CN104483509B - 一种多模干涉光学集成型加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多模干涉光学集成型加速度计，包括ASE宽带光源、环形器、光纤链路、待测模块、传感器件模块和光谱仪；从ASE宽带光源发出的光信号经过环形器进入光纤链路，通过光纤链路进入传感器件模块；在传感器件模块从中，输入的光场通过前单模光纤进入多模光纤中，当悬梁臂形变时，光信号波长发生漂移，漂移后的光信号经过后单模光纤末端附着的铝薄膜反射再次进入光纤链路，通过环形器的作用输出到光谱仪中进行计算。本发明器件结构简单；灵敏度高，对于标准光纤有Pe＝0.22，ν＝0.17，基于此种材料制作的FBG传感器，它的轴向灵敏度系数为1‑Pe＝0.78，而本文提出的加速度计的灵敏度系数为1.56，在数值上是FBG传感器灵敏度的2倍；便于集成，拓展了器件的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及集成光学技术领域，具体涉及一种多模干涉光学集成型加速度计。
背景技术
加速度计作为一种重要的测量仪器，在当前科学研究、生产制造等方面有着广泛的应用。与传统的加速度计相比较，光学加速度计具有重量轻、易于铺设、不受电磁干扰等优点。光学加速度计是光纤传感、光学测量及远程监测系统的基础元件，用以实现加速度测量、振动传感、远程监测等功能。
光学加速度计主要有干涉仪型、布拉格光栅型、谐振腔型、多模干涉型等种类。干涉仪型光学加速度计结构复杂，布拉格光栅型光学加速度计容易受到外界温度变化影响，谐振腔型光学加速度计制作过程复杂。以上三种光学加速度计均为分立元件，不易于与其它元件实现集成。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明提供一种多模干涉光学集成型加速度计，通过附着在悬臂梁上的MMI传感器，获得加速度数据，经过光学器件的光场最终通过光谱仪获得数据，解决了现有技术中光学器件不易集成的问题。
技术方案：一种多模干涉光学集成型加速度计，其特征在于，包括ASE宽带光源、环形器、光纤链路、待测模块、传感器件模块和光谱仪；
ASE宽带光源输出连接环形器，环形器输出连接光纤链路和光谱仪；光纤链路连接传感器件模块；
所述传感器件模块包括衬底和附着在悬梁臂上的MMI传感元件，悬梁臂一端固定在衬底上，另一端连接待测模块；所述MMI传感元件由前单模光纤、一个多模光纤和后单模光纤组成；所述多模光纤位于两个单模光纤之间；
从ASE宽带光源发出的光信号经过环形器进入光纤链路，通过光纤链路进入传感器件模块；在传感器件模块从中，输入的光场通过前单模光纤进入多模光纤中，当悬梁臂形变时，光信号波长发生漂移，漂移后的光信号经过后单模光纤末端铝薄膜反射，再次进入光纤链路，通过环形器的作用输出到光谱仪中进行计算。后单模光纤末端镀铝薄膜反射率高，能够很好的将偏移后的光场反射入光纤链路。
进一步的，MMI传感器件通过UV胶附着在悬梁臂上。对环境空气无污染、无溶剂，可燃性低，且固化速度快，几秒至几十秒即可完成固化，有利于自动化生产线，提高劳动生产率。
有益效果：本发明的有益效果是，器件结构简单；灵敏度高，对于标准光纤有Pe＝0.22，ν＝0.17，基于此种材料制作的FBG传感器，它的轴向灵敏度系数为1-Pe＝0.78，而本文提出的加速度计的灵敏度系数为1.56，在数值上是FBG传感器灵敏度的2倍；便于集成，拓展了器件的应用领域。
附图说明
图1是多模干涉光学集成加速度计实例的结构图；
图2是传感器件的结构图；
图3是MMI传感元件结构图；
图4是悬梁臂轴向受力分析图；
图5是悬梁臂横向受力分析图；
图6是用弯矩图法求悬梁臂形变示意图；
图中，ASE宽带光源1、环形器2、光纤链路3、悬梁臂4、待测质量块5、MMI传感元件6、衬底7、光谱仪8、前单模光纤9、多模光纤10、后单模光纤11。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种多模干涉光学集成型加速度计，其特征在于，包括ASE宽带光源1、环形器2、光纤链路3、待测模块5、传感器件模块和光谱仪8；
ASE宽带光源1输出连接环形器2，环形器2输出连接光纤链路3和光谱仪8；光纤链路3连接传感器件模块；
所述传感器件模块包括衬底7和附着在悬梁臂4上的MMI传感元件6，悬梁臂4一端固定在衬底7上，另一端连接待测模块5；所述MMI传感元件6由前单模光纤9、一个多模光纤10和后单模光纤11组成；所述多模光纤位于两个单模光纤之间；如图2所示，MMI传感元件6通过UV胶附着在悬梁臂4上。如图3所示，多模光纤10长为L，与前单模光纤9和后单模光纤11拼接。两个单模光纤完全相同，后单模光纤11的末端包括镀铝薄膜，用于反射。
从ASE宽带光源发出的光信号经过环形器2进入光纤链路3，通过光纤链路3进入传感器件模块；在传感器件模块从中，输入的光场通过前单模光纤9进入多模光纤10中，当悬梁臂4形变时，光信号波长发生漂移，漂移后的光信号经过后单模光纤11末端铝薄膜反射，再次进入光纤链路3，通过环形器2的作用输出到光谱仪8中进行计算。
从ASE宽带光源发出的光信号通过光纤到达传感器件，从单模光纤输入的光场进入到多模光纤中时，由多模干涉原理可知，多模光纤中的高阶模就会激发而发生干涉并向前传输，并且高阶模发生相长干涉时波长为：
其中，
a是多模光纤的芯层半径；
nco是多模光纤的芯层折射率；
N、m、n(m>n)均为正整数。
当传感器件受到外界加速度作用时，悬梁臂尺寸就会发生变化而产生应变ε，进而对传感元件中多模光纤的尺寸、折射率产生影响，根据弹光效应，使得其中传输的光信号发生波长漂移：
其中，
ν是光纤的泊松比；
Pe是弹光系数；
a为外界加速度；
m为待测质量块的质量；
b、h、l分别为悬梁臂的宽度、厚度和长度；
E为悬梁臂的杨氏模量。
产生波长漂移的光信号经过单模光纤末端的高反射率铝薄膜的反射再次经过光纤线路，在环形器的作用下进入光谱仪，从而使得实验者可以在光谱仪通过测量光谱的变化计算得出漂移波长，进而获得加速度值。
图1是本专利一个实例。由ASE宽带光源1，环形器2，光纤链路3，悬梁臂4，待测质量块5，MMI传感元件6以及衬底7组成。ASE宽带光源1发出光信号，经过环形器2，进入光纤链路3，输入的光场通过单模光纤9进入多模光纤10中，由多模干涉原理可知，此时多模光纤中的高阶模式被激发发生干涉并向前传输，假如待测质量块5受到外界加速度影响，悬梁臂4尺寸就会发生变化而产生应变ε，进而对传感元件中多模光纤10的尺寸、折射率产生影响，根据弹光效应，使得其中传输的光信号发生波长漂移，发生漂移的光信号经过单模光纤11末端的具有高反射率铝薄膜的反射，再次进入光纤链路3，在环形器2的作用下输出到光谱仪8中，通过测量光谱的变化计算得出漂移波长，进而获得加速度值。
在悬梁臂
图4是悬梁臂的轴向受力示意图，悬梁臂受到外力作用时就会发生形变，通过计算可以得出轴向应变和横向应变，进而获得单位横截面积上的应力。
图5是悬梁臂的横向受力示意图，根据横截面积上的应力分析可以得到横截面积上所有力矩之和。
图6是利用弯矩图法求悬梁臂形变示意图，根据悬梁臂挠度曲线，可以获得两横截面的挠度，通过计算可以得出悬梁臂形变。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种多模干涉光学集成型加速度计，其特征在于，包括ASE宽带光源(1)、环形器(2)、光纤链路(3)、待测模块(5)、传感器件模块和光谱仪(8)；
ASE宽带光源(1)输出连接环形器(2)，环形器(2)输出连接光纤链路(3)和光谱仪(8)；光纤链路(3)连接传感器件模块；
所述传感器件模块包括衬底(7)和附着在悬梁臂(4)上的MMI传感元件(6)，悬梁臂(4)一端固定在衬底(7)上，另一端连接待测模块(5)；所述MMI传感元件(6)由前单模光纤(9)、一个多模光纤(10)和后单模光纤(11)组成；所述多模光纤位于两个单模光纤之间；
从ASE宽带光源发出的光信号经过环形器(2)进入光纤链路(3)，通过光纤链路(3)进入传感器件模块；在传感器件模块中，输入的光场通过前单模光纤(9)进入多模光纤(10)中，当悬梁臂(4)形变时，光信号波长发生漂移，漂移后的光信号经过后单模光纤(11)末端铝薄膜的反射，再次进入光纤链路(3)，通过环形器(2)的作用输出到光谱仪(8)中进行计算；
所述MMI传感器件(6)通过UV胶附着在悬梁臂(4)上；
具体的，从ASE宽带光源发出的光信号通过光纤到达MMI传感器件，从前单模光纤输入的光场进入到多模光纤中时，多模光纤中的高阶模就会激发而发生干涉并向前传输，并且高阶模发生相长干涉时波长为：
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其中，
a是多模光纤的芯层半径；
nco是多模光纤的芯层折射率；
N、m、n，m>n均为正整数；
多模光纤(10)长为L；
当MMI传感器件受到外界加速度作用时，悬梁臂尺寸就会发生变化而产生应变ε，进而对MMI传感器件中多模光纤的尺寸、折射率产生影响，根据弹光效应，使得其中传输的光信号发生波长漂移：
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其中，
ν是光纤的泊松比；
Pe是弹光系数；
a为外界加速度；
m为待测质量块的质量；
b、h、l分别为悬梁臂的宽度、厚度和长度；
E为悬梁臂的杨氏模量；
产生波长漂移的光信号经过后单模光纤末端的高反射率铝薄膜的反射再次经过光纤链路，在环形器的作用下进入光谱仪，从而使得实验者可以在光谱仪通过测量光谱的变化计算得出漂移波长，进而获得加速度值。
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