CN101833016A - 基于熔嵌芯式双芯保偏光纤的微加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于熔嵌芯式双芯保偏光纤的微加速度传感器。光源发出的光经过环形器后，由环形器的第一输出端口进入单芯保偏单模光纤，之后经保偏光纤耦合器耦合输入到双芯保偏光纤，最后进入由双芯保偏光纤构成的速度传感探头，经速度传感探头反射装置反射后按原路返回，经保偏光纤耦合器后通过环形器的第二输出端口出射，由探测器接收探测。本发明利用双芯Michelson干涉仪结构实现了加速度测量，有利于传感器小型化，集成化；利用保偏光纤构成迈克尔逊干涉仪，可以解决传统加速度计传感器因偏振态随机变化引起的稳定性问题；制作保偏光纤耦合器的方法简单易行，成品率高。

Description

基于熔嵌芯式双芯保偏光纤的微加速度传感器

技术领域

本发明涉及的是一种光纤加速度传感器，特别是一种微加速度传感器。

背景技术

加速度的测量，在许多领域都有广泛的应用。随着使用范围的不断扩大，要求传感器体积更小巧、测量精确度和可靠性更高并向智能化的方向发展。由于科学技术的高速发展，对传感器的精度、稳定性及体积小型化的要求越来越高，相位调制型光纤传感器是目前研究和开发的主要对象之一。相位调制型传感器是物理微扰与光纤干涉仪的某一干涉臂或两干涉臂相作用，对光纤中光波的相位进行调制，而干涉仪的输出是与相位差成一定关系的光强信号。

迈克尔逊干涉仪则是相位调制型干涉仪的经典结构之一。但目前为止多数结构集成度仍不高，如美国专利US 20040149037 A1，US 5420688，US 4893930，中国专利“顺变柱体全光纤双光路加速度地震检波器”(CN 2599600Y)和“全光纤加速度地震检波器”(CN 2594809Y)。中国专利“双芯光纤集成式加速度计及测量方法”(公开号CN101368978)通过CCD来测量双芯光纤透射干涉条纹的变化来测量加速度，集成度大大提高，但对CCD的像素要求很高。上述专利中所述的光纤及器件均为非保偏光纤及器件，光波在普通低双折射单模光纤中传输时偏振态的随机变化导致干涉信号的不稳定是至今难以有效克服的难题之一。一般由低双折射光纤做成的双束光纤干涉仪都无法避免由于光纤中光波偏振态随机变化引起的检测信号随机衰落。特别当光纤中两传感臂偏振态正交时，干涉仪的输出干涉信号为零。在相位调制型光纤传感器中，为减小光纤本身的相位和偏振态的扰动，应采用单模保偏光纤，为使干涉光强的对比度最佳，要求信号臂和参考臂中的光波必须同相偏振。利用保偏光纤的系统要求利用保偏光纤耦合器，传统保偏光纤耦合器多数利用是熔融拉锥法，即将两根光纤中部长约20mm部分的涂覆层剥去，清洗干净，显微镜对轴，然后采用紫外胶固定，再置于专用微火炬上进行熔融拉锥，使两根光纤侧面融合在一起，形成一双锥体，实现光的横向耦合，最后手工封装，形成耦合器。由于手工操作，对操作的人技术要求很高、速度慢、产量低、成品率低、器件性能的一致性差，因此产品价格高。胡永明等提出了利用保偏光纤的加速度计(中国激光，2005，32(10)：1382)，但其集成度不够。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有利于传感器小型化、集成化，稳定性好，容易制造的基于熔嵌芯式双芯保偏光纤的微加速度传感器。

本发明的目的是这样实现的：

由光源、环形器、单芯保偏单模光纤、保偏光纤耦合器、双芯保偏光纤、加速度传感探头、探测器连接组成；光源发出的光经过环形器后，由环形器的第一输出端口进入单芯保偏单模光纤，之后经保偏光纤耦合器耦合输入到双芯保偏光纤，最后进入由双芯保偏光纤构成的速度传感探头，经速度传感探头反射装置反射后按原路返回，经保偏光纤耦合器后通过环形器的第二输出端口出射，由探测器接收探测；所述的保偏光纤耦合器由单芯保偏光纤和双芯保偏光纤耦合而成；所述的光纤传感探头是中心为空气孔的熔嵌芯式双芯保偏光纤构成的迈克尔逊干涉仪构成的传感探头。

本发明还可以包括：

1、所述的光源是相干长度较长的单色光源。

2、所述的双芯保偏光纤是熔嵌芯式双芯保偏光纤，每个保偏芯均是单模保偏纤芯，每个纤芯是圆形或是椭圆形纤芯，两个纤芯偏振主轴方向相同。

3、所述的光纤传感探头是悬臂梁式结构，质量块通过环氧树脂与双芯保偏光纤近反射端连接固定，双芯保偏光纤与外部壳体刚性连接。

4、光纤偏振耦合器置于光纤传感探头的外部壳体内。以利于减小外界微扰的影响。

5、所述的纤传感探头的反射装置是反射镜，或是在质量块位置处的两个纤芯中写入具有与光源波长相同反射波长的光纤光栅结构，或是由光纤端面镀膜构成的反射端面。

本发明为了解决在制作全光纤加速度仪时，由于单模光纤极化引起的全光纤干涉仪的偏振态的衰减等技术难点，同时为了解决传感器的稳定性提高与成本之间的矛盾，简化保偏光纤耦合器的制备工艺，提出了一种集成式熔嵌芯式双芯保偏光纤的微加速度传感器。

加速度工作原理描述如下：

光源发出的光经过环形器后，由环形器的第一个输出端口进入单芯保偏单模光纤，之后利用保偏光纤耦合器耦合输入到熔嵌芯式双芯保偏光纤，最后进入由双芯保偏光纤构成的迈克耳逊干涉传感头，经反射装置反射后按原路返回，两路反射光在保偏光纤耦合器处进行干涉，干涉信号经保偏光纤耦合器后通过环形器第二个输出端口出射，由探测器接受探测。当外界施加一定大小的加速度作用到壳体上时，由于惯性密封在传感探头内的质量块将感知这一加速度，从而导致悬臂梁偏转，光纤将发生弯曲，发生干涉的两臂光程会产生变化，从而导致干涉条纹变化，通过干涉条纹的变化感知外界加速度，实现加速度的测量。

本发明的优势在于：1.利用双芯Michelson干涉仪结构实现了加速度测量，有利于传感器小型化，集成化。2.利用保偏光纤构成迈克尔逊干涉仪，可以解决传统加速度计传感器因偏振态随机变化引起的稳定性问题。3.本发明制作保偏光纤耦合器的方法简单易行，成品率高。

附图说明

图1为本发明基于熔嵌芯式双芯保偏光纤的微加速度传感器系统结构图；

图2为本发明基于熔嵌芯式双芯保偏光纤截面图；

图3(a)-图3(c)为本发明光纤偏振耦合器制作示意图；

图4为本发明双芯光纤加速度计探头内部结构图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

图2为本发明基于熔嵌芯式双芯保偏光纤截面图；两个纤芯8具有相同的偏振主轴方向，光纤中心为空气孔10，两个纤芯8对称的嵌在包层9内壁，每个纤芯8部分在包层中部分裸露在空气孔10中。

图1为本发明基于熔嵌芯式双芯保偏光纤的微加速度传感器系统结构图，光源1发出的光经过环形器2后，由环形器的第一个输出端口进入单芯保偏单模光纤3，之后利用保偏光纤耦合器4耦合输入到熔嵌芯式双芯保偏光纤5，最后进入由双芯保偏光纤构成的迈克耳逊干涉传感头6，经迈克尔逊干涉仪反射装置反射后按原路返回，经保偏光纤耦合器4后通过环形器第二个输出端口出射，由探测器7接受探测。其中保偏光纤耦合器4的制备如图3所示，将单芯保偏光纤3与双芯光纤5的涂覆层剥去一段，清洗干净后使用保偏光纤熔接机在两光纤相对处11直接对接熔合，利用显微镜进行对轴，对接时单芯光纤3和双芯光纤5的偏振主轴方向相同，熔接过程中熔嵌式中空双芯保偏光纤焊点处的空气腔会塌陷，形成实心结构12，两个纤芯侧面融合在一起，直接完成光功率的重新分配；但直接焊接因两光纤光场不匹配会产生较大的损耗，且需要两根光纤焊接时严格对准才能实现3dB的功能；所以可以利用拉锥技术来解决，即利用热熔式拉锥机将熔合后的光纤在焊点处进行加热拉锥，使光纤变细，形成一双锥体，实现光的横向耦合，在焊点处形成的准锥形光纤锥13结构，则构成了保偏光纤耦合器4，拉锥后要进行封装保护。加速度传感探头6的内部结构如图4所示，将质量块14固定于接近双芯光纤5的末端，光纤末端利用镀膜技术镀制反射端面15，质量块14用于感知外界加速度的变化，将双芯保偏光纤5与外部壳体16上端刚性连接，进而构成加速度传感探头。

Claims (6)

1.一种基于熔嵌芯式双芯保偏光纤的微加速度传感器，由光源、环形器、单芯保偏单模光纤、保偏光纤耦合器、双芯保偏光纤、加速度传感探头、探测器连接组成；其特征是：光源发出的光经过环形器后，由环形器的第一输出端口进入单芯保偏单模光纤，之后经保偏光纤耦合器耦合输入到双芯保偏光纤，最后进入由双芯保偏光纤构成的速度传感探头，经速度传感探头反射装置反射后按原路返回，经保偏光纤耦合器后通过环形器的第二输出端口出射，由探测器接收探测；所述的保偏光纤耦合器由单芯保偏光纤和双芯保偏光纤耦合而成；所述的光纤传感探头是中心为空气孔的熔嵌芯式双芯保偏光纤构成的迈克尔逊干涉仪构成的传感探头。

2.根据权利要求1所述的基于熔嵌芯式双芯保偏光纤的微加速度传感器，其特征是：所述的光源是相干长度较长的单色光源。

3.根据权利要求2所述的基于熔嵌芯式双芯保偏光纤的微加速度传感器，其特征是：所述的双芯保偏光纤是熔嵌芯式双芯保偏光纤，每个保偏芯均是单模保偏纤芯，每个纤芯是圆形或是椭圆形纤芯，两个纤芯偏振主轴方向相同。

4.根据权利要求3所述的基于熔嵌芯式双芯保偏光纤的微加速度传感器，其特征是：所述的光纤传感探头是悬臂梁式结构，质量块通过环氧树脂与双芯保偏光纤近反射端连接固定，双芯保偏光纤与外部壳体刚性连接。

5.根据权利要求4所述的基于熔嵌芯式双芯保偏光纤的微加速度传感器，其特征是：光纤偏振耦合器置于光纤传感探头的外部壳体内。

6.根据权利要求5所述的基于熔嵌芯式双芯保偏光纤的微加速度传感器，其特征是：所述的纤传感探头的反射装置是反射镜，或是在质量块位置处的两个纤芯中写入具有与光源波长相同反射波长的光纤光栅结构，或是由光纤端面镀膜构成的反射端面。

Images