系统中的光纤加速度传感器探头的一个实施例的结构示意图。

图3是本发明的基于相位载波调制的差分式光纤加速度传感器系统的构成框图。

图4是本发明的光纤加速度传感器系统中的光纤加速度传感器探头的另一个实施例的结构示意图。

图5是本发明的光纤加速度传感器系统中的光纤加速度传感器探头的又一个实施例的结构示意图。

图6是本发明的光纤加速度传感器系统中的光纤加速度传感器探头的又一个实施例的结构示意图。

附图标识：

100  相位载波调制的激光光源

200、400、600  耦合光纤

300  光纤耦合器

700  光电探测器

800  相位载波调制信号电子解调系统

500  光纤加速度传感器探头

510  加速度传感头

511  检测质量块

512  弹性部件(包括弹簧、弹性梁、有孔或无孔的弹性振动膜或其他提供弹性回复力的装置)

513  加速度传感头支撑部件

516、517  传感头上的反光膜区域(多设置在质量块中心位置)

518、519  传感头上的驱动电极(设置在反光膜区域外围)

520  加速度传感器背极板

521  背极板上的声学孔

522  背极板上的限位凸触

523  背极板上的透光孔

524  背极板上的驱动电极(与传感头上的驱动电极相对)

525、528  过孔

526、529  引线及焊盘

527  背极板上的驱动电极(与电极524电压相反，为检测质量块提供静电力)

530  加速度传感器的另一块背极板

540  加速度传感器框架(或封装)

541  加速度传感器外壳

542  传感头510与背极板520之间的空气隙

543  传感头510与背极板530之间的空气隙

544  背极板520与外壳541之间的声学腔

545  背极板530与外壳541之间的声学腔

550  光纤检测头

551  斐索干涉腔支架

552  梯度透镜

553  梯度透镜出射端面

554  尾纤

555  斐索干涉腔

560  光纤检测头，与检测头550的结构完全相同

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的一种光纤加速度传感器探头以及基于相位载波调制技术的光纤加速度传感器系统作进一步详细描述。

实施例1：

图1是本发明的基于相位载波调制的光纤加速度传感器系统的一个实施例的原理性框图。如图1所示，本发明的一种基于相位载波调制的光纤加速度传感器系统1000，包括：相位载波调制的激光光源100、输入光纤200、光纤耦合器300、传输光纤400、光纤加速度传感器探头500、输出光纤600、光电探测器700和载波调制信号电子解调系统800。所述的光纤耦合器300分别与所述的相位载波调制的激光光源100、所述的光纤加速度传感器探头500以及所述的光电探测器700通过所述的输入光纤200、所述的传输光纤400以及所述的输出光纤600连接。所述的光电探测器700与所述的相位载波调制信号电子解调系统800通过电线或电缆连接。

本发明的工作原理如下：所述的光纤加速度传感器探头500至少包括一个梯度透镜(也称自聚焦透镜)和一个带有反光膜区域(或称反光斑点)的加速度检测质量块，梯度透镜的出射端面和加速度检测质量块上的反光膜区域平行放置，并在出射端面和反光膜区域之间构成一个柱状空间，称为激光斐索(Fizeau)干涉腔。所述的梯度透镜作为出射光的准直透镜和来自所述的加速度检测质量块上的反光膜区域反射光的会聚透镜。所述的梯度透镜出射端面镀有反射膜，以反射一部分入射光作为参考臂(即没有包含传感信息的光信号走过的路径)光信号，而信号臂(即包含传感信息的光信号走过的路径)的长度是所述的加速度检测质量块上的反光膜区域与所述的梯度透镜出射端面的距离的2倍。所述的加速度检测质量块感受到外界加速度时，其上的反光膜区域将产生微小的位移，此微小的位移将调制反射光的相位。这样，来自参考臂的光信号和来自信号臂相位调制的光信号形成干涉，所产生的干涉光信号通过所述的传输光纤400、光纤耦合器300和所述的输出光纤600传输到所述的光电探测器700，并被其转换成载波调制的电信号，此电信号被所述的相位载波调制信号电子解调系统800解调出来，得到对应于该加速度值的电信号。为了提高所述光纤加速度传感器系统1000的灵敏度，扩大其动态范围，所述光纤加速度传感器探头500的入射光信号来自所述相位载波调制的激光光源100。

所述相位载波调制的激光光源100至少包括一个高稳定度的激光器(如DFB半导体激光器)和一个产生调制信号的振荡器，且激光器的波长(频率)与输出光功率有关，即与注入的激励电流有关。在一定的发光功率范围内激光器光源输出的光频随调制电流近似线性变化。所述的高稳定度激光器和所述的振荡器一起，产生一个周期性调制的激光信号。此载波调制的激光信号输出时，如果所述的输入光纤200为保偏光纤，可以通过一个偏振片后传输给所述的输入光纤200，一般情况下，也可以省去所述的偏振片。

所述的输入光纤200、输出光纤600和传输光纤400为单模光纤，可以是保偏单模光纤，也可以是非保偏的单模光纤。这些光纤的作用是保证光信号低损耗传输。

所述的光纤耦合器300是一种广义的光耦合装置，它的作用是将来自所述相位载波调制的激光光源100的光信号耦合到所述传输光纤400中，并将来自所述光纤加速度传感器探头500的反射光信号耦合到所述输出光纤600中。所述的光纤耦合器300将注入的光束分成光强为1∶1的两束光，它可以是2x1光纤耦合器，也可以是2x2光纤耦合器。对于使用2x2光纤耦合器的情况，一束注入到所述2x2光纤耦合器的光是来自所述相位载波调制的激光光源100的光信号，它经过所述输入光纤200与所述2x2光纤耦合器连接，分出的两束光中，其中一束进入所述传输光纤400，光的传播方向是从所述2x2光纤耦合器到所述光纤加速度传感器探头500，而另一束分出的光没有用(本发明附图1中没有画出)，可以连接到光吸收端头，也可以什么都不接。另一束注入光是来自所述光纤加速度传感器探头500的反射光，光的传播方向从所述光纤加速度传感器探头500到所述2x2光纤耦合器，分出的两束光，一束进入所述输入光纤200，一束进入所述输出光纤600。

所述的光电探测器700是一种广义的光强检测装置，它将接收到的光信号转换成与光强度成正比的电信号。它一般是由PIN光电二极管组成的光电转换电路。

所述的相位载波调制信号电子解调系统800是广义的电子信号处理系统，它的功能就是将相位载波调制信号中特定频率的信号解调出来。能够完成解调的方案一般有两种，即模拟电子电路解调方案和数字信号处理DSP解调方案。所述的模拟电子电路解调方案是指利用模拟电路的乘法、滤波、微分、积分等模拟运算，完成相位载波调制信号的解调；所述的数字信号处理DSP解调方案是指将模拟信号经过A/D转换进行量化，通过数字信号处理DSP的软件运算，实现数字解调，然后，再通过D/A转换将数字解调信号转换成相应的模拟解调信号。

从本实施例给出的相位载波调制的光纤加速度传感器工作原理可知，本发明和本实施例并不限于某种特定的加速度传感器探头结构，例如可以采用传统电容式加速度传感器的质量块-弹簧结构，也可以采用MEMS加速度传感器的质量块-弹性梁或质量块-弹性振动膜结构(包括有孔和无孔弹性振动膜)。只要是将感受的加速度转化为检测质量块的位移，并在该检测质量块上制作有反光膜区域即可。

实施例2：

图2是本发明的基于相位载波调制的光纤加速度传感器系统的一个实施例中的光纤加速度传感器探头的结构示意图，尤其给出了所述光纤加速度传感器探头500的详细结构。

如图2所示，在此实施例中，所述的光纤加速度传感器探头500包括加速度检测结构510、背极板520和530、加速度传感器框架541、光纤传感头550。

所述加速度检测结构510包括检测质量块511、弹性振动膜512、支撑部件513和检测质量块表面的反光膜区域516。其中所述检测质量块511位于加速度传感器探头500的中心位置，其边界与弹性振动膜512的内边界相连，弹性振动膜512的外边界与所述支撑部件513相连，并通过所述支撑部件513固定在所述传感器框架541上。所述弹性振动膜512围绕所述检测质量块511呈中心对称分布。

所述检测质量块和弹性部件可以采用传统电容式加速度传感器的质量块-弹簧结构，也可采用MEMS加速度传感器的质量块-弹性梁或质量块-弹性振动膜结构(包括有孔和无孔弹性振动膜)。

所述的反光膜区域516是指广义的反光材料制成的一小的圆形区域，直径为10～1000微米，一般制作在所述检测质量块511垂直于检测加速度方向的表面的中心位置，该反光膜区域516也可以是方形或别的形状的区域。所述的反光膜区域516一般采用金属铝或金膜。对于检测质量块本身就具有反光的情况(例如，有的检测质量块上本身就镀有一层铝膜)，可以不另外制作反光膜。

所述背极板520为一边界固定在传感器框架541上的刚性较大的板。所述背极板520上制作有特定大小和分布的阻尼孔521以调节阻尼。所述背极板520其中一面上制作有限位凸触522以防止过载和粘附。所述背极板520中心还制作有一透光通孔523，设置在所述检测质量块511上的反光膜区域516的尺寸大于该透光通孔523的尺寸。

所述检测质量块511与背极板520上下平行，检测质量块511上反光区域膜516所在表面与背极板520上制作有限位凸触522的表面相对，其间形成空气隙542。所述透光孔523需完全正对所述反光膜区域516。

背极板530与背极板520相对称地关于检测质量块511设置。背极板530的结构与背极板520可以相同也可以不同，其上制作有阻尼孔531、限位凸触532，也可以制作透光孔533。背极板520与传感器框架541之间形成声学腔544，背极板530与检测质量块511之间形成空气隙543，与传感器框架541之间形成声学腔545。这样形成的背极板-阻尼孔-声学腔结构有利于调节系统的阻尼和Q值。

所述光纤传感头550包括斐索干涉腔支架551、梯度透镜552，以及尾纤554。所述斐索干涉腔支架551固定在所述背极板520未制作限位凸触的一面，构成一个圆柱形的斐索干涉腔555。所述的斐索干涉腔支架551一般为非金属材料制成(如有机玻璃、聚氯乙烯材料、陶瓷、玻璃等)，所述梯度透镜552固定在斐索干涉腔支架551上，其出射端面553与背极板520上的透光孔523以及检测质量块511上的反光膜区域516完全正对，且保证与反光膜区域516平行。出射端面553与反光膜区域516之间的距离，即斐索干涉腔555的长度，可以通过梯度透镜552在支架551上的位置来调节。该梯度透镜552通过尾纤554与传输光纤400连接。

所述的梯度透镜552，也称为梯度折射率透镜，或称自聚焦镜，它可以将光纤内的传输光转变成准直光(平行光)，或将外界平行(近似平行)光耦合至单模光纤内。

所述的出射端面553上有一层反射膜(如铝膜、银膜或氟化镁膜等)，使来自光源的信号部分被反射，作为斐索干涉的参考臂信号。所述的反光膜区域516用于反射来自所述梯度透镜552的光信号，此反射光信号又通过所述梯度透镜552耦合到光纤里，作为来自信号臂的传感信号。

实施例3：

图3是本发明的基于相位载波调制的差分式光纤加速度传感器系统的一个实施例的原理性框图。如图3所示，本发明的一种基于相位载波调制的光纤加速度传感器系统1000，包括：相位载波调制的激光光源100、输入光纤200、光纤耦合器300、传输光纤400a、400b、光纤加速度传感器探头500、输出光纤600、光电探测器700、相位载波调制信号电子解调系统800。

所述的光纤耦合器300通过所述的输入光纤200与所述的相位载波调制的激光光源100连接，通过所述的传输光纤400a、400b与所述的光纤加速度传感器探头500连接，并通过所述的输出光纤600与所述的光电探测器700连接。所述的光电探测器700与所述的相位载波调制信号电子解调系统800通过电线或电缆连接。

本实施例中所述的相位载波调制的激光光源100、输入光纤200、输出光纤600、光电探测器700与实施例1中的相应器件完全相同。本实施例中所述的传输光纤400a、400b与实施例1中所述的传输光纤400完全相同，且所述传输光纤400a、400b性能要尽可能地接近一致。

本实施例中所述的光纤耦合器300是一种广义的光耦合装置。可采用2x2光纤耦合器。一束来自所述相位载波调制的激光光源100的光信号经过所述光纤耦合器300之后分别进入所述传输光纤400a、400b中。同时，来自所述光纤加速度传感器探头500，并通过传输光纤400a传输的反射光信号经过所述光纤耦合器300之后分别进入所述输入光纤100和输出光纤600中。通过所述传输光纤400b传输的反射光信号同样进入所述输入光纤100和输出光纤600，两束光在输出光纤600中发生干涉，并传输到光电探测器700中进行光电转换。

图4是本发明的基于相位载波调制的光纤加速度传感器系统的另一个实施例中的光纤加速度传感器探头的结构示意图。如图4所示，本实施例中所述的光纤加速度传感器探头500，包括：加速度检测结构510、背极板520和530、加速度传感器框架541、光纤传感头550和560。

所述加速度检测结构510包括检测质量块511、弹性振动膜512、支撑部件513和检测质量块上的反光膜区域516、517。其中所述检测质量块511位于加速度传感器探头500的中心位置，其边界与弹性振动膜512的内边界相连，弹性振动膜512的外边界与所述支撑部件513相连，并通过所述支撑部件513固定在所述传感器框架541上。所述弹性振动膜512围绕所述检测质量块511呈中心对称分布。

所述检测质量块和弹性部件可以采用传统电容式加速度传感器的质量块-弹簧结构，也可采用MEMS加速度传感器的质量块-弹性梁或质量块-弹性振动膜结构(包括有孔和无孔弹性振动膜)。

所述的反光膜区域516、517是指广义的反光材料制成的一小的圆形区域，直径为10～1000微米，一般制作在所述检测质量块511垂直于检测加速度方向的表面的中心位置，所述反光膜区域516、517分别位于检测质量块511的上下表面，并相对于其中心对称平面呈镜像对称分布。该反光膜区域516、517也可以是方形或别的形状的区域。所述的反光膜区域516、517一般采用金属铝或金膜。对于检测质量块本身就具有反光的情况(例如，有的检测质量块上本身就镀有一层铝膜)，可以不另外制作反光膜。

所述背极板520为一边界固定在传感器框架541上的刚性较大的板。所述背极板上520制作有特定大小和分布的阻尼孔521以调节阻尼。所述背极板520其中一面上制作有限位凸触522以防止过载和粘附。所述背极板520中心还制作有一透光通孔523，设置在所述检测质量块511上的反光膜区域516的尺寸大于透光通孔523的尺寸。

所述检测质量块511与背极板520上下平行，检测质量块511上反光区域膜516所在表面与背极板520上制作有限位凸触522的表面相对，其间形成空气隙542。所述透光孔523需完全正对所述反光膜区域516。

背极板530与背极板520结构完全相同，并相对称地关于检测质量块511设置。背极板530上的透光孔533必须完全正对检测质量块511上的反光膜区域517。背极板530与检测质量块511之间形成空气隙543。背极板520与传感器框架541之间形成声学腔544，背极板530与传感器框架541之间形成声学腔545。这样形成的背极板-阻尼孔-声学腔结构有利于调节系统的阻尼和Q值。

所述光纤传感头550包括斐索干涉腔支架551、梯度透镜552，以及尾纤554。所述斐索干涉腔支架551固定在所述背极板520未制作限位凸触的一面，构成一个圆柱形的斐索干涉腔555。所述的斐索干涉腔支架551一般为非金属材料制成(如有机玻璃、聚氯乙烯材料、陶瓷、玻璃等)，所述梯度透镜552固定在斐索干涉腔支架551上，其出射端面553与背极板520上的透光孔523以及检测质量块511上的反光膜区域516完全正对，且保证与反光膜区域516平行。出射端面553与反光膜区域516之间的距离，即斐索干涉腔555的长度，可以通过梯度透镜552在支架551上的位置来调节。该梯度透镜552通过尾纤554与传输光纤400a连接。

所述的梯度透镜552，也称为梯度折射率透镜，或称自聚焦镜，它可以将光纤内的传输光转变成准直光(平行光)，或将外界平行(近似平行)光耦合至单模光纤内。

所述的出射端面553上有一层增透膜，使来自光源的信号及反射光信号尽量透过出射端面。所述出射端面553上也可以不设置任何光学薄膜。所述的反光膜区域516用于反射来自所述梯度透镜552的光信号，此反射光信号又通过所述梯度透镜552耦合到光纤400a里，作为来自一个信号臂的传感信号。

所述光纤传感头560与光纤传感头550结构完全相同，并相对称地关于检测质量块511设置。光纤传感头560的斐索干涉腔支架561固定在所述背极板530未制作限位凸触的一面，梯度透镜562的出射端面563与检测质量块511表面上的反光膜区域517之间构成一个圆柱形的斐索干涉腔565，所述斐索干涉腔565与斐索干涉腔555的长度完全相同。所述梯度透镜562固定在斐索干涉腔支架561上，其出射端面563与背极板530上的透光孔533以及检测质量块511表面上的反光膜区域517完全正对，且保证与反光膜区域517平行。该梯度透镜通过尾纤564与传输光纤400b连接。所述光纤传感头560获得的反射光信号通过梯度透镜562耦合到传输光纤400b中，作为来自另一个信号臂的传感信号。

本实施例中的光纤加速度传感器采用差分方式工作。当传感器感受到外界加速度的作用时，光纤加速度传感器探头500中的质量块511向上或向下发生偏移，使得斐索干涉腔555和565的长度发生变化，分别对通过传输光纤400a和400b入射的激光进行相位调制。通过斐索干涉腔555调制的激光作为一个信号臂的传感信号输入传输光纤400a，通过斐索干涉腔565调制的激光作为另一个信号臂的传感信号输入传输光纤400b，二者经过光纤耦合器300耦合后进入输出光纤600发生干涉，并由光电探测器700转化为电信号，进入相位载波调制信号电子解调系统800中进行解调。

从本实施例给出的相位载波调制的光纤加速度传感器工作原理可知，本发明和本实施例并不限于某种特定的加速度传感器探头结构，例如可以采用传统电容式加速度传感器的质量块-弹簧结构，也可以采用MEMS加速度传感器的质量块-弹性梁或质量块-弹性振动膜(包括有孔和无孔弹性振动膜)结构。只要是将感受的加速度转化为检测质量块的位移，并在该检测质量块上制作有反光膜区域即可。

本实施例采用的差分光纤加速度传感器，在实施例1的基础上进一步提高了传感器的灵敏度和分辨率，降低了其灵敏度温度系数。

实施例4：

图5是本发明基于相位载波调制的光纤加速度传感器系统的又一个实施例中的光纤加速度传感器探头的结构示意图，尤其给出了所述光纤加速度传感器探头500的详细结构。

如图5所示，本实施例的光纤加速度传感器探头500包括加速度检测结构510、背极板520和530、加速度传感器框架541、光纤传感头550和560。

所述加速度检测结构510包括检测质量块511、弹性振动膜512、支撑部件513、检测质量块上的反光膜区域516、517，以及反光膜区域外围的驱动电极518、519。其中所述检测质量块511位于加速度传感器探头500的中心位置，其边界与弹性振动膜512的内边界相连，弹性振动膜512的外边界与所述支撑部件513相连，并通过所述支撑部件513固定在所述传感器框架541上。所述弹性振动膜512围绕所述检测质量块511呈中心对称分布。

所述检测质量块和弹性部件可以采用传统电容式加速度传感器的质量块-弹簧结构，也可采用MEMS加速度传感器的质量块-弹性梁或质量块-弹性振动膜结构(包括有孔和无孔弹性振动膜)。

所述的反光膜区域516、517是指广义的反光材料制成的一小的圆形区域，直径为10～1000微米，一般制作在所述检测质量块511垂直于检测加速度方向的表面的中心位置，所述反光膜区域516、517分别位于检测质量块511的上下表面，并相对于其中心对称平面呈镜像对称分布。该反光膜区域516、517也可以是方形或别的形状的区域。所述的反光膜区域516、517一般采用金属铝或金膜。对于检测质量块本身就具有反光的情况(例如，有的检测质量块上本身就镀有一层铝膜)，可以不另外制作反光膜。

所述驱动电极518位于所述检测质量块511的上表面，反光膜区域516的外围，其作用是为检测质量块511提供静电力，用于调节质量块的位置、引入力学反馈以及当过载粘附时提供一个反方向的电力实现过载恢复等功能。所述驱动电极519位于检测质量块511的下表面，并与驱动电极518相对于检测质量块511呈镜像对称分布。

所述背极板520为一边界固定在传感器框架541上的刚性较大的板。所述背极板520上制作有特定大小和分布的阻尼孔521以调节阻尼。所述背极板520其中一面上制作有限位凸触522以防止过载和粘附。所述背极板520中心还制作有一透光通孔523，设置在所述检测质量块511上的反光膜区域516的尺寸大于该透光通孔523的尺寸。所述背极板520与检测质量块511相对的表面上还制作有驱动电极524，它与检测质量块511上的驱动电极518构成驱动电极对，为检测质量块511提供静电力。

所述检测质量块511与背极板520上下平行，检测质量块511上反光区域膜516所在表面与背极板520上制作有限位凸触522的表面相对，其间形成空气隙542。所述透光孔523需完全正对所述反光膜区域516，所述驱动电极518和524需尽量正对。

背极板530与背极板520结构完全相同，并相对称地关于检测质量块511设置。背极板530上的透光孔533必须完全正对检测质量块511上的反光膜区域517，驱动电极534需与检测质量块511上的驱动电极519尽量正对。背极板530与检测质量块511之间形成空气隙543。背极板520与传感器框架541之间形成声学腔544，背极板530与传感器框架541之间形成声学腔545。这样形成的背极板-阻尼孔-声学腔结构有利于调节系统的阻尼和Q值。

所述光纤传感头550包括梯度透镜552及尾纤554。所述梯度透镜552固定于所述加速度传感器外壳顶盖上，梯度透镜552的出射端面553与检测质量块511上的反光膜区域516之间构成一个斐索干涉腔555。所述梯度透镜552的出射端面553与背极板520上的透光孔523以及检测质量块511上的反光膜区域516完全正对，且保证与反光膜区域516平行。出射端面553与反光膜区域516之间的距离，即斐索干涉腔555的长度，可以通过梯度透镜552在加速度传感器外壳顶盖上的位置来调节。该梯度透镜552通过尾纤554与传输光纤400a连接。

所述的梯度透镜552，也称为梯度折射率透镜，或称自聚焦镜，它可以将光纤内的传输光转变成准直光(平行光)，或将外界平行(近似平行)光耦合至单模光纤内。

所述的出射端面553上有一层增透膜，使来自光源的信号及反射光信号尽量透过出射端面。所述出射端面553上也可以不设置任何光学薄膜。所述的反光膜区域516用于反射来自所述梯度透镜552的光信号，此反射光信号又通过所述梯度透镜552耦合到光纤400a里，作为来自一个信号臂的传感信号。

所述光纤传感头560与光纤传感头550结构完全相同，并相对称地关于检测质量块511设置。所述梯度透镜562固定于所述加速度传感器外壳底盖上，所形成的斐索干涉腔565与斐索干涉腔555的长度完全相同。所述梯度透镜562的出射端面563与背极板530上的透光孔533以及检测质量块511上的反光膜区域517完全正对，且保证与反光膜区域517平行。该梯度透镜通过尾纤564与传输光纤400b连接。所述光纤传感头560获得的反射光信号通过梯度透镜562耦合到传输光纤400b中，作为来自另一个信号臂的传感信号。

该光纤加速度传感器工作时，在所述相位载波调制信号电子解调系统800中需要增加反馈控制电路模块，并通过该模块与光纤加速度传感器探头500上的驱动电极518、519、524、534进行连接。所述相位载波调制信号电子解调系统800在进行解调的同时，根据接收到的信号幅度，产生与其成比例的电压反馈信号输入到电极518、519、524、534上。

本实施例提供的一种带反馈的差分式光纤加速度传感器，在原有光纤加速度传感器的基础上能够进一步调节系统参数，提高其灵敏度和动态范围。并且，本实施例提供的一种带反馈的差分式光纤加速度传感器的梯度透镜固定于加速度传感器外壳上，可以简化系统结构。

实施例5：

图6是本发明的基于相位载波调制的光纤加速度传感器系统的又一个实施例中的光纤加速度传感器探头的结构示意图，尤其给出了所述光纤加速度传感器探头500的详细结构。

如图6所示，本实施例中提供的光纤加速度传感器探头500为基于MEMS工艺的单晶硅加速度传感器探头，包括单晶硅加速度检测结构510、印制电路背极板520和530、加速度传感器框架541、光纤传感头550和560。

所述加速度检测结构510为一单晶(100)取向硅片，经过高温氧化、光刻图形化、去热氧、体刻蚀等MEMS工艺步骤制得。

所述单晶硅支撑结构513仰视图为圆环形，用于支撑加速度检测结构并与印制电路背极板520、530贴合，其厚度约与所述单晶(100)取向硅片相同。

所述单晶硅弹性振动膜512仰视图为圆环形，单晶硅加速度检测质量块511仰视图为圆形，二者由所述单晶(100)取向硅片经过体刻蚀加工而成。单晶硅加速度检测质量块511与所述单晶硅弹性振动膜512具有相同的几何中心，单晶硅弹性振动膜512的外边界与所述单晶硅支撑结构513的内边界相连，内边界与所述单晶硅加速度检测质量块511的外边界相连。

另外，所述单晶硅支撑结构513、单晶硅弹性振动膜512和单晶硅加速度检测质量块511的仰视图也可为矩形、正方形、正六边形等其他形状，本领域的技术人员可以根据设计需要和工艺条件进行选择。

由于双面体刻蚀加工的原因，所述加速度检测结构510以厚度方向的中心平面镜像对称。其中，所述单晶硅支撑结构513的厚度约等于所述单晶(100)取向硅片的厚度。所述单晶硅加速度检测质量块511的厚度较所述单晶(100)取向硅片的厚度薄，其上下表面与所述单晶硅支撑结构513的上下表面的垂直距离各约为2～100微米。所述单晶硅弹性振动膜512的厚度为5～500微米。上述距离和厚度也可以根据结构设计需要进行调整。

所述加速度检测结构510的单晶硅检测质量块上还形成反光膜区域516、517，以及反光膜区域外围的驱动电极518、519。也可以在所述加速度检测结构510上镀上一层铝膜，形成所述反光膜区域516、517和所述驱动电极518、519。

所述印制电路背极板520为一刚度较大的印制电路板。所述背极板520上制作有一定数量及分布的阻尼孔521，在背极板520的中心位置打有透光通孔523。在背极板520下表面制作有限位凸触522，并镀有驱动电极524，该电极与贯穿背极板520的过孔525连接。过孔525的另一端连接到背极板520上表面的引线及焊盘526，用以接受驱动电压。

背极板520上的过孔528结构与过孔525完全相同，它连接下表面上的电极527，并进一步与单晶硅加速度检测结构510上的驱动电极518、519电学连通，它的另一端位于上表面，连接引线及焊盘529，以便为驱动电极518、519提供驱动电压。

所述电极524、527的形状和面积，所述阻尼孔521的形状、大小和分布，所述限位凸触522的形状、尺寸和高度，所述过孔525、528的大小，均可由本领域技术人员根据需要进行设计。

所述检测质量块511与背极板520上下平行，检测质量块511上反光区域膜516所在表面与背极板520上制作有限位凸触522的表面相对，其间形成2～100微米的空气隙542。所述透光孔523需完全正对所述反光膜区域516，所述驱动电极518和524需尽量正对。

背极板530与背极板520结构完全相同，并相对称地关于检测质量块511设置。背极板530上的驱动电极534与检测质量块上的驱动电极519需尽量正对。背极板530与检测质量块511之间形成空气隙543。背极板520与传感器框架541之间形成声学腔544，背极板530与传感器框架541之间形成声学腔545。这样形成的背极板-阻尼孔-声学腔结构有利于调节系统的阻尼和Q值。

所述光纤传感头550包括斐索干涉腔支架551、梯度透镜552，以及尾纤554。所述斐索干涉腔支架551固定在所述印制电路背极板520未制作限位凸触的一面，构成一个圆柱形的斐索干涉腔555。所述的斐索干涉腔支架551一般为非金属材料制成(如有机玻璃、聚氯乙烯材料、陶瓷、玻璃等)，所述梯度透镜552固定在斐索干涉腔支架551上，其出射端面553与背极板520上的透光孔523以及检测质量块511上的反光膜区域516完全正对，且保证与反光膜区域516平行。出射端面553与反光膜区域516之间的距离，即斐索干涉腔555的长度，可以通过梯度透镜552在支架551上的位置来调节。该梯度透镜552通过尾纤554与传输光纤400a连接。

所述的梯度透镜552，也称为梯度折射率透镜，或称自聚焦镜，它可以将光纤内的传输光转变成准直光(平行光)，或将外界平行(近似平行)光耦合至单模光纤内。

所述的出射端面553上有一层增透膜，使来自光源的信号及反射光信号尽量透过出射端面。所述出射端面553上也可以不设置任何光学薄膜。所述的反光膜区域516用于反射来自所述梯度透镜552的光信号，此反射光信号又通过所述梯度透镜552耦合到光纤400a里，作为来自一个信号臂的传感信号。

所述光纤传感头560与光纤传感头550结构完全相同，并相对称地关于检测质量块511设置。光纤传感头560的斐索干涉腔支架561固定在所述背极板530未制作限位凸触的一面，构成一个圆柱形的斐索干涉腔565，所述斐索干涉腔565与斐索干涉腔555的长度完全相同。所述梯度透镜562固定在斐索干涉腔支架561上，其出射端面563与背极板530上的透光孔533以及检测质量块511上的反光膜区域517完全正对，且保证与反光膜区域517平行。该梯度透镜通过尾纤564与传输光纤400b连接。所述光纤传感头560获得的反射光信号通过梯度透镜562耦合到传输光纤400b中，作为来自另一个信号臂的传感信号。

本实施例提供的一种基于MEMS技术的单晶硅带反馈的差分式光纤加速度传感器，采用MEMS工艺制作加速度传感器检测结构，具有结构和制作工艺简单，参数容易精确控制、可以进一步优化和提高性能的优点。

实施例6：

本实施例给出了一种本发明的基于相位载波调制的光纤加速度传感器系统的又一个实施例的全MEMS工艺制造的所述光纤加速度传感器探头500的详细结构。

本实施例提供的带声学腔的基于MEMS工艺的加速度传感器，其结构与实施例5提供的加速度传感器结构类似。其中，单晶硅加速度检测结构完全相同。只是背极板材料从印制电路板变为玻璃板(如Pyrex玻璃)。所述玻璃板厚度为300～1000微米，通过超声打孔工艺在玻璃板上形成阻尼通孔及透光孔，通过电镀工艺在玻璃板上形成过孔电极，通过蒸镀或溅射工艺在玻璃板上形成引线、焊盘及驱动电极。通过lift-off工艺在玻璃板上形成限位凸触。

背极板制备完成后，可将所述光纤传感头550、560通过MEMS键合工艺固定在所述玻璃背极板520、530上，再进一步通过阳极键合工艺将背极板520、530与加速度检测结构510键合起来。

所述打孔、形成过孔电极、形成限位凸触及键合工艺不限于本实施例提到的工艺，本领域的技术人员也可以通过其他工艺实现相同的结构。

采用本实施例提供的加速度传感器探头结构的加速度传感器，完全采用MEMS加工工艺制作，可以进一步提高灵敏度，减小传感器体积，实现与后续电路的集成，并可以实现小型化。

Claims (10)

1.一种光纤加速度传感器探头，其特征在于，包括：加速度检测结构、至少一片背极板、加速度传感器框架以及至少一个光纤传感头，

所述加速度检测结构位于加速度传感器探头的中心位置，其构成包括：检测质量块、位于检测质量块周围的弹性部件和支撑部件，所述检测质量块位于整个加速度检测结构的中心位置，所述弹性部件两端分别与所述检测质量块及所述支撑部件连接，所述弹性部件为弹簧、连续的膜、带孔的膜或多个弹性梁，且围绕所述检测质量块呈中心对称分布，所述支撑部件用于支撑所述加速度检测结构并将其固定于所述加速度传感器框架上；

所述检测质量块与所述背极板上下平行，其间形成空气隙，并且在与所述背极板相对一侧的检测质量块的表面上制作有反光膜区域，该反光膜区域位于检测质量块的中心位置或者覆盖整个检测质量块的表面；

所述背极板为边界固定在所述加速度传感器框架上的刚性较大的板，所述背极板上制作有特定大小和分布的阻尼孔以调节阻尼，所述背极板其中一面上制作有限位凸触以防止过载和粘附，另外，所述背极板的中心还制作有透光孔以透过入射及反射的激光；所述背极板与加速度传感器框架之间形成声学腔，该声学腔为一个空腔或者二个连通或不连通的空腔，用于形成流动气体回路，改善系统频率响应；所述检测质量块上的反光膜区域与背极板上的透光孔正对，且反光膜区域的尺寸大于透光孔尺寸；

所述光纤传感头包括梯度透镜和尾纤，所述尾纤安装在梯度透镜的尾部，所述梯度透镜安装在所述加速度传感器框架上，或者安装在另外增加的斐索干涉腔支架上，安装时使所述梯度透镜的出射端面与背极板上的透光孔以及检测质量块上的反光膜区域正对，且保证出射端面与反光膜区域平行，通过该反光膜区域将通过所述梯度透镜入射的激光反射回去，从而对入射光的相位进行调制，所述梯度透镜出射面和所述反光膜区域之间构成一个柱形斐索干涉腔。

2.如权利要求1所述的光纤加速度传感器探头，其特征在于，

所述背极板具有两片，且两片背极板相对于所述检测质量块上下对称设置，两片背极板的结构相同，其上制作有阻尼孔、限位凸触以及透光孔，两片背极板分别与所述加速度传感器框架之间形成上下两个声学腔，与所述检测质量块之间形成上下两个空气隙，由此形成背极板-阻尼孔-声学腔结构以调节系统的阻尼和Q值；

所述检测质量块的上下表面上均设有反光膜区域，并相对于检测质量块呈镜像对称分布；

所述光纤传感头具有两个，且结构完全相同，并相对称地关于检测质量块设置在所述加速度传感器框架上，或者设置在另外增加的斐索干涉腔支架上，并使所述梯度透镜的出射端面与背极板上的透光孔以及检测质量块上的反光膜区域正对，且保证平行，上下两个光纤传感头的梯度透镜出射面与相应反光膜区域之间形成的上下两个斐索干涉腔的长度完全相同。

3.如权利要求1所述的光纤加速度传感器探头，其特征在于，

所述加速度检测结构还包括驱动电极，设置在所述检测质量块的一个或者上下两个表面的反光膜区域外围，若在检测质量块的上下表面均有设置时，则两个驱动电极相对于所述检测质量块呈镜像对称分布，

所述背极板具有两片，在所述背极板的与检测质量块相对的表面上也制作有驱动电极，与所述检测质量块上的驱动电极尽量正对以构成驱动电极对，为检测质量块提供静电力，用于调节质量块的位置、引入力学反馈以及当过载粘附时提供一个反方向的电力实现过载恢复，

所述光纤传感头具有一个或者两个，设置在所述加速度传感器框架上，或者设置在另外增加的斐索干涉腔支架上，并使所述梯度透镜的出射端面与背极板上的透光孔以及检测质量块上的反光膜区域正对，且保证出射端面与反光膜区域平行；当设置有两个光纤传感头时，相对称地关于检测质量块进行设置，且上下两个光纤传感头的梯度透镜出射面与所述反光膜区域之间形成的上下两个斐索干涉腔的长度完全相同。

4.如权利要求1～3中任意一项所述的光纤加速度传感器探头，其特征在于，设置在检测质量块上的反光膜区域为圆形、方形或其他任意形状，其材料采用包括铝膜和金膜在内的任意反光薄膜。

5.如权利要求1～3中任意一项所述的光纤加速度传感器探头，其特征在于，

当设置有两个所述光纤传感头时，在所述梯度透镜的出射端面上设有一层增透膜，使来自光源的信号及反射光信号尽量透过出射端面；

当设置有一个所述光纤传感头时，在所述梯度透镜的出射端面上镀有一层反射膜，将入射光的一部分反射回所述尾纤中。

6.如权利要求1～3中任意一项所述的光纤加速度传感器探头，其特征在于，所述加速度检测结构采用一单晶取向硅片，经过包括高温氧化、光刻图形化、去热氧以及体刻蚀的MEMS工艺步骤制得，

该单晶硅加速度检测结构包括：单晶硅支撑结构、单晶硅弹性振动膜以及单晶硅加速度检测质量块三个部分，其中，单晶硅加速度检测质量块与所述单晶硅弹性振动膜具有相同的几何中心，二者由所述单晶取向硅片经过体刻蚀加工而成，所述单晶硅弹性振动膜的内边界与所述单晶硅加速度检测质量块的外边界相连，单晶硅弹性振动膜的外边界与所述单晶硅支撑结构的内边界相连，所述单晶硅支撑结构用于支撑加速度检测结构并与背极板贴合；

所述单晶硅支撑结构、单晶硅弹性振动膜和单晶硅加速度检测质量块的仰视图为包括圆形、矩形、正方形、正六边形的任意形状；

该单晶硅加速度检测结构以厚度方向的中心平面镜像对称，其中，所述单晶硅支撑结构的厚度等于所述单晶取向硅片的厚度，所述单晶硅加速度检测质量块的厚度较所述单晶取向硅片的厚度薄，其上下表面与所述单晶硅支撑结构的上下表面的垂直距离各约为2～100微米，所述单晶硅弹性振动膜的厚度为5～500微米。

7.如权利要求1～3中任意一项所述的光纤加速度传感器探头，其特征在于，所述背极板的材料为印制电路板、硅片或者玻璃板。

8.如权利要求7所述的光纤加速度传感器探头，其特征在于，所述玻璃板为Pyrex玻璃，厚度为300～1000微米，通过超声打孔工艺在玻璃板上形成阻尼通孔及透光孔，通过电镀工艺在玻璃板上形成过孔电极，通过蒸镀或溅射工艺在玻璃板上形成引线、焊盘及驱动电极，通过lift-off工艺在玻璃板上形成限位凸触，背极板制备完成后，可将所述光纤传感头通过MEMS键合工艺固定在所述玻璃背极板上，再进一步通过阳极键合工艺将背极板与加速度检测结构键合起来。

9.一种光纤加速度传感器系统，其特征在于，是基于相位载波调制的光纤加速度传感器系统，包括：激光光源、光纤、光纤耦合器、加速度传感器探头、光电探测器以及相位载波调制信号电子解调系统，

其中，所述激光光源是一种相位载波调制的激光光源，包括至少一个半导体激光器和一个产生调制电流的振荡器，在额定的发光功率范围内，所述半导体激光器输出的激光光频随调制电流线性变化；

所述光纤用于光信号的低损耗传输，包括：输入光纤、传输光纤以及输出光纤，均为单模光纤，是保偏单模光纤或者是非保偏的单模光纤；

所述光纤耦合器，通过所述输入光纤与所述相位载波调制的激光光源连接，通过所述传输光纤与所述加速度传感器探头连接，并通过所述输出光纤与所述光电探测器连接，将来自所述激光光源的光信号耦合到所述传输光纤中，并将来自所述光纤加速度传感器探头的反射光信号耦合到所述输出光纤中；

所述加速度传感器探头，具有所述权利要求1～8中任意一项所述的加速度传感器探头结构，并通过连接在所述梯度透镜尾部的尾纤与所述传输光纤连接；

所述光电探测器，是由PIN光电二极管组成的光电转换电路，将接收到的来自所述光纤耦合器的光信号转换成与光强度成正比的电信号，并将该电信号传送给所述相位载波调制信号电子解调系统，其与所述相位载波调制信号电子解调系统通过电线或电缆连接；

所述相位载波调制信号电子解调系统，是一种将载波调制信号中的相应加速度信号解调出来的电子信号处理系统，将来自所述光电探测器的电信号中对应于加速度值的电信号解调出来，其解调方式包括：模拟电子电路解调方案和数字信号处理DSP解调方案。

10.如权利要求9所述的光纤加速度传感器系统，其特征在于，所述光纤耦合器是将注入光束分成光强相等的两束光的耦合器，当所述加速度传感器探头中使用一个光纤传感头时，所述光纤耦合器分出的两束光只有一束进入传感器探头，另一束放弃不用；当所述加速度传感器探头中使用两个光纤传感头时，所述光纤耦合器分出的两束光分别进入两个光纤传感头，两束光实现差动式的检测。

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