CN102590554A

CN102590554A - 一种基于弹性形变的光纤加速度传感器

Info

Publication number: CN102590554A
Application number: CN2012100839243A
Authority: CN
Inventors: 张敏; 杨昌; 周宏朴; 廖延彪
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: CN102590554B

Abstract

本发明公开了一种基于弹性形变的光纤加速度传感器，涉及加速度传感器领域。所述加速度传感器包括：主体、弹性件、固有质量块和形变感应光路；弹性件的下部与主体固定连接，上部与固有质量块固定连接；形变感应光路包括：沿纵向缠绕在主体、弹性件和固有质量块外侧的传感光纤，以及沿横向缠绕在主体外侧的参考光纤；形变感应光路，用于感应由所述弹性件的形变引起的光经过传感光纤和参考光纤后的相位差。所述基于弹性形变的光纤加速度传感器具有以下优势：采用簧片的弹性形变原理感应加速度冲击信号，提高了光纤加速度传感器的灵敏度；并且，通过采用簧片、固有质量块和附加质量块相结合的设计方式，可以方便地调节传感器的加速度灵敏度。

Description

一种基于弹性形变的光纤加速度传感器

技术领域

本发明涉及加速度传感器技术领域，特别涉及一种基于弹性形变的光纤加速度传感器。

背景技术

加速度传感器是一种基于惯性效应而感应加速度信号的传感器，主要用于测量振动和冲击。现代军用、民用的加速度传感器通常为光纤加速度传感器和压电加速度传感器，主要应用于地震监测、油田监测、建筑健康情况监测、空间落物定位、弹药冲击测试等。传统的压电加速度传感器具有体积小、重量轻、频带宽、量程大等特点，但是由于灵敏度不高、有源器件不易复用等缺点限制了其使用范围，而光纤加速度传感器的出现恰好弥补了这一缺陷，光纤加速度传感器具有灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰、无源器件易复用、噪声小、信号传输可靠等优点，可实现远距离、大规模传感器阵列。

光纤加速度传感器是80年代初新发展起来的一种新型加速度传感器，随着光纤传感技术研究的不断深化，光纤加速度传感器也得到了巨大的发展。常见的光纤加速度传感器有顺变柱体式加速度传感器、膜片式加速度传感器、光纤光栅式加速度传感器。顺变柱体式加速度传感器能够实现很高的灵敏度，但是由于顺变柱体本身采用的是橡胶材料，易老化变形、不耐高温且体积和质量较大。膜片式加速度传感器体积小，但灵敏度不高，仅适用于灵敏度较低的场合。光纤光栅加速度传感器是近年来快速发展的一种加速度传感器，它具有体积小、灵敏度高等特点，但是由于技术发展尚不成熟，传感器的稳定性、一致性、交叉串扰等方面还需加强。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种基于弹性形变的光纤加速度传感器，以提高现有光纤加速度传感器的灵敏度。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于弹性形变的光纤加速度传感器，包括：主体、弹性件、固有质量块和形变感应光路；

所述弹性件的下部与所述主体固定连接，上部与所述固有质量块固定连接；

所述形变感应光路包括：沿纵向缠绕在所述主体、所述弹性件和所述固有质量块外侧的传感光纤，以及沿横向缠绕在所述主体外侧的参考光纤；所述形变感应光路，用于感应由所述弹性件的形变引起的光经过所述传感光纤和所述参考光纤后的相位差的变化。

优选地，所述形变感应光路还包括：输入光纤、输出光纤、光耦合器和两个法拉第悬镜；

所述输入光纤和所述输出光纤均与所述光耦合器的第一端耦合；

所述光耦合器与所述主体相连接；

所述传感光纤的第一端与所述光耦合器的第二端耦合，中间部分缠绕在所述主体、所述弹性件和所述固有质量块外侧，第二端与其中一个所述法拉第悬镜耦合；

所述参考光纤的第一端与所述光耦合器的第二端耦合，中间部分缠绕在所述主体外侧，第二端与另一个所述法拉第悬镜耦合；

所述两个法拉第悬镜均与所述主体相连接。

优选地，所述主体的中部设置有载镜凹槽，所述两个法拉第悬镜均设置在所述载镜凹槽内。

优选地，所述加速度传感器上设置有从上至下贯穿所述主体、所述弹性件和所述固有质量块的通孔，所述光耦合器设置在所述通孔内部。

优选地，所述主体的底面的中部设置有供所述感应光纤缠绕的底槽；所述固有质量块的顶面的中部上设置有供所述感应光纤缠绕的顶槽。

优选地，所述主体的底面的侧部设置有供所述感应光纤和所述参考光纤穿过的走线槽；所述走线槽连通所述通孔的下端和所述底槽。

优选地，所述弹性件采用簧片；所述簧片包括：与所述固定质量块相连接的上支撑板、与所述主体相连接的下支撑板，以及连接所述上支撑板和所述下支撑板的侧板；所述上支撑板与所述下支撑板平行；所述侧板的截面呈弧形。

优选地，所述加速度传感器还包括：附加质量块；所述附加质量块与所述固定质量块的上部可拆卸式连接。

优选地，所述附加质量块的上部呈圆形，在所述圆形的边缘向下设置有凸起。

优选地，所述加速度传感器还包括：底座；所述底座与所述主体的下部固定连接。

(三)有益效果

本发明的基于弹性形变的光纤加速度传感器具有以下优势：采用簧片的弹性形变原理感应加速度冲击信号，提高了光纤加速度传感器的灵敏度；并且，通过采用簧片、固有质量块和附加质量块相结合的设计方式，可以方便地调节传感器的加速度灵敏度。同时，所述加速度传感器采用了迈克尔逊干涉仪结构，光路简单易实现，相对于其它干涉方法，仅采用一个耦合器，减小了信号的损耗；以所述簧片作为弹性原件，简单易加工；所述加速度传感器除光纤外采用全金属结构，有效地避免了因为换能元件老化带来的加速度传感器性能下降的问题。

附图说明

图1是本发明实施例所述基于弹性形变的光纤加速度传感器的正视图；

图2是本发明实施例所述基于弹性形变的光纤加速度传感器的正向剖视图；

图3是本发明实施例所述基于弹性形变的光纤加速度传感器的侧视图；

图4是本发明实施例所述主体的仰视图；

图5是本发明实施例所述固定质量块的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明实施例所述基于弹性形变的光纤加速度传感器的正视图；图2是本发明实施例所述基于弹性形变的光纤加速度传感器的正向剖视图；图3是本发明实施例所述基于弹性形变的光纤加速度传感器的侧视图。参见图1、图2和图3，所述加速度传感器主要包括：底座100、主体200、弹性件300、固定质量块400、附加质量块500和形变感应光路。所述形变感应光路包括：光耦合器700、第一法拉第悬镜801、第二法拉第悬镜802、输入光纤901、输出光纤902、感应光纤903和参考光纤904。

所述底座100位于所述加速度传感器的底部，用于支撑所述加速度传感器。所述主体200的下端与所述底座100固定连接，上端与所述弹性件300的下端固定连接。所述弹性件300的上端与所述固定质量块400的下端固定连接。所述固定质量块400的上端与所述附加质量块500可拆卸式连接。

在所述主体200、弹性件300、固定质量块400和附加质量块500的内部的一侧设置有上下贯穿的通孔600。所述光耦合器700在所述主体200内部，并且设置在所述通孔600中，所述光耦合器700采用3dB耦合器。

在所述主体200的外壁的中部设置有载镜凹槽201，所述第一法拉第悬镜801和所述第二法拉第悬镜802均设置在所述载镜凹槽201内部。

图4是本发明实施例所述主体200的仰视图，如同4所示，所述主体200的底面上设置有贯穿前后的底槽202，在所述底槽202的一侧设置有连通所述底槽202和所述通孔600的走线槽203。

图5是本发明实施例所述固定质量块400的俯视图，如同5所示，所述固定质量块400的顶面上设置有贯穿前后的顶槽401。

参见图2，所述输入光纤901和所述输出光纤902均从上部进入所述通孔600后与所述光耦合器700的第一端耦合。所述传感光纤903的第一端与所述光耦合器700的第二端耦合，中间部分沿纵向缠绕在所述主体200、所述弹性件300和所述固定质量块400的外侧，第二端经所述走线槽203到达所述载镜凹槽201与所述第一法拉第悬镜801耦合。其中，所述传感光纤903的中间部分，在缠绕经过所述主体200的底面时位于所述底槽202中，在缠绕经过所述固定质量块400的顶面时位于所述固定质量块400的顶槽中。所述参考光纤904的第一端与所述光耦合器700的第二端耦合，中间部分经所述走线槽203到达所述主体200的下部后沿横向缠绕在所述主体200的外侧，第二端与所述第二法拉第悬镜802耦合。所述输入光纤901、所述输出光纤902、所述传感光纤903和所述参考光纤904均采用同一种光纤。

所述底座100优选采用密度较小的金属材料，比如铝，以减小所述加速度传感器整体的质量。所述底座100包括一个较大的下圆台和一个较小的上圆台，所述下圆台和所述上圆台为一体结构。

所述主体200优选采用密度较小的金属材料，比如铝，以减小所述加速度传感器整体的质量。所述主体200的下部的左右两侧呈弧形，前后两侧平行，与所述上圆台相匹配。

所述弹性件300优选采用簧片，所述簧片采用刚度较大的金属材料，比如钢。所述簧片包括：上支撑板、下支撑板和连接所述上支撑板和所述下支撑板的侧板。所述上支撑板和所述下支撑板平行；所述侧板的截面呈弧形，优选采用半圆形。所述上支撑板通过螺钉连接所述固定质量块400，所述下支撑板通过螺钉连接所述主体200。

所述固定质量块400采用金属材料，比如铝、铁、黄铜。所述固定质量块400包括一个下方台和一个上方台。所述下方台与所述上支撑板连接；所述上方台左右两侧呈弧形，前后侧平行，方便与所述附加质量块500相连接。

所述附加质量块500也采用金属材料，比如铝、铁、黄铜。所述附加质量块500整体呈圆形，并且在所述圆形的边缘向下设置有凸起，以方便和所述固定质量块400相连接。

所述加速度传感器的工作原理如下：激光器发出的光经过所述输入光纤901到达所述光耦合器700后分为两束输出，分别进入所述传感光纤903和所述参考光纤904，所述传感光纤903和所述参考光纤904的末端分别装有所述第一法拉第悬镜801和所述第二法拉第悬镜802，用于反射光线。所述传感光纤903和所述参考光纤904的反射光再回到所述光耦合器700处产生干涉。干涉信号经过所述输出光纤902到达外部的光电转换器件和信号处理系统处理得到需要的加速度信号。其中，所述传感光纤903和所述参考光纤904中的光存在固有相位差。

实际应用时，冲击信号传导至所述加速度传感器时，所述弹性件300感应冲击后产生形变。由于所述弹性件300固定在所述固有质量块400和所述主体200之间，因此它的形变会导致所述传感光纤903长度的变化，所述传感光纤903长度变化最终导致其光相位的变化。由于冲击信号对所述主体200并无影响，因此固定在所述主体200上的所述参考光纤904对冲击信号不敏感，它的光相位不会发生变化。因此两根光纤(传感光纤903和参考光纤904)中的光在冲击信号作用下由于相位差的变化会产生一个新的相位差，而这种相位差的变化会使得所述光耦合器700中相遇的两束反射光产生的干涉信号发生变化，通过对这个变化了的干涉信号进行分析解调就可得到所需的加速度灵敏度，通过加速度灵敏度可反推出加速度信号。

加速度灵敏度的计算公式如下：

(1)式中各参数含义如下：

传感光纤和参考光纤中光的相位差的变化值；

a，加速度传感器的加速度值；

n，光纤纤芯折射率；

N，传感光纤径绕圈数；

m，质量块(固定质量块和附加质量块)的质量；

r，半圆形簧片半径；

E，簧片的杨氏模量；

b，半圆形簧片宽度；

t，半圆形簧片厚度；

p_c，弹光系数。

由公式(1)可以看出，加速度灵敏度与簧片半径r的三次方成正比，与半圆形簧片的宽度b，以及厚度t的三次方成反比，与质量块的质量成正比。其中簧片的半径和厚度对它的影响特别明显。因此可以通过调节簧片半径、厚度、宽度以及质量块质量轻松改变加速度传感器加速度灵敏度，并且能够很容易实现高的加速度灵敏度。

本发明实施例所述基于弹性形变的光纤加速度传感器具有以下优势：采用簧片的弹性形变原理感应加速度冲击信号，提高了光纤加速度传感器的灵敏度；并且，通过采用簧片、固有质量块和附加质量块相结合的设计方式，可以方便地调节传感器的加速度灵敏度。同时，所述加速度传感器采用了迈克尔逊干涉仪结构，光路简单易实现，相对于其它干涉方法，仅采用一个耦合器，减小了信号的损耗；以所述簧片作为弹性原件，简单易加工；所述加速度传感器除光纤外采用全金属结构，有效地避免了因为换能元件老化带来的加速度传感器性能下降的问题。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种基于弹性形变的光纤加速度传感器，其特征在于，包括：主体、弹性件、固有质量块和形变感应光路；

2.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述形变感应光路还包括：输入光纤、输出光纤、光耦合器和两个法拉第悬镜；

所述光耦合器与所述主体相连接；

所述两个法拉第悬镜均与所述主体相连接。

3.如权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于，所述主体的中部设置有载镜凹槽，所述两个法拉第悬镜均设置在所述载镜凹槽内。

4.如权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于，所述加速度传感器上设置有从上至下贯穿所述主体、所述弹性件和所述固有质量块的通孔，所述光耦合器设置在所述通孔内部。

5.如权利要求4所述的加速度传感器，其特征在于，所述主体的底面的中部设置有供所述感应光纤缠绕的底槽；所述固有质量块的顶面的中部上设置有供所述感应光纤缠绕的顶槽。

6.如权利要求5所述的加速度传感器，其特征在于，所述主体的底面的侧部设置有供所述感应光纤和所述参考光纤穿过的走线槽；所述走线槽连通所述通孔的下端和所述底槽。

7.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述弹性件采用簧片；所述簧片包括：与所述固定质量块相连接的上支撑板、与所述主体相连接的下支撑板，以及连接所述上支撑板和所述下支撑板的侧板；所述上支撑板与所述下支撑板平行；所述侧板的截面呈弧形。

8.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述加速度传感器还包括：附加质量块；所述附加质量块与所述固定质量块的上部可拆卸式连接。

9.如权利要求8所述的加速度传感器，其特征在于，所述附加质量块的上部呈圆形，在所述圆形的边缘向下设置有凸起。

10.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述加速度传感器还包括：底座；所述底座与所述主体的下部固定连接。