CN105067838B - 一种干涉型光纤加速度计探头及光纤加速度计系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种干涉型光纤加速度计探头及光纤加速度计系统，光纤加速度计探头利用外腔式法布里‑珀罗干涉仪作为敏感元件，包括外壳、质量块、压板、固定底座、弹性膜片、反射镜、配重金属块、光纤头。光纤加速度计系统包括宽谱光源、光纤、2×1耦合器、光纤加速度计探头，光谱检测模块，信号采集与处理系统。本发明采用白光干涉测量技术无需外部信号调制可直接测得待测加速度引起的腔长变化，且结构简单、灵敏度高、动态范围大，易于实现加速度计的多维应用。

Description

一种干涉型光纤加速度计探头及光纤加速度计系统

技术领域

本发明涉及一种加速度计，特别是一种干涉型光纤加速度计探头及光纤加速度计系统。

背景技术

干涉型光纤加速度计是基于光学信号检测位移原理的新型加速度计。相比于传统的机械式加速度计，具有体积小、重量轻、动态范围大、抗电磁干扰的优点。在组成全光纤惯性系统方面具有重要的应用前景，还可以用于地震监测、安防预警以及桥梁等结构的健康监测。

现有干涉型光纤加速度计采用简单金属片作为弹性膜片的结构，设计简单，灵敏度较低；而表面加工有圆网状结构的弹性膜片，其每个圆环上只有一个对称轴，平面对称性较差，影响加速度值的精确测量。且现有的解调方法多采用相位生成载波技术，通过对干涉信号的调制和解调实现对加速度值的测定，该解调方法复杂，需要借助外部信号调制，不利于多维加速度计的集成化和系统的小型化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种干涉型光纤加速度计探头及光纤加速度计系统。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种干涉型光纤加速度计探头，包括外壳、压板、固定底座、光纤夹具、反射镜、上质量块、弹性膜片，下质量块、配重金属块和光纤头；其中上质量块和下质量块开有固定槽，对称的固定在弹性膜片两侧，反射镜固定在上质量块的固定槽内，配重金属块固定在下质量块的固定槽内，压板放在弹性膜片上，与固定底座连接；外壳与固定底座连接把上质量块、下质量块、弹性膜片、压板密封其中，光纤夹具固定在外壳上。

在上述的一种干涉型光纤加速度计探头，所述的干涉型光纤加速度计探头采用外腔式法布里-珀罗干涉仪作为敏感元件。

在上述的一种干涉型光纤加速度计探头，所述光纤头为跳线插头，表面为氧化锆陶瓷材料，光纤头固定在光纤夹具内，并通过光纤夹具中心通孔进入外壳，光纤头与反射镜组成干涉腔，腔长为400-800um。

在上述的一种干涉型光纤加速度计探头，所述弹性膜片采用激光刻蚀的方式加工两圈花瓣状分布的弧形阵列，弹性膜片厚度为80-120um。

在上述的一种干涉型光纤加速度计探头，所述反射镜表面镀银，反射率为95％-99％。

一种干涉型光纤加速度计系统，包含权利要求1所述的干涉型光纤加速度计探头，还包括宽谱光源、输入光纤、2×1耦合器、传输光纤、输出光纤、光谱检测模块和信号采集与处理系统；

宽谱光源：发出光信号并将光信号传输至2×1耦合器；

2×1耦合器：接收来自宽谱光源的光信号并进行耦合处理，将其中一路光信号传输至光纤加速度计探头；接收来自光纤加速度计探头的双光束干涉信号并进行耦合处理，将其中一路双光束干涉光信号传输至光谱检测模块；

光谱检测模块：其衍射光栅在空间上将来自2×1耦合器的双光束干涉信号展开，并由光电探测器阵列将光信号转换为电信号，获得白光干涉光谱信号，发送给信号采集与处理系统；

信号采集与处理系统：包括FPGA、A/D转换电路和数字信号处理器DSP，FPGA控制A/D转换器对白光干涉光谱信号进行模数转换，经过FPGA的预处理后传送给数字信号处理器DSP，根据谱峰级次的变化测出干涉腔长值，通过预先标定的腔长-加速度对应关系解调出待侧加速度的值；

干涉型光纤加速度计探头：接收由2×1耦合器发出的耦合处理后的光信号，并进行双光束干涉处理，将得到的双光束干涉信号返回至2×1耦合器。

在上述的一种干涉型光纤加速度计系统，还包括输入光纤、传输光纤和输出光纤；来自宽谱光源发出的光信号经输入光纤传输至2×1耦合器，光信号经耦合处理后通过传输光纤传输至光纤加速度计探头进行双光束干涉处理，获得的双光束干涉信号经传输光纤传输至2×1耦合器；经2×1耦合器耦合处理后的双光束干涉信号经输出光纤传输至光谱检测模块。

在上述的一种干涉型光纤加速度计系统，所述干涉型光纤加速度计探头进行双光束干涉处理的具体方法为：光纤头端面和反射镜平行位于光纤加速度计探头的内部，来自宽谱光源发出的光信号传输至光纤加速度计探头先经过光纤头，得到一路反射光信号和一路透射光信号，透射光信号经过反射镜得到另一路反射光信号，两路反射信号发生双光束干涉，形成双光束干涉信号。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明设计了一种干涉型光纤加速度计探头，采用激光刻蚀的方式在弹性膜片上加工两圈花瓣状分布的弧形阵列，使其成为双渐开线式弹簧膜片结构，其优点是轴向可变位移量大，能够实现较大的量程和较高的灵敏度。同时其平面对称性好，可以减小来自垂直于输入轴方向的交叉串扰，提高加速度计的测量精度。

(2)、本发明设计了一种干涉型光纤加速度计探头，其结构简单、体积小、重量轻、容易加工、易于加速度计的多维应用。

(3)、本发明设计了一种干涉型光纤加速度计系统，基于白光干涉测量技术，无需外部信号的调制，解调方法简单，可直接根据信号光谱的变化解调出腔长的绝对值，得出待测加速度值。

附图说明

图1为本发明一种干涉型光纤加速度计探头的正视图；

图2为本发明一种干涉型光纤加速度计探头的俯视图；

图3为本发明一种干涉型光纤加速度计探头的内视图；

图4为本发明一种干涉型光纤加速度计探头的弹性膜片结构示意图；

图5为本发明种干涉型光纤加速度计系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明一种干涉型光纤加速度计探头的正视图，如图所示，干涉型光纤加速度计探头包括外壳1、压板2、固定底座3、光纤夹具4、反射镜5、上质量块6、弹性膜片7，下质量块8、配重金属块9和光纤头10，并采用外腔式法布里-珀罗干涉仪作为敏感元件；其中两个质量块6、8上均开有固定槽，且上下对称的固定在弹性膜片7两侧，反射镜5固定在上质量块6的固定槽内，配重金属块9对称的固定在下质量块8的槽内，压板2放在弹性膜片7上，用螺钉与固定底座3连接，使弹性膜片7中心圆形区域悬空，外壳1与固定底座3连接把上质量块6、弹性膜片7、下质量快8密封其中。光纤夹具4固定在外壳1中心的安装孔内，光纤头10为跳线插头，表面为氧化锆陶瓷材料，光纤头10固定在光纤夹具4内，并通过光纤夹具4中心通孔进入外壳1，光纤头10与反射镜5组成干涉腔。

如图2所示为本发明一种干涉型光纤加速度计探头的俯视图，如图所示，外壳1与固定底座3连接把质量块6和8、弹性膜片7、压板2密封其中，光纤夹具4固定在外壳中心的安装孔内。具体安装过程为：上质量块6下部设计有圆形突起，通过弹性膜片7中心的安装孔嵌入下质量块8的中央凹陷，预先已在各接触面之间涂有环氧树脂，固定好之后放在加热台上加热半小时，然后分别将下表面涂有环氧树脂的反射镜5和配重金属块9放在上、下质量块6、8的固定槽中加热固化。压板放在弹性膜片7上，通过四个角上的螺纹孔将弹性膜片7固定在固定底座3上，使得固定有质量块6、8的弹性膜片7中心圆形区域悬空，在输入加速度计变化时，该区域上下移动，引起腔长的变化。

如图3所示为本发明一种干涉型光纤加速度计探头的内视图，如图所示由光纤头10与反射镜5组成干涉腔，其中腔长d为400-800um，光源信号传入光纤加速度计探头后在干涉腔内发生双光束干涉。

如图4为本发明一种干涉型光纤加速度计探头的弹性膜片结构示意图，由图可知弹性膜片7采用不锈钢材料，弹性膜片厚度为80-120um，表面利用激光刻蚀的方式加工有两圈花瓣状分布的弧形阵列，使其成为双渐开线式弹簧膜片结构，其优点是轴向可变位移量大，能够实现较大的量程和较高的灵敏度。

如图5为本发明种干涉型光纤加速度计系统结构框图，如图所示干涉型光纤加速度计系统包括宽谱光源11、输入光纤12、2×1耦合器13、传输光纤14、加速度计探头15、输出光纤16、光谱检测模块17和信号采集与处理系统18。

来自宽谱光源11发出的光信号经输入光纤12传输至2×1耦合器13，由2×1耦合器13将收到的光信号分成强度相等的两束光信号，其中一束光信号放弃，另一束光信号经传输光纤14传输至光纤加速度计探头15，光纤头10端面和反射镜5平行位于光纤加速度计探头15的内部，传输至光纤加速度计探头15的光信号先经过光纤头10，得到一路反射光信号和一路透射光信号，透射的光信号经过反射镜得到另一路反射光信号，两路反射信号发生双光束干涉，干涉光信号再经传输光纤14传输至2×1耦合器13，由2×1耦合器13将收到的干涉光信号分成强度相等的两束光信号，其中一束光信号返回光源，另一束光信号经输出光纤16进入光谱检测模块17，光谱检测模块17由衍射光栅和光电探测器阵列组成,衍射光栅在空间上将干涉信号展开，并由光电探测器阵列将光信号转换为电信号，获得白光干涉光谱，发送给信号采集与处理系统18，信号采集与处理系统18包括FPGA、A/D转换电路和数字信号处理器DSP，由FPGA控制A/D转换器对白光干涉光谱信号进行模数转换，再经过FPGA的预处理后传送给数字信号处理器DSP，根据谱峰级次的变化测出干涉腔长值，再根据预先标定的腔长-加速度对应关系解调出待侧加速度的值。其中干涉光谱中一个特定干涉级次m的谱峰对应的波长λ_m，和腔长d之间的关系为：

其中为初相位，即来自光反射时的相移和反射光耦合进光纤时产生的相位变化；n为光纤端面与反射镜之间的空气折射率；λ_m为特定干涉级次m的谱峰对应的波长；d为腔长。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种干涉型光纤加速度计探头，其特征在于：干涉型光纤加速度计探头包括外壳(1)、压板(2)、固定底座(3)、光纤夹具(4)、反射镜(5)、上质量块(6)、弹性膜片(7)，下质量块(8)、配重金属块(9)和光纤头(10)；其中上质量块(6)和下质量块(8)开有固定槽，对称的固定在弹性膜片(7)两侧，反射镜(5)固定在上质量块(6)的固定槽内，配重金属块(9)固定在下质量块(8)的固定槽内，压板(2)放在弹性膜片(7)上，与固定底座(3)连接；外壳(1)与固定底座(3)连接把上质量块(6)、下质量块(8)、弹性膜片(7)、压板(2)密封其中，光纤夹具(4)固定在外壳(1)上；

干涉型光纤加速度计探头采用外腔式法布里-珀罗干涉仪作为敏感元件；

光纤头(10)为跳线插头，表面为氧化锆陶瓷材料，光纤头(10)固定在光纤夹具(4)内，并通过光纤夹具(4)中心通孔进入外壳(1)，光纤头(10)与反射镜(5)组成干涉腔，腔长(d)为400-800um；

弹性膜片(7)采用激光刻蚀的方式加工两圈花瓣状分布的弧形阵列，弹性膜片(7)厚度为80-120um。

2.根据权利要求1所述的一种干涉型光纤加速度计探头，其特征在于：反射镜(5)表面镀银，反射率为95％-99％。

3.一种干涉型光纤加速度计系统，其特征在于：包含权利要求1所述的干涉型光纤加速度计探头(15)，还包括宽谱光源(11)、输入光纤(12)、2×1耦合器(13)、传输光纤(14)、输出光纤(16)、光谱检测模块(17)和信号采集与处理系统(18)；

宽谱光源(11)：发出光信号并将光信号传输至2×1耦合器(13)；

2×1耦合器(13)：接收来自宽谱光源(11)的光信号并进行耦合处理，将其中一路光信号传输至光纤加速度计探头(15)；接收来自光纤加速度计探头(15)的双光束干涉信号并进行耦合处理，将其中一路双光束干涉光信号传输至光谱检测模块(17)；

光谱检测模块(17)：其衍射光栅在空间上将来自2×1耦合器(13)的双光束干涉信号展开，并由光电探测器阵列将光信号转换为电信号，获得白光干涉光谱信号，发送给信号采集与处理系统(18)；

信号采集与处理系统(18)：包括FPGA、A/D转换电路和数字信号处理器DSP，FPGA控制A/D转换器对白光干涉光谱信号进行模数转换，经过FPGA的预处理后传送给数字信号处理器DSP，根据谱峰级次的变化测出干涉腔长值，通过预先标定的腔长-加速度对应关系解调出待侧加速度的值；

干涉型光纤加速度计探头(15)：接收由2×1耦合器(13)发出的耦合处理后的光信号，并进行双光束干涉处理，将得到的双光束干涉信号返回至2×1耦合器(13)。

4.根据权利要求3所述的一种干涉型光纤加速度计系统，其特征在于还包括输入光纤(12)、传输光纤(14)和输出光纤(16)；来自宽谱光源(11)发出的光信号经输入光纤(12)传输至2×1耦合器(13)，光信号经耦合处理后通过传输光纤(14)传输至光纤加速度计探头(15)进行双光束干涉处理，获得的双光束干涉信号经传输光纤(14)传输至2×1耦合器(13)；经2×1耦合器(13)耦合处理后的双光束干涉信号经输出光纤(16)传输至光谱检测模块(17)。

5.根据权利要求3所述的一种干涉型光纤加速度计系统，其特征在于，所述干涉型光纤加速度计探头(15)进行双光束干涉处理的具体方法为：光纤头(10)端面和反射镜(5)平行位于光纤加速度计探头(15)的内部，来自宽谱光源(11)发出的光信号传输至光纤加速度计探头(15)先经过光纤头(10)，得到一路反射光信号和一路透射光信号，透射光信号经过反射镜得到另一路反射光信号，两路反射信号发生双光束干涉，形成双光束干涉信号。