CN102721827B - 一种光纤加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤加速度计，该加速度计由控制单元、法拉第旋光器和传感单元组成，控制单元为传感单元产生两束正交模式的偏振光并通过相位调制器对该两束正交偏振光进行非互易的相位调制；法拉第旋光器位于控制单元与传感单元之间，其作用是使由传感单元返回的两束正交模式的偏振光实现模式互换，从而使控制单元产生的两正交偏振光在法拉第旋光器前的光路具有互易性；传感单元中的传感光纤均匀缠绕在弹性体上，传感光纤中传播由控制单元产生的两个正交模式的偏振光，质量块敏感待测加速度传递给弹性体，使弹性体发生相应形变从而在传感光纤的两正交偏振光中产生相位差，检测该相位差即可得到待测加速度。

Description

一种光纤加速度计

技术领域

本发明涉及一种光纤加速度计，属于光纤传感技术领域。

背景技术

测量加速度的方法是多种多样的，有机械的、电磁的、放射线的等等，已有报道的大约有二十多种测量方法。对应每一种测量方法，都可以做出不同形式的加速度计。随着科学技术的不断发展，提高加速度计精度的技术也在不断地改进，高精度加速度计飞速发展，按发展时间的先后依次是：三、四十年代的摆式积分陀螺加速度计和宝石轴承摆式加速度计；六十年代中期开始发展起来的液浮摆式加速度计、挠性加速度计、压电加速度计、电磁加速度计等，以后是静电加速度计和激光加速度计；七十年代以后，除了上述各类加速度计不断改进提高之外，多功能传感器和其它基于新支承形式、新材料、新工艺的加速度计蓬勃发展。尤其是微硅加速度计和超导加速度计取得了令人瞩目的进展。目前常用的加速度计有以下几种：

1)液浮摆式加速度计

2)挠性加速度计

3)摆式积分陀螺加速度计（PIGA）

4)激光加速度计

5)静电悬浮加速度计

6)石英振梁式加速度计

7)微硅加速度计

8)超导加速度计

对于光纤加速度计，正在研制的光纤加速度计在原理上主要有三大类：光强调制型、相位调制型和波长调制型。光强调制型加速度计的优点是结构比较简单，对光源、探测器等要求不高，容易实现。国内外研究较多，技术上已趋成熟。但是，光强调制型加速度计一般稳定性差，精度不够高，分辨率难以达到10^-5g以上。相位调制型光纤加速度传感器可实现全光纤化，可以做出比光强调制型动态范围大、测试精度高的光纤加速度传感器，是各发达国家军工部门竞相研究的热点。波长调制型光纤加速度计具有光路简单，检测方法灵活的特点，如果方案得当，还可以降低对光源和探测器的要求，从而降低整个加速度计的成本。对于采用相位调制型的干涉型光纤加速度计来说，目前多采用基于Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪结构，这两种光纤干涉仪结构在实现过程中受光的偏振影响较大，而且需要使用窄线宽光源，实现难度较大。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种光纤加速度计。

一种光纤加速度计，包括光源、分路器、起偏器、相位调制器、延迟光纤、法拉第旋光器、耦合器、加速度敏感头、光电探测器；

光源的尾纤与分路器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分路器的另一输入端光纤熔接在一起；分路器的输出端光纤与起偏器熔接，起偏器的输出端保偏光纤与相位调制器的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器的输出端光纤与延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤与法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与耦合器的输入端熔接，耦合器将光分为两路，其中耦合器的一路输出与加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤熔接，耦合器的另一路输出与加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤熔接，这两段传感光纤以90°熔接，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含加速度信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取加速度值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到相位调制器上从而实现相位调制。

一种光纤加速度计，包括光源、分路器、集成相位调制器、偏振分束/合束器、延迟光纤、法拉第旋光器、耦合器、加速度敏感头、光电探测器；

光源的尾纤与分路器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分路器的另一输入端光纤熔接在一起；分路器的输出端与集成相位调制器熔接，集成相位调制器的一个输出端保偏光纤与偏振分束/合束器的一个输入端保偏光纤熔接，集成相位调制器的另一个输出端保偏光纤与偏振分束/合束器的另一个输入端保偏光纤熔接，偏振分束/合束器的输出端光纤与延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤与法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与耦合器的输入端熔接，耦合器将光分为两路，其中耦合器的一路输出与加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤熔接，耦合器的另一路输出与加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤熔接，这两段传感光纤以90°熔接，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含加速度信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取加速度值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到集成相位调制器上从而实现相位调制。

一种光纤加速度计，包括光源、分路器、起偏器、相位调制器、延迟光纤、法拉第旋光器、加速度敏感头、反射镜、光电探测器；

光源的尾纤与分路器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分路器的另一输入端光纤熔接在一起；分路器的输出端光纤与起偏器熔接，起偏器的输出端保偏光纤与相位调制器的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器的输出端光纤与延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤与法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤一端熔接，加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤的另一端以90°与加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤一端熔接，加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤的另一端与反射镜连接，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含加速度信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取加速度值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到相位调制器上从而实现相位调制。

一种光纤加速度计，包括光源、分路器、集成相位调制器、偏振分束/合束器、延迟光纤、法拉第旋光器、加速度敏感头、反射镜、光电探测器；

光源的尾纤与分路器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分路器的另一输入端光纤熔接在一起；分路器的输出端与集成相位调制器熔接，集成相位调制器的一个输出端保偏光纤与偏振分束/合束器的一个输入端保偏光纤熔接，集成相位调制器的另一个输出端保偏光纤与偏振分束/合束器的另一个输入端保偏光纤熔接，偏振分束/合束器的输出端光纤同延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤同法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤一端熔接，加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤的另一端以90°与加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤一端熔接，加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤的另一端与反射镜连接，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含加速度信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取加速度值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到集成相位调制器上从而实现相位调制。

本发明的优点在于：

本发明采用两段传感光纤的补偿式结构，第二段传感光纤用来补偿第一段传感光纤由于温度产生的相位变化及两束正交光之间本身的相位差，因此实现了准互易式结构，对温度、振动等环境干扰有很好的免疫能力，稳定性好，噪声小，可以实现闭环检测，有在很大的动态范围线性度好的优点。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图；

图3是本发明实施例3的结构示意图；

图4是本发明实施例4的结构示意图；

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种光纤加速度计，有四种具体实施例，具体为：

实施例1：

如图1所示，一种光纤加速度计，包括光源、分路器、起偏器、相位调制器、延迟光纤、法拉第旋光器、耦合器、加速度敏感头、光电探测器。

其中，光电探测器、光源、分路器、起偏器、相位调制器、延迟光纤、信号处理电路组成控制单元，耦合器、加速度敏感头组成传感单元。

光源的尾纤与分路器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分路器的另一输入端光纤熔接在一起；分路器的输出端光纤与起偏器熔接，起偏器的输出端保偏光纤与相位调制器的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器的输出端光纤与延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤与法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与耦合器的输入端熔接，耦合器将光分为两路，其中耦合器的一路输出与加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤熔接，耦合器的另一路输出与加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤熔接，这两段传感光纤以90°熔接，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含加速度信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取加速度值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到相位调制器上从而实现相位调制。

实施例2：

如图2所示，一种光纤加速度计，包括光源、分路器、集成相位调制器、偏振分束/合束器、延迟光纤、法拉第旋光器、耦合器、加速度敏感头、光电探测器。

其中，光电探测器、光源、分路器、集成相位调制器、延迟光纤、信号处理电路组成控制单元，耦合器、加速度敏感头组成传感单元。

光源的尾纤与分路器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分路器的另一输入端光纤熔接在一起；分路器的输出端与集成相位调制器熔接，集成相位调制器的一个输出端保偏光纤与偏振分束/合束器的一个输入端保偏光纤熔接，集成相位调制器的另一个输出端保偏光纤与偏振分束/合束器的另一个输入端保偏光纤熔接，偏振分束/合束器的输出端光纤与延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤与法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与耦合器的输入端熔接，耦合器将光分为两路，其中耦合器的一路输出与加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤熔接，耦合器的另一路输出与加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤熔接，这两段传感光纤以90°熔接，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含加速度信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取加速度值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到集成相位调制器上从而实现相位调制。

实施例3：

如图3所示，一种光纤加速度计，包括光源、分路器、起偏器、相位调制器、延迟光纤、法拉第旋光器、加速度敏感头、反射镜、光电探测器。

其中，光电探测器、光源、分路器、起偏器、相位调制器、延迟光纤、信号处理电路组成控制单元，耦合器、加速度敏感头、反射镜组成传感单元。

光源的尾纤与分路器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分路器的另一输入端光纤熔接在一起；分路器的输出端光纤与起偏器熔接，起偏器的输出端保偏光纤与相位调制器的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器的输出端光纤与延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤与法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤一端熔接，加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤的另一端以90°与加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤一端熔接，加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤的另一端与反射镜连接，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含加速度信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取加速度值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到相位调制器上从而实现相位调制。

实施例4：

如图4所示，一种光纤加速度计，包括光源、分路器、集成相位调制器、偏振分束/合束器、延迟光纤、法拉第旋光器、加速度敏感头、反射镜、光电探测器。

其中，光电探测器、光源、分路器、集成相位调制器、延迟光纤、信号处理电路组成控制单元，耦合器、加速度敏感头、反射镜组成传感单元。

光源的尾纤与分路器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分路器的另一输入端光纤熔接在一起；分路器的输出端与集成相位调制器熔接，集成相位调制器的一个输出端保偏光纤与偏振分束/合束器的一个输入端保偏光纤熔接，集成相位调制器的另一个输出端保偏光纤与偏振分束/合束器的另一个输入端保偏光纤熔接，偏振分束/合束器的输出端光纤同延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤同法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤一端熔接，加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤的另一端以90°与加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤一端熔接，加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤的另一端与反射镜连接，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含加速度信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取加速度值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到集成相位调制器上从而实现相位调制。

本发明光路的基本原理为：控制单元为传感单元产生两束正交模式的偏振光并通过相位调制器对该两束正交偏振光进行非互易的相位调制；法拉第旋光器位于控制单元与传感单元之间，其作用是使通过的线偏振光的偏振面旋转45°，且旋转方向只与法拉第旋光器内部磁场方向相关，与光传播方向无关，因此能够使由传感单元返回的两束正交模式的偏振光实现模式互换，从而使控制单元产生的两正交偏振光在法拉第旋光器前的光路具有互易性；传感单元中的两段传感光纤90°熔接，分别均匀缠绕在位于质量块上下的弹性体上，传感光纤中传播由控制单元产生的两个正交模式的偏振光，质量块敏感待测加速度传递给弹性体，使弹性体发生相应形变从而在两正交偏振光中引入双折射产生相位差，由于上下弹性体受力方向不同，因此在两段传感光纤之间由加速度引起的相位差符号相反，而两段传感光纤之间90°熔接，使在两正交偏振光中由加速度引起的相位差加倍，而两正交模式折射率不同引起的相位差相互抵消，最终检测到的相位差只包含待测加速度信息。光电探测器获取的干涉信号表达式为：

$I_D\left(t\right)=\frac{I_0}{2}\{1+\cos [{\mathrm{\φ}}_m(t-\mathrm{\τ})-{\mathrm{\φ}}_m\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_s\left]\right\}$

其中：I₀为到光电达探测器的光强，t为时间，φ_m(t)为相位调制器或者集成相位调制器的调制相位，τ为光在延迟光纤中的渡越时间，φ_s为由于弹性体形变引起传感光纤两模式之间的相位差。

信号处理电路检测该干涉信号，获取加速度值，然后进行输出。

Claims (8)

1.一种光纤加速度计，其特征在于，包括光源、分路器、起偏器、相位调制器、延迟光纤、法拉第旋光器、耦合器、加速度敏感头、光电探测器；

光源的尾纤与分路器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分路器的另一输入端光纤熔接在一起；分路器的输出端光纤与起偏器熔接，起偏器的输出端保偏光纤与相位调制器的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器的输出端光纤与延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤与法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与耦合器的输入端熔接，耦合器将光分为两路，其中耦合器的一路输出与加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤熔接，耦合器的另一路输出与加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤熔接，这两段传感光纤以90°熔接，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含加速度信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取加速度值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到相位调制器上从而实现相位调制。

2.根据权利要求1所述的一种光纤加速度计，其特征在于，光电探测器获取的干涉光信号表达式为：

$I_D\left(t\right)=\frac{I_0}{2}\{1+\cos [{\mathrm{\φ}}_m(t-\mathrm{\τ})-{\mathrm{\φ}}_m\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_s\left]\right\}$

其中：I₀为到达光电探测器的光强，t为时间，φ_m(t)为相位调制器的调制相位，τ为光在延迟光纤中的渡越时间，φ_s为由于弹性体形变引起传感光纤两正交模式之间产生的相位差。

3.一种光纤加速度计，其特征在于，包括光源、分路器、集成相位调制器、偏振分束/合束器、延迟光纤、法拉第旋光器、耦合器、加速度敏感头、光电探测器；

光源的尾纤与分路器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分路器的另一输入端光纤熔接在一起；分路器的输出端与集成相位调制器熔接，集成相位调制器的一个输出端保偏光纤与偏振分束/合束器的一个输入端保偏光纤熔接，集成相位调制器的另一个输出端保偏光纤与偏振分束/合束器的另一个输入端保偏光纤熔接，偏振分束/合束器的输出端光纤与延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤与法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与耦合器的输入端熔接，耦合器将光分为两路，其中耦合器的一路输出与加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤熔接，耦合器的另一路输出与加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤熔接，这两段传感光纤以90°熔接，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含加速度信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取加速度值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到集成相位调制器上从而实现相位调制。

4.根据权利要求3所述的一种光纤加速度计，其特征在于，光电探测器获取的干涉光信号表达式为：

$I_D\left(t\right)=\frac{I_0}{2}\{1+\cos [{\mathrm{\φ}}_m(t-\mathrm{\τ})-{\mathrm{\φ}}_m\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_s\left]\right\}$

其中：I₀为到达光电探测器的光强，t为时间，φ_m(t)为集成相位调制器的调制相位，τ为光在延迟光纤中的渡越时间，φ_s为由于弹性体形变引起传感光纤两正交模式之间产生的相位差。

5.一种光纤加速度计，其特征在于，包括光源、分路器、起偏器、相位调制器、延迟光纤、法拉第旋光器、加速度敏感头、反射镜、光电探测器；

光源的尾纤与分路器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分路器的另一输入端光纤熔接在一起；分路器的输出端光纤与起偏器熔接，起偏器的输出端保偏光纤与相位调制器的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器的输出端光纤与延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤与法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤一端熔接，加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤的另一端以90°与加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤一端熔接，加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤的另一端与反射镜连接，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含加速度信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取加速度值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到相位调制器上从而实现相位调制。

6.根据权利要求5所述的一种光纤加速度计，其特征在于，光电探测器获取的干涉光信号表达式为：

$I_D\left(t\right)=\frac{I_0}{2}\{1+\cos [{\mathrm{\φ}}_m(t-\mathrm{\τ})-{\mathrm{\φ}}_m\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_s\left]\right\}$

其中：I₀为到达光电探测器的光强，t为时间，φ_m(t)为相位调制器的调制相位，τ为光在延迟光纤中的渡越时间，φ_s为由于弹性体形变引起传感光纤两正交模式之间产生的相位差。

7.一种光纤加速度计，其特征在于，包括光源、分路器、集成相位调制器、偏振分束/合束器、延迟光纤、法拉第旋光器、加速度敏感头、反射镜、光电探测器；

光源的尾纤与分路器的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分路器的另一输入端光纤熔接在一起；分路器的输出端与集成相位调制器熔接，集成相位调制器的一个输出端保偏光纤与偏振分束/合束器的一个输入端保偏光纤熔接，集成相位调制器的另一个输出端保偏光纤与偏振分束/合束器的另一个输入端保偏光纤熔接，偏振分束/合束器的输出端光纤同延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤同法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤一端熔接，加速度敏感头的上端弹性体上缠绕的传感光纤的另一端以90°与加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤一端熔接，加速度敏感头的下端弹性体上缠绕的传感光纤的另一端与反射镜连接，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含加速度信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取加速度值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到集成相位调制器上从而实现相位调制。

8.根据权利要求7所述的一种光纤加速度计，其特征在于，光电探测器获取的干涉光信号表达式为：

$I_D\left(t\right)=\frac{I_0}{2}\{1+\cos [{\mathrm{\φ}}_m(t-\mathrm{\τ})-{\mathrm{\φ}}_m\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_s\left]\right\}$

其中：I₀为到达光电探测器的光强，t为时间，φ_m(t)为集成相位调制器的调制相位，τ为光在延迟光纤中的渡越时间，φ_s为由于弹性体形变引起传感光纤两正交模式之间产生的相位差。

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