CN105548611A - 一种带有温度自补偿功能的光纤f-p腔加速度传感器 - Google Patents

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刘春红
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    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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Abstract

本发明涉及一种带有温度自补偿功能的光纤F-P腔加速度传感器，属于光纤传感领域。包括光纤F-P腔加速度传感器探头、准直管及刻制带有光栅的光纤。合理设计光纤F-P腔加速度传感器探头后端的封装结构，使光栅位于准直管内，通过胶粘或焊接连接准直管与光纤的上、下端面，利用光栅对温度敏感的原理，使光栅仅感受温度变化，通过对两光谱的采集和分析，得出光栅中心波长的偏移，分离出温度对光纤F-P腔的影响，变化实现对光纤F-P腔加速度传感器的温度补偿。本发明的优点在与不改变光纤F-P腔加速度传感器探头的原有结构，仅在后端连接的光纤上刻写光栅，实现对光纤F-P加速度传感器的温度补偿。

Description

一种带有温度自补偿功能的光纤F-P腔加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种带有温度自补偿功能的光纤F-P腔加速度传感器，属于光纤传感领域。
背景技术
20世纪70年代末80年代初，光纤传感技术作为一门新兴技术开始发展，也是近年来异军突起的一门新学科和新领域。由于光纤传感器具有重量轻及相应的传导线具有抗辐射特性的优点，因此成为航空工业最有潜力的用户之一。光纤通信在飞机上的应用就充分表明了这一点。由于相邻光纤之间绝对无串话干扰，因此整个布线就极为简单。
加速度计是惯性导航系统和惯性制导系统的重要器件，用来测量运动物体的加速度和线性位移。已有的加速度计种类繁多，而且能够满足现有的绝大多数应用领域的要求，但随着应用需求的变化，要求惯性器件同时具备精度高、体积小、重量轻、耗能低、经济以及易于批量生产等特点，已有的加速度计却很难同时满足这些变化。
传统加速度传感器采用机电方法测量质量块的惯性力或位移，而光纤加速传感器则采用光纤传感技术测量质量块的惯性力或位移。相比之下，光纤加速度传感器不但具有抗电磁干扰的独特优点，而其体积小、质量轻、动态范围宽、精度高、能在恶劣环境下工作，因此光纤加速度传感器的研究受到高度重视，各种光纤加速度传感器不断涌现。其中其中F-P腔干涉型光纤加速度传感器就是其中的一种。但是由于F-P腔光纤加速度传感器受温度影响严重，因此需要加入温度补偿，消除温度对光纤F-P腔加速度传感器的影响，扩大了光纤F-P腔加速度传感器的使用范围。
目前国内外带有温度补偿的光纤加速度传感器一般在结构上采用差动式结构，如CN101424696及US6921894，都是利用在弹性结构上设计对称结构，构成差动式结构，实现温度补偿。这种结构虽然温度补偿更为直接，但是具有结构复杂，可实施性差等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有温度自补偿功能的光纤F-P腔加速度传感器，该传感器基于MEMS加工工艺，将F-P腔单独加工制作，具有工艺简单可控，一致性好等优点；加入的光栅可以不改变F-P腔的光谱，实现对传感器的温度补偿，具有方案简单、易于实现等优点。同时加速度传感器具有较高的灵敏度及响应频率，可以实现高精度加速度的测量。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种带有温度自补偿功能的光纤F-P腔加速度传感器，包括弹性元件、基座、准直管以及光纤；弹性元件为中心带有凸台的结构，凸出位置命名为质量块，平台位置命名为弹性梁；基座为凹槽结构；准直管为中空圆柱体，用于固定光纤；弹性元件、基座与准直管依次固定连接；光纤通过准直管后与基座固定连接；光纤上刻有光栅，需保证刻有光栅的光纤位于与准直管接触的部分；
所述凹槽底面中心点与弹性元件底面中心点对应，两中心点连成一条直线，该直线即为光纤加速度传感器的中心线；
需保证所述凹槽底面有部分为平面，且该平面需将凹槽底面中心点包含其中；该平面与弹性元件底面相互平行；
所述光纤加速度传感器沿竖直方向的中心线左右对称；
所述弹性元件的材料为硅片；所述基座的材料为二氧化硅；所述准直管的材料为二氧化硅或石英；
所述的弹性元件与基座采用MEMS工艺连接；所述的准直管与基座采用激光焊接工艺或胶粘技术连接；所述的光纤与准直管采用激光焊接技术或胶粘技术连接。
所述的弹性元件为薄膜结构，形状为圆形或者矩形；
所述的基座为矩形或圆形；
所述凹槽为矩形、圆弧形、圆柱形或其他轴对称的形状；
所述的弹性元件及基座组成光纤F-P腔加速度传感器探头；
工作过程：传感器受到外界的振动时，光纤F-P腔加速度传感器探头受到惯性力的作用，导致F-P腔的腔长发生变化，由于准直管与光纤材料相同，光栅仅感受温度的变化，通过光纤进行信号的传输，通过对两光谱的采集和分析，利用光栅中心波长的偏移量，分离出温度对光纤F-P腔的影响，实现对光纤F-P腔加速度传感器的温度补偿，得出加速度值。
有益效果
1、本发明的一种带有温度自补偿功能的光纤F-P腔加速度传感器，基于MEMS加工工艺，将F-P腔单独加工制作，具有工艺简单可控，一致性好等优点；
2、本发明的一种带有温度自补偿功能的光纤F-P腔加速度传感器，具有较高的灵敏度及响应频率，可以实现高精度加速度的测量；
3、本发明的一种带有温度自补偿功能的光纤F-P腔加速度传感器，通过光栅中心波长的偏移量，分离出温度参数，即可对加速度传感器的测试结果进行修正，实现温度补偿；
附图说明
图1是本发明的一种实施形式传感器的结构示意图；
图2是本发明的弹性元件的结构示意图；
图3是带有温度自补偿的光纤F-P腔加速度传感器的反射光谱。
其中，101—弹性元件；102—基底；103—准直管；104—光纤；105—弹性梁；106—质量块；107—光栅。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做详细描述。
实施例1
如图1、图3所示，一种带有温度自补偿功能的光纤F-P腔加速度传感器，包括弹性元件101、基座102、准直管103以及光纤104；弹性元件101为中心带有凸台的结构，凸出位置命名为质量块106，平台位置命名为弹性梁105，如图2所示；基座102为凹槽结构；准直管103为中空圆柱体，用于固定光纤104；弹性元件101、基座102与准直管103依次固定连接；光纤104通过准直管103后与基座102固定连接；光纤104上刻有光栅107，需保证刻有光栅107的光纤104位于与准直管103接触的部分；
所述凹槽底面中心点与弹性元件101底面中心点对应，两中心点连成一条直线，该直线即为光纤加速度传感器的中心线；
需保证所述凹槽底面有部分为平面，且该平面需将凹槽底面中心点包含其中；该平面与弹性元件101底面相互平行；
所述光纤加速度传感器沿竖直方向的中心线左右对称；
所述弹性元件101的材料为硅片；所述基座102的材料为二氧化硅；所述准直管103的材料为二氧化硅或石英；
所述的弹性元件101与基座102采用MEMS工艺连接；所述的准直管103与基座102采用激光焊接工艺或胶粘技术连接；所述的光纤104与准直管103采用激光焊接技术或胶粘技术连接。
所述的弹性元件101为薄膜结构，形状为圆形或者矩形；
所述的基座102为矩形或圆形；
所述凹槽为矩形、圆弧形、圆柱形或其他轴对称的形状；
所述的光纤104为多模光纤；
所述的弹性元件101及基座102组成光纤F-P腔加速度传感器探头；
所述的光栅107外端距离光纤端面1mm～2mm位置，光栅107长度为2mm～14mm。
工作过程：传感器受到外界的振动时，光纤F-P腔加速度传感器探头受到惯性力的作用，导致F-P腔的腔长发生变化，由于准直管103与光纤104材料相同，光栅107仅感受温度的变化，通过光纤104进行信号的传输，通过对两光谱的采集和分析，利用光栅中心波长的偏移量，分离出温度对光纤F-P腔的影响，实现对光纤F-P腔加速度传感器的温度补偿，得出加速度值。
经过试验测试，300件通过MEMS工艺制作的F-P腔的腔长范围可控制在105μm±5μm。经过在振动台振动测试，基于MEMS工艺的光纤加速度传感器的灵敏度可达36nm/g，传感器的频率响应范围可达20Hz～2.5kHz。在温箱的温度测试中，光栅的温度灵敏度系数为10.6pm/℃，F-P腔的温度灵敏度系数为48.8pm/℃，则在变温条件下即可通过光栅中心波长的偏移量进行，对F-P腔的腔长变化量进行温度补偿。

Claims (7)

1.一种带有温度自补偿功能的光纤F-P腔加速度传感器，其特征在于：包括弹性元件(101)、基座(102)、准直管(103)以及光纤(104)；弹性元件(101)为中心带有凸台的结构，凸出位置命名为质量块(106)，平台位置命名为弹性梁(105)；基座(102)为凹槽结构；准直管(103)为中空圆柱体，用于固定光纤(104)；弹性元件(101)、基座(102)与准直管(103)依次固定连接；光纤(104)通过准直管(103)后与基座(102)固定连接；光纤(104)上刻有光栅(107)，需保证刻有光栅(107)的光纤(104)位于与准直管(103)接触的部分。
2.如权利要求1所述的一种带有温度自补偿功能的光纤F-P腔加速度传感器，其特征在于：所述凹槽底面中心点与弹性元件(101)底面中心点对应，两中心点连成一条直线，该直线即为加速度传感器的中心线，加速度传感器沿中心线左右对称。
3.如权利要求1或2所述的一种带有温度自补偿功能的光纤F-P腔加速度传感器，其特征在于：需保证所述凹槽底面有部分为平面，且该平面需将凹槽底面中心点包含其中；该平面与弹性元件(101)底面相互平行。
4.如权利要求1所述的一种带有温度自补偿功能的光纤F-P腔加速度传感器，其特征在于：所述弹性元件(101)的材料为硅片；所述基座(102)的材料为二氧化硅；所述准直管(103)的材料为二氧化硅或石英。
5.如权利要求1或4所述的一种带有温度自补偿功能的光纤F-P腔加速度传感器，其特征在于：所述的弹性元件(101)与基座(102)采用MEMS工艺连接；所述的准直管(103)与基座(102)采用激光焊接工艺或胶粘技术连接；所述的光纤(104)与准直管(103)采用激光焊接技术或胶粘技术连接。
6.如权利要求1所述的一种带有温度自补偿功能的光纤F-P腔加速度传感器，其特征在于：所述的弹性元件(101)为薄膜结构，形状为圆形或者矩形；所述的基座(102)为矩形或圆形；所述凹槽为矩形、圆弧形、圆柱形或其他轴对称的形状。
7.如权利要求1或2或4或6所述的一种带有温度自补偿功能的光纤F-P腔加速度传感器，其特征在于：传感器受到外界的振动时，光纤F-P腔加速度传感器探头受到惯性力的作用，导致F-P腔的腔长发生变化，由于准直管(103)与光纤(104)材料相同，光栅(107)仅感受温度的变化，通过光纤(104)进行信号的传输，通过对两光谱的采集和分析，利用光栅中心波长的偏移量，分离出温度对光纤F-P腔的影响，实现对光纤F-P腔加速度传感器的温度补偿，得出加速度值。
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