CN102721828A - 具有滑动反射镜式温度自补偿光纤加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有滑动反射镜式温度自补偿光纤加速度传感器，传感器由普通单模光纤、空芯光纤、石英管和微光纤组成；当传感器跟随被测物一起运动时，微光纤左段在加速度作用下发生弯曲，第二反射面的轴向位置发生变化，导致干涉腔的轴向长度也随之发生变化。本发明的有益技术效果是：传感器具备体积小、精度高、结构简单的优点，同时，还具有温度自补偿功能，解决了现有的光纤加速度传感器的温度自补偿装置体积大、结构复杂的问题。传感器制作简单、灵敏度高、响应速度快、耐恶劣环境能力强。

Description

具有滑动反射镜式温度自补偿光纤加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术，具体涉及一种具有滑动反射镜式温度自补偿光纤加速度传感器。

背景技术

加速度是物理学和工程领域非常重要的参数之一。加速度的测量在许多领域都有广泛的应用，如在航空航天的制导系统、石油勘探的地震检波系统、桥梁建筑的结构检测系统、交通情况监测系统等系统中进行冲击、振动测量常用的重要传感器。因此加速度的测量具有重要的实际应用价值，研究开发新型实用的加速度传感器尤为重要。

随着振动测试技术的发展和高精度测试的需要,研制高性能的振动传感器势在必行。传统的机械式加速度计存在灵敏度低、体积庞大等缺点，在应用中受到一定的限制。与传统的加速度传感器相比,光纤加速度传感器不但具有抗电磁干扰的独特优点,而且体积小,质量轻,动态范围宽,准确度高,能在恶劣环境下工作，因此光纤加速度传感器的研究受到各先进国家军事与商业领域的极大重视。

基于光纤技术的加速度计研究已经非常广泛，主要包括光纤光栅型、Michelson干涉仪型、Mach-Zehnder干涉仪型、Sagnac干涉仪型和Fabry-Pérot（FPI）干涉仪型。但是随着温度变化而导致各干涉仪输出的变化是各种光纤加速度计的一大缺点，为了减小甚至消除温度的影响，补偿系统的引入导致整个系统变的非常复杂。

发明内容

本发明为解决背景技术中的问题，采取的技术方案为：一种具有滑动反射镜式温度自补偿光纤加速度传感器，它由普通单模光纤、空芯光纤、石英管和微光纤组成；其中，微光纤为变截面结构，微光纤左段直径小于右段直径；

普通单模光纤一端与空芯光纤的一端熔接，空芯光纤内腔直径大于普通单模光纤的纤芯直径，空芯光纤内腔的横截面区域将普通单模光纤的纤芯覆盖；

微光纤左段端部置于空芯光纤的内腔中，微光纤左段与空芯光纤内腔间隙配合，且微光纤左端面与普通单模光纤端面间隔一定距离；普通单模光纤右端面形成第一反射面，微光纤左端面形成第二反射面，空芯光纤内腔中两个反射面之间的间隙形成干涉腔；

普通单模光纤外表面与石英管内壁焊接，微光纤右段外表面与石英管内壁焊接，石英管将空芯光纤和微光纤左段覆盖；石英管内部与外环境相互隔离。

当传感器跟随被测物一起运动时，微光纤左段在加速度作用下发生弯曲，第二反射面的轴向位置发生变化，导致干涉腔的轴向长度也随之发生变化。

进一步，微光纤左段为变截面结构，微光纤左段的中部直径大于左段的两端直径，且中部位置位于空芯光纤外。

进一步，普通单模光纤外表面与石英管内壁之间采用CO₂激光器点焊焊接；微光纤右段外表面与石英管内壁之间采用CO₂激光器点焊焊接。

进一步，所述干涉腔沿空芯光纤轴向上的长度为10-100μm。

为了降低温度变化对干涉腔长度造成的影响，本发明还作了如下改进：制作微光纤的材料的温度膨胀系数大于制作石英管的材料的温度膨胀系数。

为了进一步提高本发明对温度影响的补偿能力，本发明还提出了如下的优选参数设置方式：普通单模光纤与石英管的焊接位置记为B点，微光纤与石英管的焊接位置记为C点，B、C点之间的长度为6.243cm，C点左侧的微光纤长度为6.2cm，制作微光纤的材料的温度膨胀系数为5.437×10^-7/℃，制作石英管的材料的温度膨胀系数为5.4×10^-7/℃。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：传感器具备体积小、精度高、结构简单的优点，同时，还具有温度自补偿功能，解决了现有的光纤加速度传感器的温度自补偿装置体积大、结构复杂的问题。传感器制作简单、灵敏度高、响应速度快、耐恶劣环境能力强。

附图说明

图1、本发明的结构示意图；

图2、本发明与外围设备的连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细说明。

参见图1，本发明的温度自补偿式光纤加速度传感器，由普通单模光纤1、空芯光纤2、石英管3和微光纤4组成；其中，微光纤4为变截面结构，微光纤4左段直径小于右段直径；普通单模光纤1一端与空芯光纤2的一端熔接，空芯光纤2内腔直径大于普通单模光纤1的纤芯直径，空芯光纤2内腔的横截面区域将普通单模光纤1的纤芯覆盖（图1中标记1-1所示器件即为普通单模光纤1的纤芯）；微光纤4左段端部置于空芯光纤2的内腔中，微光纤4左段与空芯光纤2内腔间隙配合，且微光纤4左端面与普通单模光纤1端面间隔一定距离；普通单模光纤1右端面形成第一反射面（见图1中标记1-2所示位置），微光纤4左端面形成第二反射面（见图1中标记4-2所示位置），空芯光纤2内腔中两个反射面之间的间隙形成干涉腔；普通单模光纤1外表面与石英管3内壁焊接，微光纤4右段外表面与石英管3内壁焊接，石英管3将空芯光纤2和微光纤4左段覆盖；石英管3内部与外环境相互隔离。当传感器跟随被测物一起运动时，微光纤4左段在加速度作用下发生弯曲，第二反射面的轴向位置发生变化，导致干涉腔的轴向长度也随之发生变化。其中，普通单模光纤1的左端还需要连接传输光纤。光从普通单模光纤1的左端进入，分别在普通单模光纤1右端面和微光纤4左端面反射，形成反射式的干涉仪。

工作原理：将本发明的温度自补偿式光纤加速度传感器安置在需要测量加速度的部件上，由于微光纤4是弹性的，且微光纤4左段十分纤细，在部件运动时的加速度作用下，微光纤4左段会发生弯曲，使得第二反射面与空芯光纤2的相对位置发生变化，间接地就改变了第一反射面和第二反射面之间的距离，使得干涉腔的轴向长度发生变化。利用单波长的激光器和光电探测器可将该变化转化为输出电信号的变化，从而实现高灵敏度的加速度检测。其中，微光纤4左段和微光纤4左段的两端形成简支梁结构，即微光纤4左段的左端由空芯光纤2内壁提供支撑，微光纤4左段的右端由微光纤4左、右段的连接处形成支撑，微光纤4左段中部的悬置部分即为梁身。

与本发明配合使用的外围设备还有光源、1×2耦合器、光电探测器、数据采集卡和计算机等常规的器件，采用常规信号处理方法即可实现加速度的测量（显然，本发明的传感器也能完成振动量的测量）。本发明与外围设备的连接关系见附图2，其中：本发明的传感器通过2×1的耦合器分别与光源输出端和光电探测器相连接，光电探测器的输出端与数据采集卡连接，再将数据采集卡输出的数据输出到计算机；图中的振动台为实验中用于模拟加速度的装置，具体应用中，振动台可用需要测量加速度的具体设备替换。

常规信号处理方法是指：通过数据采集卡输出的电压信号和光电探测器的光电转换系数及放大倍数来计算出反射光强；再利用计算出的反射光强和FPI的干涉强度公式就可以得到干涉腔体的实际长度，通过干涉腔体的变化和简支梁振动公式即可得出相应的加速度。其中，加速度的计算公式为：

$\mathrm{\α}=\frac{{0.32275\mathrm{\π}}^3\mathrm{EI}}{{\mathrm{mL}}_2^2}\sqrt{\frac{\mathrm{\π}[{\mathrm{\λ}\cos }^{-1}(1-\frac{V}{{2\mathrm{GBRI}}_0})-4\mathrm{n\πL}]}{{\mathrm{nL}}_2}}$

该公式为化简后的最终公式；

其中：α为加速度；EI为微光纤4的弯曲刚度；m为梁身的质量；L₂为梁身长度；λ为输入光的波长；V为光电探测器输出的电压；G为光电探测器的光电转换系数；B为光电探测器的放大倍数；R为第一反射面的反射率，也即普通单模光纤1右端面的反射率；I₀为输入光强度；L为干涉腔的长；n为干涉腔内介质的折射率（该介质一般为制作时残留在石英管3内的空气）。

为了增强微光纤4左段的振动幅度，本发明还作了如下改进：微光纤4左段为变截面结构，微光纤4左段的中部4-1直径大于左段的两端直径，且中部4-1位置位于空芯光纤2外。中部4-1实质上起到了振动放大器的作用，也可将其称为振动块，使微光纤4左段在振动过程中的弯曲幅度得到放大，间接地就放大了干涉腔的长度变化。

微光纤4的长度、直径以及振动块的轴向长度、直径等参数可根据测量对象的加速度范围和测量的灵敏度要求进行调整；

本发明还提出了如下的优选参数设置方案：所述干涉腔沿空芯光纤2轴向上的长度为10-100μm，其余器件的尺寸以此参数为基准进行调节。干涉腔采用前述数值后，可在现有的一般测量条件下，获取到较为理想的测量数据；

本发明的普通单模光纤1外表面与石英管3内壁之间采用CO₂激光器点焊焊接；微光纤4右段外表面与石英管3内壁之间采用CO₂激光器点焊焊接（图1中标记A所示位置即为焊接点，通过CO₂激光焊接后，石英管3内部形成封闭空间）。

本发明的微光纤4，为采用腐蚀法，将普通单模光纤1的外表面腐蚀后得到。其中，带振动块（即中部4-1）的微光纤4的具体制作方法是，a）取一段普通单模光纤，将普通单模光纤上一定长度范围内的涂覆层去掉，这段去掉了涂覆层的部位记为A段，与A段间隔一定距离（该距离即为振动块的轴向长度，该间隔距离范围内的普通单模光纤段记为C段），将普通单模光纤上另一段长度范围内的涂覆层去掉，这一段去掉了涂覆层的部位记为B段，将A段和B段放入5%氢氟酸中浸泡8小时，使A段和B段处的普通单模光纤被酸液腐蚀，缩小A段和B段处的普通单模光纤直径；b）将C段处的涂覆层去掉，然后将C段放入5%氢氟酸中浸泡6小时，同样地，C段处的普通单模光纤直径也因酸液腐蚀而变小，并且，由于C段的浸泡时间小于A段和B段，这就使得C段的直径大于A段和B段处的直径，形成变截面的微光纤4。

环境温度变化引起的器件形变会使干涉腔的轴向长度发生变化，为了降低温度变化对干涉腔长度造成的影响，在前述方案的基础上，本发明还作了如下改进：制作微光纤4的材料的温度膨胀系数大于制作石英管3的材料的温度膨胀系数。其原理是：

干涉腔在温度作用下的长度变化量可用下式示出：

ΔL＝(L₁α₁-L₂α₂)ΔT

其中，ΔL为干涉腔的轴向长度变化量；L₁为石英管3在两个焊接点之间的轴向长度，L₂为两个焊接点之间微光纤4的长度，由器件结构可看出，L₁＞L2；α₁和α₂分别为石英管3和微光纤4的温度膨胀系数；ΔT为温度变化量；

制作器件时，制作石英管3和微光纤4的材料可选择性地使α₂＞α₁，当温度升高时，由于L₁＞L₂，α₂＞α₁，这就可以有效抑制温度变化对干涉腔的影响，即降低ΔL的数值；在此基础上，本发明还提出了一种优选的参数设置方式：普通单模光纤1与石英管3的焊接位置记为B点，微光纤4与石英管3的焊接位置记为C点，B、C点之间的长度为6.243cm，C点左侧的微光纤4长度为6.2cm，制作微光纤4的材料的温度膨胀系数为5.437×10^-7/℃，制作石英管3的材料的温度膨胀系数为5.4×10^-7/℃。将前述参数代入公式ΔL＝(L₁α₁-L₂α₂)ΔT中，所计算出的ΔL的数值小到几乎可以忽略不计，这就有效地降低了温度变化对器件的影响，使本发明的传感器具备温度自补偿能力。

Claims (6)

1.一种具有滑动反射镜式温度自补偿光纤加速度传感器，其特征在于：传感器由普通单模光纤（1）、空芯光纤（2）、石英管（3）和微光纤（4）组成；其中，微光纤（4）为变截面结构，微光纤（4）左段直径小于右段直径；

普通单模光纤（1）一端与空芯光纤（2）的一端熔接，空芯光纤（2）内腔直径大于普通单模光纤（1）的纤芯直径，空芯光纤（2）内腔的横截面区域将普通单模光纤（1）的纤芯覆盖；

微光纤（4）左段端部置于空芯光纤（2）的内腔中，微光纤（4）左段与空芯光纤（2）内腔间隙配合，且微光纤（4）左端面与普通单模光纤（1）端面间隔一定距离；普通单模光纤（1）右端面形成第一反射面，微光纤（4）左端面形成第二反射面，空芯光纤（2）内腔中两个反射面之间的间隙形成干涉腔；

普通单模光纤（1）外表面与石英管（3）内壁焊接，微光纤（4）右段外表面与石英管（3）内壁焊接，石英管（3）将空芯光纤（2）和微光纤（4）左段覆盖；石英管（3）内部与外环境相互隔离；

当传感器跟随被测物一起运动时，微光纤（4）左段在加速度作用下发生弯曲，第二反射面的轴向位置发生变化，导致干涉腔的轴向长度也随之发生变化。

2.根据权利要求1所述的具有滑动反射镜式温度自补偿光纤加速度传感器，其特征在于：微光纤（4）左段为变截面结构，微光纤（4）左段的中部（4-1）直径大于左段的两端直径，且中部（4-1）位置位于空芯光纤（2）外。

3.根据权利要求1所述的具有滑动反射镜式温度自补偿光纤加速度传感器，其特征在于：普通单模光纤（1）外表面与石英管（3）内壁之间采用CO₂激光器点焊焊接；微光纤（4）右段外表面与石英管（3）内壁之间采用CO₂激光器点焊焊接。

4.根据权利要求1所述的具有滑动反射镜式温度自补偿光纤加速度传感器，其特征在于：所述干涉腔沿空芯光纤（2）轴向上的长度为10 -100μm。

5.根据权利要求1所述的具有滑动反射镜式温度自补偿光纤加速度传感器，其特征在于：制作微光纤（4）的材料的温度膨胀系数大于制作石英管（3）的材料的温度膨胀系数。

6.根据权利要求5所述的具有滑动反射镜式温度自补偿光纤加速度传感器，其特征在于：普通单模光纤（1）与石英管（3）的焊接位置记为B点，微光纤（4）与石英管（3）的焊接位置记为C点，B、C点之间的长度为6.243cm，C点左侧的微光纤（4）长度为6.2cm，制作微光纤（4）的材料的温度膨胀系数为5.437×10^-7/℃，制作石英管（3）的材料的温度膨胀系数为5.4×10^-7/℃。

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