CN101865935A - 二维高精度组合干涉式纤维集成加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种二维高精度组合干涉式纤维集成加速度计。它由波长分别为λ1和λ2的两个光源，波分复用器，环形器，单芯光纤，光纤传感探头，解复用器7，波长为λ1和λ的两个检测器连接组成；光纤传感探头包括一根含有四个互成90度对称分布的四个纤芯的熔嵌式保偏光纤，熔嵌式保偏光纤的每一个纤芯上刻有一对反射中心波长相同的Bragg光纤光栅来构成F-P腔，相对着的两个纤芯上的四个光纤光栅谐振波长为λ1，与之正交的两个纤芯上的四个光纤光栅谐振波长为λ2。本发明在同一根保偏光纤中形成互相正交的双F-P腔Michelson干涉仪的组合式干涉仪进行二维加速度的测量。具有系统集成度高，单根光纤集成、灵敏度高、保偏特性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光纤加速度计。
背景技术
加速度计是车辆、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已有数十年的历史，目前光纤加速度计在原理上主要有：光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。相位调制型光纤加速度传感器常用的调制手段是Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪结构，干涉仪含有两臂，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，且由于它不存在共光路结构，极易受到环境因素(诸如温度和振动)的影响，导致两光路的光程产生不一致的变化，使传感器信号的解调产生影响，降低了干涉仪的信号解调灵敏度，使测量的精度下降，即干涉仪的测量灵敏度不够。美国专利US 20090196543A1提供的加速度结构要想实现多维测量则需要多个传感器，系统集成度也不高。中国专利“双芯光纤集成式加速度计及测量方法”(公开号CN 101368978)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，系统集成度大大提高，但对CCD的像素要求很高。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，系统集成度大大提高，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 101210937 A)和美国专利US20060219009A1是利用三根光纤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，系统体积大，不利于实际利用。
在众多干涉仪中，F-P干涉仪由于经由多次反射反复叠加后可以形成精细度很高的反射谱或透射谱，因此能够获得相当高的探测灵敏度。对于光纤F-P干涉仪(US 5682237)，它是在光纤内制造出两个反射端面，从而形成一个微腔。当相干光束沿光纤入射到此微腔时，光在微腔的两端面反射后沿原路返回、并相遇而产生干涉。当外界参量以一定方式作用于此微腔，使其相位差发生变化，导致其干涉输出反射光强也发生相应变化，进而实现传感测量。国内饶云江等人也提出过多种结构光纤F-P干涉仪及其制作方法(CN101055196，CN 101034007)，并将其应用到加速度计中(CN 101424697 A，CN 101368979A)，但提出的加速度结构均为一维测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种统集成度高，灵敏度高，保偏特性好的二维高精度组合干涉式纤维集成加速度计。
本发明的目的是这样实现的：
它由波长分别为λ1和λ2的光源1和2，波分复用器3，环形器4，单芯光纤5，光纤传感探头6，解复用器7，波长为λ1和λ2双检测器8和9连接组成；所述的光纤传感探头6包括一根含有四个互成90度对称分布的四个纤芯的熔嵌式保偏光纤16，熔嵌式保偏光纤的每一个纤芯上刻有一对反射中心波长相同的Bragg光纤光栅来构成F-P腔，相对着的两个纤芯上的四个光纤光栅谐振波长为λ1，与之正交的两个纤芯上的四个光纤光栅谐振波长为λ2。
本发明还可以包括：
1、所述的熔嵌式保偏光纤16的四个纤芯10-13对称地熔嵌于包层15的内壁，光纤中心为空气孔14，四个纤芯彼此间距较大互不干扰，四个纤芯折射率和几何参数完全相同或正对着的两根光纤纤芯折射率和几何参数相同。
2、所述的F-P腔可以有不同的F-P腔长。
3、所述的光纤光栅的反射率在1％-99％之间，不同的F-P腔可以有不同的反射率。
4、所述的传感探头6是指刻有四个F-P腔21-24的熔嵌式保偏光纤16的一端利用熔融拉锥技术与单芯光纤5连接，在焊接点利用环氧树脂进行封装固化并与外界支架25进行固定，质量块26利用环氧树脂与熔嵌式保偏光纤16另一端固定来感知外界加速度，Michelson干涉仪利用四个F-P腔21-24的入射端作为反射镜，构成两个正交的双F-P腔Michelson组合式干涉仪。
5、所述的传感探头6中的光纤光栅对17-20可以置于外界支架25和质量块26的内部。
6、所述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。
加速度计工作原理描述如下：
波长为λ1和λ2的光源1和2发出的光经波分复用器3后利用环形器4进入单芯光纤，利用焊接后熔融拉锥技术，光从单芯光纤5被耦合进入四芯光纤16到达F-P腔，F-P腔21、22利用F-P干涉原理将波长为λ1的光反射，两路反射光沿原路返回，在熔融拉锥处进行二次干涉，即Michelson干涉，而另一对F-P腔23、24将波长为λ2的光反射，同样在熔融拉锥处进行二次干涉，两个波长的干涉信号经环形器4后利用解复用器7分离后，分别进入探测器8、9进行探测，当外界有加速度时，F-P腔腔长将会发生变化，F-P干涉将会改变，导致Michelson干涉输出也会发生相应的改变，通过测量双F-P腔Michelson组合式干涉仪的干涉场变化，不同波长的干涉光将可以感知正交的二维加速度信息。
本发明为了进一步提高加速度计的灵敏度，结合集成式光纤Michelson干涉仪的结构，提出在干涉臂内构造F-P干涉仪，在同一根保偏光纤中形成互相正交的双F-P腔Michelson干涉仪的组合式干涉仪进行二维加速度的测量。
本发明的优势在于：1.与传统的集成式Michelson加速度计相比，因组合了F-P腔结构，其测量灵敏度大大提高；2.利用保偏光纤可以解决传统光纤加速度计因偏振态随机变化引起的稳定性问题；3.利用光纤光栅进行选频反射对光源单色性要求较低，检测的灵敏度高，测试结果稳定可靠；4.利用不同反射波长的光纤光栅可以实现二维方向的加速度测量。
附图说明
图1为本发明二维高精度组合干涉式纤维集成加速度计的系统结构图；
图2为本发明熔嵌式保偏四芯光纤横截面结构图；
图3为本发明四芯光纤的四个F-P腔结构图；
图4为本发明双F-P腔Michelson干涉仪光纤加速度计探头结构图；
图5为本发明光栅固定式光纤加速度计探头结构图；
图6为本发明不等臂双F-P腔Michelson干涉仪光纤加速度计探头结构图。
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给出了本发明的熔嵌芯式四芯保偏光纤截面图，光纤中心为空气孔14，四个纤芯10-13对称地嵌于包层15的内壁。图3为本发明四芯光纤的四个F-P腔结构图，熔嵌芯式四芯保偏光纤的每一个纤芯刻有一对反射中心波长相同的Bragg光纤光栅来构成F-P腔，Bragg光纤光栅对17-20构成F-P腔21-24，相对着的两个Bragg光纤光栅对17、18谐振波长均为λ1，与之正交的两个光纤光栅对19、20谐振波长均为λ2。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。
参见图1和图4，为本发明的实施例1的结构示意图，二维高精度组合干涉式纤维集成加速度计由波长分别为λ1和λ2的光源1和2，波分复用器(WDM)3，环形器4，单芯光纤5，光纤传感探头6，解复用器7，波长为λ1和λ2双检测器8和9连接组成；传感探头6是由两个相互正交的双F-P腔Michelson组合式干涉仪构成，即F-P腔21和22，23和24具有相同的腔长，刻有四个F-P腔21-24的四芯光纤16的一端利用焊接后熔融拉锥技术与单芯光纤5连接，在焊接点利用环氧树脂进行封装固化并与外界壳体25进行固定，质量块26利用环氧树脂与四芯光纤16另一端固定来感知外界加速度，利用四个F-P腔21-24的入射端作为Michelson干涉仪的反射镜。外界有加速度时，F-P腔腔长将会发生变化，F-P干涉将会改变，Michelson干涉输出也会有相应的改变，通过测量双F-P腔Michelson组合式干涉仪的干涉场变化，不同波长的干涉光将可以感知正交的二维加速度信息。
参见图1和图5，为本发明的实施例2的结构示意图，在本实施例中，组合干涉仪的结构与实施例1相同，只是Bragg光纤光栅对17-20置于外界壳体25和质量块26的内部，此时Bragg光栅仅起反射镜作用，Bragg光纤光栅反射波长固定不变。
参见图1和图6，为本发明的实施例3的结构示意图，为了便于进行光源调制，需要使Michelson干涉仪两臂长具有一定的光程差，为此在制备F-P腔时，其腔长可以不等，在本实施例中，组合干涉仪的结构与实施例1相同，不同之处在于F-P腔21和22，23和24具有不同的F-P腔长。
Claims (6)
1.一种二维高精度组合干涉式纤维集成加速度计，它由波长分别为λ1和λ2的两个光源，波分复用器，环形器，单芯光纤，光纤传感探头，解复用器7，波长为λ1和λ的两个检测器连接组成；其特征是：所述的光纤传感探头包括一根含有四个互成90度对称分布的四个纤芯的熔嵌式保偏光纤，熔嵌式保偏光纤的每一个纤芯上刻有一对反射中心波长相同的Bragg光纤光栅来构成F-P腔，相对着的两个纤芯上的四个光纤光栅谐振波长为λ1，与之正交的两个纤芯上的四个光纤光栅谐振波长为λ2。
2.根据权利要求1所述的二维高精度组合干涉式纤维集成加速度计，其特征是：所述的熔嵌式保偏光纤的四个纤芯对称地熔嵌于包层的内壁，光纤中心为空气孔，四个纤芯彼此间距较大互不干扰，四个纤芯折射率和几何参数完全相同或正对着的两根光纤纤芯折射率和几何参数相同。
3.根据权利要求2所述的二维高精度组合干涉式纤维集成加速度计，其特征是：所述的F-P腔可以有不同的F-P腔长。
4.根据权利要求3所述的二维高精度组合干涉式纤维集成加速度计，其特征是：所述的光纤光栅的反射率在1％-99％之间，不同的F-P腔可以有不同的反射率。
5.根据权利要求4所述的二维高精度组合干涉式纤维集成加速度计，其特征是：所述的光纤传感探头是指刻有四个F-P腔的熔嵌式保偏光纤的一端利用熔融拉锥技术与单芯光纤连接，在焊接点利用环氧树脂进行封装固化并与外界支架进行固定，质量块利用环氧树脂与熔嵌式保偏光纤另一端固定来感知外界加速度，Michelson干涉仪利用四个F-P腔的入射端作为反射镜，构成两个正交的双F-P腔Michelson组合式干涉仪。
6.根据权利要求5所述的二维高精度组合干涉式纤维集成加速度计，其特征是：所述的光纤传感探头中的光纤光栅对置于外界支架和质量块的内部。
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