CN102095892A - 一种基于拉锥结构的光纤光栅加速度传感器 - Google Patents

一种基于拉锥结构的光纤光栅加速度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于拉锥结构的光纤光栅加速度传感器，使用强度解调的方法实现加速度测量，以紧凑的结构解决了一般光纤传感器存在的结构复杂、价格昂贵的问题。本发明中光依次进入光纤锥区和光纤光栅，反射光再次经过锥区和耦合器后被光电探测器探测。光纤锥区的损耗随其弯曲程度的不同而变化，当加速度作用于传感器时，锥区的弯曲受到加速度影响而变化，光电探测器探测到的功率也会随着加速度变化。从光电探测器的输出就可以解调出加速度的信息。本发明光纤光栅加速度传感器体积小，结构简单，价格便宜，可操作性强，可广泛应用于各种加速度监测领域。

Description

一种基于拉锥结构的光纤光栅加速度传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于拉锥结构的光纤光栅加速度传感器。
背景技术
光纤传感器与传统的电式传感器相比，具有独特的优点：灵敏度高、重量轻、体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀、本质安全。由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又可以作为电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，这使它可以方便有效地用于各种大型机电、地震波检测、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。
用光纤作为加速度测量媒介的机理多种多样，而基于光纤布拉格光栅的加速度传感器以其较简单的原理--采用加速度变化引起的波长漂移量或反射光功率变化进行解调即可得到加速度信息，而受到人们的重视。光纤光栅加速度传感器自问世以来不断发展，在地震勘探、石油化工、公路、桥梁的振动检测和建筑物的结构健康检测等方面有广泛的应用，因此研究光纤光栅加速度传感器具有重要的意义。
已经报道的几种光纤光栅加速度传感器中，大多数是基于测量光纤光栅的中心反射波长来获得被测参量信息。此类光纤光栅传感器，为了进行传感测量必须检测出光纤光栅的反射波长变化，在检测过程中需要用到昂贵的波长测量仪器如光纤光谱仪、波长解调仪等，限制了其在实际工程中的应用。近年来，低成本的光纤光栅加速度传感器的研制受到格外关注。
发明内容
本发明的目的是针对现有光纤光栅加速度传感器存在的价格昂贵、灵敏度不高及不能进行强度解调的缺点，提出了一种设计简单、结构紧凑、灵敏度高、成本较低的基于拉锥结构的光纤光栅加速度传感器。
本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：
一种基于拉锥结构的光纤光栅加速度传感器，包括宽带光源、光电探测器、光纤耦合器、固定装置、单模光纤拉锥区域、光纤光栅和一定质量的重物。
首先将一段单模光纤进行拉锥处理，然后和光纤光栅串联作为传感头，通过光纤耦合器分别与光源和光电探测器相连接，形成光纤光栅加速度传感系统。
本发明所具有的优点：
1.以包含拉锥区域(锥区)和光纤光栅的普通单模光纤为传感头，具有结构紧凑、传感头体积小、制作成本低等优点，可广泛应用于各种加速度监测的环境恶劣或者对传感器尺寸要求严格的工程领域。
2.光纤光栅反射的光功率会随着加速度引起的锥区的弯曲变化产生泄漏损耗，表现为光电探测器输出的变化。因此具有灵敏度高、传感解调装置成本低的优势。
附图说明
图1为本发明的光纤光栅加速度传感系统图
图2为本发明的基于拉锥结构的光纤光栅加速度传感器示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图1，2所示，一种基于拉锥结构的光纤光栅加速度传感器，主要包括宽带光源1、光电探测器2、光纤耦合器3，固定装置4，单模光纤锥区5和光纤光栅6。宽带光源1与1×2光纤耦合器3的一端相连，光纤耦合器3的另一端连接到单模光纤锥区5的一端，光纤耦合器3的另一端与光电探测器2相连，经过光纤锥区5的另一端与光纤光栅6连接。使用固定装置4将光纤锥区5的靠近耦合器3的一端固定，在光纤自由端根据需要固定一定质量的重物7，使光纤锥区5产生一定的初始弯曲。
拉锥部分的光纤束腰可以通过控制拉锥时间得到不同效果，拉锥时间越长其光纤束腰越细，其形成的传感器灵敏度越高。光纤光栅的波长应包含在光源的光谱范围之内，可在1520-1565nm的C波段内。单模光纤的一端与经过拉锥的光纤连接，另一端与一个1×2光纤耦合器连接。光纤耦合器的另两端分别于宽带光源和光电探测器连接。
本发明装置的工作方式为：由宽带光源发出的光经光纤耦合器后依次进入光纤锥区和光纤光栅，光纤光栅反射回来的光再次经过锥区和耦合器后被光电探测器探测。由于光纤锥区的损耗随其弯曲程度的不同而变化，当加速度作用于传感器时，光纤及光纤自由端固定的重物受到力的作用，使锥区的弯曲受到影响，跟随加速度变化，所以光电探测器探测到的功率也会随着加速度变化。从光电探测器的输出就可以解调出加速度的信息。
本发明装置能够测量加速度的关键为：单模光纤经过拉锥后其传输损耗对弯曲敏感，而加速度会引起光纤锥区的弯曲变化，使光纤光栅反射的光的功率产生变化。该种基于拉锥结构的光纤光栅加速度传感器结构紧凑、灵敏度高、抗电磁干扰，可实现在0～50Hz频率变化范围内的良好测量效果，为微振动领域提供了一种有效的测量方法，并且监测装置只需要低成本的光电探测器，因此成本较低，比较实用。

Claims (1)

1.一种基于拉锥结构的光纤光栅加速度传感器，包括宽带光源(1)、光电探测器(2)、光纤耦合器(3)、固定装置(4)、单模光纤拉锥区域(5)、光纤光栅(6)和一定质量的重物(7)，其特征在于：该发明装置将一段单模光纤进行拉锥处理后和光纤光栅串联作为传感头，通过光纤耦合器分别与光源和光电探测器相连接，形成光纤光栅加速度传感系统；使用经过拉锥的光纤串联光纤光栅可以实现在受到加速度作用时反射光功率的变化，使用反射率较高的光纤光栅可以实现较高的灵敏度。
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