CN101858926A - 基于四芯光纤的集成式二维光纤微加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是基于四芯光纤的集成式二维光纤微加速度计。它由1310nm与1550nm波长的光源、波分复用器、环形器、单芯光纤、光纤传感探头和双检测器连接组成；光纤探头包括一根四芯光纤、外部壳体、质量块和支架，每一纤芯都刻有作为反射镜的光纤光栅作，正交的两个光纤光栅对的谐振波长分别为1310nm和1550nm，单芯光纤与四芯光纤间利用光纤耦合器进行连接，单芯光纤与壳体刚性连接，质量块与四芯光纤连接固定，质量块固定于四个光纤光栅位置处，四芯光纤通过支架与外部壳体固定。本发明利于传感器小型化，集成化；可以实现二维方向的加速度测量；制作方法简单，方便，可行；可达到温度补偿的目的。

Description

基于四芯光纤的集成式二维光纤微加速度计

技术领域

本发明涉及的是一种光纤加速度计，特别是一种基于四芯光纤的集成式二维光纤微加速度计。

背景技术

加速度计是军械、车辆、船舶等抗冲击、抗振动测量，地震检测，惯性导航与制导系统中常用的重要传感器，其基本原理是：在惯性空间设置一质量块，以感知被测件作加速度运动时产生的惯性力或位移，测量出此惯性力或位移即可测量出相应的加速度。传统加速度计采用机电方法测量质量块的惯性力或位移，光纤加速计则采用光纤传感技术测量质量块的惯性力或位移。后者与前者相比，不但具有抗电磁干扰的独特优点，而且体小质轻，动态范围宽，精度高，能在恶劣环境下工作，易于远距离组网探测，特别适用于要求高性能加速度传感的领域，因此倍受发达国家军事与商业领域的青睐，各种可实用的光纤加速度传感器不断涌现。

光纤加速度传感器的发展至今也有数十年的历史了，目前光纤加速度计在原理上主要有三大类：光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。传统干涉型即相位调制型光纤加速度传感器常用的调制手段是Mach-Zehnder和Michelson结构，含有两臂，一臂为参考臂，一臂为传感臂，光经过两臂形成干涉，受力时干涉相位发生变化，进而测得待测量。但该方法目前很难把多维的信息提取出来，无法解决多维方向的加速度测量。美国专利US 20090196543A1提供的加速度结构要想实现多维测量也需要多个传感器，集成度也不高。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。而带有光纤光栅结构的加速度传感器，多数是光栅作为传感单元的波长调制型(如中国专利CN 101285845A、CN 101285846A、CN 101344533A、CN 2784933Y，美国专利US 20060236762A1)。Tuan Guo(OPTICS EXPRESS，2009，17(23)：20651)等提出了集成于一根光纤的基于倾斜光纤光栅的干涉型加速计，是系统集成度提高，但仅适合低维测量。中国专利“光纤光栅三维加速度振动传感器”(公开号CN 101210937A)和美国专利US 20060219009A1是利用三根光栅来实现三维加速度测量，该方法设计的探头结构过于复杂，不利于实际利用。Amanda Fender等报道了波长调制型四芯光纤光栅式加速度传感器，光纤光栅作为传感器件，但波长调制型传感器一般采用宽带光源，利用传感部分的选频特性来调制出射光的波长，从而得到被测物理量的大小。但是光谱的变化占用了很宽的信道，且一般需要光谱仪来解调，因此传感头和解调的费用都很高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，可以实现二维方向的加速度测量，精度高的基于四芯光纤的集成式二维光纤微加速度计。

本发明的目的是这样实现的：

它由1310nm波长的光源、1550nm波长的光源、波分复用器(WDM)、环形器、单芯光纤、光纤传感探头和双检测器连接组成；所述的光纤探头包括一根由四个纤芯互成90度对称分布在光纤包层中构成的四芯光纤、外部壳体、质量块和支架，每一纤芯都刻有作为反射镜的光纤光栅作，正交的两个光纤光栅对的谐振波长分别为1310nm和1550nm，四个纤芯构成双Michelson干涉仪，单芯光纤与四芯光纤间利用光纤耦合器进行连接，单芯光纤与外部壳体刚性连接，质量块与四芯光纤连接固定，质量块固定于四个光纤光栅位置处，四芯光纤通过支架与外部壳体固定。

所述的四芯光纤的四个纤芯的纤芯之间具有一定间距，四个纤芯折射率和几何参数完全相同或正对着的两根纤芯折射率和几何参数相同。

所述的四芯光纤是保偏光纤，相对着的两个纤芯保偏方向相同，另两个纤芯保偏方向相同且与之正交。

所述的单芯光纤与四芯光纤间利用光纤耦合器进行连接，是单芯光纤和四芯光纤利用光纤熔接机对接熔合，然后利用拉锥机将熔合后的光纤在焊点处进行加热拉锥，在焊点处形成准锥形光纤锥构成光纤耦合器实现连接。

所述的双检测器是分别是具有1310和1550nm的不同波长的检测器，其通过波分复用器与环形器相连。

所述的四芯光纤的四个纤芯对称分布在包层中，纤芯间距较大彼此互不干扰。

所述的光纤传感探头四芯光纤的光纤光栅是利用相位掩膜和振幅掩膜相结合的方法进行制备，将四个纤芯中相对着的两个纤芯平行于掩模板放置，紫外光经透镜聚焦后先经制备1310nm光栅的相位掩模板衍射成平行的亮暗条纹后，经过振幅掩模板后照射在四芯光纤上，写入一对光栅，然后将光纤旋转90度，调换另一制备1550nm光栅的相位掩模板，写入下一对光栅。

所述的振幅掩模板是5个纤芯宽左右的窄金属薄片，或是具有两条矩形镂空的振幅掩模板，矩形宽度为光纤芯直径2-4倍左右，两矩形间距为相对着的两个纤芯的间距，镂空矩形间的掩模板的作用是防止刻入一对光栅时引起另一对光纤纤芯折射率的改变。

本发明的优势在于：1.利用四芯Michelson干涉仪结构实现了加速度测量，利于传感器小型化，集成化。2.本发明利用光纤光栅进行选频反射对光源单色性要求较低，两组不同波长的光纤光栅对可以实现二维方向的加速度测量。3.双光栅对传感探头制作方法简单，方便，可行。4.两只光纤光栅参数相同，温度变化引起的波长改变量可以相互抵消，达到了温度补偿的目的。

附图说明

图1为本发明四芯加速度计的系统结构图；

图2为本发明光纤加速度计探头结构图；

图3为本发明单芯光纤和四芯光纤熔接拉锥示意图；

图4本发明四芯光纤横截面结构图；

图5本发光纤光栅制备结构图。

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1为本发明四芯加速度计的系统结构图，1310nm的光源1和1550nm的光源2经过波分复用器3后连接环形器4输入端，环形器4第一个输出端口与单芯单模光纤5连接，单芯光纤5与光纤传感探头6连接，1310nm和1550nm探测器7、8通过另一个波分复用器3与环形器4另一端口连接。

光纤传感探头6的结构和制作过程如下描述：

图4给出了本发明的四芯光纤的横截面结构图；纤芯20-23对称的分布于光纤包层19中。首先结合图5制备两对光纤光栅对，将四芯光纤9相对着的两根纤芯20、21所成平面调成平行于振幅掩模板27放置，振幅掩模板两个镂空矩形平行于纤芯方向且将两个纤芯20、21的位置露出，紫外光24经透镜25聚焦后先经过制备1310nm光栅的相位掩模板26衍射成平行的亮暗条纹后，再次经过振幅掩模板27后照射在四芯光纤上，写入一对光栅11、12，然后将光纤旋转90度，调换制备1550nm光栅的相位掩模板，在纤芯22、23上写入下一对光栅13、14。光栅写入完成后制作传感探头6，将质量块15固定于两个光栅对处，质量块15用于感知外界加速度的变化，将四芯光纤9与单芯光纤5利用光纤熔接机对接熔合，利用拉锥机将熔合后的光纤在焊点处进行加热拉锥，在焊点处形成准锥形光纤锥18构成光纤耦合器10。单芯光纤5与外部壳体16刚性连接，四芯光纤9利用支架17进行固定。完成整个光纤传感探头的制作。

加速度工作原理描述如下：

1310nm的光源1和1550nm的光源2发出的光经波分复用器3复用后进入光环形器4，通过光环形器4的输出端进入单模光纤5后，通过耦合器10进入四芯光纤构成的传感头6中，因四芯光纤刻有谐振波长分别为1310nm的光纤光栅对11、12和1550nm的光纤光栅对13、14，光纤光栅11、12构成的平面与光纤光栅13、14构成的平面正交，光纤光栅11、12和光纤光栅13和14分别反射1310nm和1550nm的光，反射光按原路径返回后在耦合器10处干涉，构成双Michelson干涉仪结构，反射回的光经环形器4后由另一端口出射，出射后的光经过另一波分复用器3后解复用，由1310nm和1550nm不同波长的检测器接收进行数据处理，进而测量待测量。当外界施加一定加速度时，因质量块固定于光栅处，光栅反射波长不会改变，但发生干涉的两臂光程会有变化，从而导致干涉条纹变化，进而测量加速度。不同谐振波长的光栅可以把正交的二维加速度信息提取出来，实现二维加速度的测量。

Claims (6)

1.一种基于四芯光纤的集成式二维光纤微加速度计，它由1310nm波长的光源、1550nm波长的光源、波分复用器、环形器、单芯光纤、光纤传感探头和双检测器连接组成；其特征是：所述的光纤探头包括一根由四个纤芯互成90度对称分布在光纤包层中构成的四芯光纤、外部壳体、质量块和支架，每一纤芯都刻有作为反射镜的光纤光栅作，正交的两个光纤光栅对的谐振波长分别为1310nm和1550nm，四个纤芯构成双Michelson干涉仪，单芯光纤与四芯光纤间利用光纤耦合器进行连接，单芯光纤与外部壳体刚性连接，质量块与四芯光纤连接固定，质量块固定于四个光纤光栅位置处，四芯光纤通过支架与外部壳体固定。

2.根据权利要求1所述的基于四芯光纤的集成式二维光纤微加速度计，其特征是：所述的四芯光纤的四个纤芯的纤芯之间具有一定间距，四个纤芯折射率和几何参数完全相同。

3.根据权利要求1所述的基于四芯光纤的集成式二维光纤微加速度计，其特征是：所述的四芯光纤的四个纤芯的纤芯之间具有一定间距，正对着的两根纤芯折射率和几何参数相同。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于四芯光纤的集成式二维光纤微加速度计，其特征是：所述的四芯光纤是保偏光纤，相对着的两个纤芯保偏方向相同，另两个纤芯保偏方向相同且与之正交。

5.根据权利要求1、2或3所述的基于四芯光纤的集成式二维光纤微加速度计，其特征是：所述的单芯光纤与四芯光纤间利用光纤耦合器进行连接，是单芯光纤和四芯光纤利用光纤熔接机对接熔合，然后利用拉锥机将熔合后的光纤在焊点处进行加热拉锥，在焊点处形成准锥形光纤锥构成光纤耦合器实现连接。

6.根据权利要求5所述的基于四芯光纤的集成式二维光纤微加速度计，其特征是：所述的单芯光纤与四芯光纤间利用光纤耦合器进行连接，是单芯光纤和四芯光纤利用光纤熔接机对接熔合，然后利用拉锥机将熔合后的光纤在焊点处进行加热拉锥，在焊点处形成准锥形光纤锥构成光纤耦合器实现连接。

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