CN106680536A - 一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统，适用于光纤传感领域。本系统采用单光路的设计，通过光纤干涉原理实现对加速度的测量，包括光源、隔离器、环形器、50％透射50％反射透镜、保偏传感光纤、加速度增敏及转换传感器、反射率高于99％的反射镜、光电探测器以及用来解调加速度的解调模块。使用的光纤都是保偏光纤，可以消除偏振态对干涉的影响。一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统能够准确的测量出加速度的大小。该系统具有结构简单、灵敏度高、测量动态范围宽、不易受环境影响等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统，通过光学干涉原理实现对加速度的测量。
背景技术
加速度计是一种重要的传感器。传统的光纤测量加速度的方法也有很多，如迈克尔逊干涉仪法、M-Z干涉仪法等，其原理是将光源发出的光分成两束，一束通过参考臂，一束通过传感臂，汇合后产生干涉现象，进入光电探测器，进行光电转化等处理后，解调出加速度信息。在这种分立的光路中,参考臂不仅受温度的影响,还常处于被测振动环境中，易受外界环境因素的影响，从而影响光的干涉现象，使测量的灵敏度下降。
罗志会等人(一种单光纤迈克尔逊干涉传感器及传感系统，专利号：201510278193.1)报道了一种单光纤迈克尔逊干涉传感器及传感系统，其两个啁啾光栅的反射率较低，导致测量信号弱，不适用于长距离监测，使用FBG光栅，无法消除偏振态对干涉所造成的影响。姚国珍等人(一种结构简单的新型光纤振动加速度传感器，专利号：201510647965.4)报道了一种结构简单的新型光纤振动加速度传感器，其测量灵敏度低，精度低，不适用于高精度振动测量领域。
发明内容
本发明目的在于介绍一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统。该系统采用单光路的设计，利用光学干涉原理，实现对加速度的测量。该系统具有结构简单、参考臂不受环境振动影响、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、等突出优点。
本发明介绍了一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统，包括光源、隔离器、环形器、50％透射50％反射透镜、保偏传感光纤、加速度增敏及转换传感器、反射率高于99％的反射镜以及光电探测器、解调模块。光源与隔离器相连，环形器的a端口接隔离器,环形器的b端口接50％透射50％反射的透镜,环形器的c端口接光电探测器,光电探测器与解调模块连接。50％透射50％反射透镜与保偏传感光纤连接后，经过加速度增敏及转换传感器，再与反射率高于99％的反射镜相连接。
本发明介绍的一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统的工作原理如下：
光源发出的光通过隔离器，从环形器的a端口射入，从环形器的b端口射出，到达50％透射50％反射的透镜，将光分成两部分，光强的50％被反射，光强的50％透过透镜继续传播，经过保偏传感光纤、加速度增敏及转换传感器，到达反射率高于99％的反射镜，被反射镜反射，经过50％透射50％反射的透镜的透射后，与透镜反射的光进行干涉，然后从环形器的c端口射出到光电探测器，进入解调模块进行解调。设两个透镜的反射系数分别为R1和R2，激光的光强为I0。则第一个透镜的反射光为I0*R1。透射光为I0*(1-R1)。到达第二个反射镜时，反射信号的光强为I0*(1-R1)*R2，反射信号通过第一个透镜后的强度为I0*(1-R1)2*R2。这里是第一次反射的结果，虽然第一次两路光强有一定的差别，但考虑到入射光会在两个透镜之间反复的进行反射和透射，所以每次反射和透射的光强会不断地累加，进行极限求和运算后可以发现入射光强和保偏光纤的出射光强差别不大。而且两束光是经同一光源发射的光，具有相同的传播方向以及稳定的相位差,因此会产生双光束干涉。
加速度增敏及转换传感器有三种不同的形式。保偏光纤缠绕在硅胶柱体上，如图2所示，在硅胶柱体上面放质量为M的质量块，组成顺变柱体式加速度增敏及转换传感器。光纤粘在悬臂梁上，如图3所示，悬臂梁的一端固定，另一自由端放一个质量为M的质量块，组成悬臂梁式加速度增敏及转换传感器。光纤粘在盘片上，如图4所示，在盘片上固定一个质量为M的质量块，组成盘片式加速度增敏及转换传感器。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
(1)本系统为单光路设计，与传统的双光路系统相比,避免了参考臂容易受环境温度和振动的影响,光的干涉不会被干扰，使系统输出稳定性提高。
(2)系统使用的光纤全是保偏光纤，可以消除偏振态对干涉的影响。
(3)本系统吸收了顺变柱体式、悬臂梁式、盘片式三种传感器的优点，提高了测量的灵敏度。
附图说明
图1为本发明的整体系统框图。
图2为顺变柱体式加速度增敏及转换传感器。
图中1为质量为M的质量块，2是光纤，3是硅胶柱体。
图3为悬臂梁式加速度增敏及转换传感器。
图中1是光纤，2是质量为M的质量块，3是悬臂梁。
图4为盘片式加速度增敏及转换传感器。
图中1是质量为M的质量块，2是光纤，3是盘片。
图5三种传感器的力学等效模型。
图中1是质量为M的质量块，2是弹簧，3是弹簧阻尼。
具体实施方式
下面结合附图1至图5对本发明进行进一步详细说明：
一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统，由光源1、隔离器2、环形器3、50％透射50％反射的透镜4、保偏传感光纤5、加速度增敏及转换传感器6、反射率高于99％的反射镜7、光电探测器8、解调模块9组成。
一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统的整体光路图如图1所示。光源发出的光，经过隔离器，进入环形器的a端口，从环形器的b端口输出，经过50％透射50％反射的透镜、保偏传感光纤、加速度增敏及转换传感器，到达反射率高于99％的反射镜，被反射镜反射，经过50％透射50％反射的透镜的透射后，与透镜反射的光进行干涉，然后从环形器的c端口射出。经过光电探测器，进入解调模块进行解调。
所述系统的光源为分布反馈式激光器(DFB)，中心波长为1550nm窄线宽光源。
透镜的透射率及反射率分别为50％、50％。
反射镜的反射率高于99％。
所使用的传输光纤都是保偏光纤。
解调模块对光电探测器探测到的干涉信号进行相位的解调，从而解调出加速度。
在三种传感器中，当质量块M振动时，带动硅胶柱体、悬臂梁或者盘片运动，不断地压缩或者拉伸光纤，使光纤产生形变，改变光相位，从而实现加速度的测量。
三种加速度增敏及转换传感器都可以等效为如图5所示的力学模型。
对质量块M进行受力分析，在其固有频率以下的振动测量应用中，质量块M的位移x与被测加速度a为线性关系x＝ηa，η为常数。
对于光学干涉系统，得到相位的变化与位移的关系，是相位的变化，λ是激光器的波长，n是光纤的折射率。通过以上两个式子，可以得到相位的变化与加速度的关系,既所以，通过干涉信号相位的变化即可反映所要测量的振动加速度。
Claims (7)
1.一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统，其特征在于：由光源(1)、隔离器(2)、环形器(3)、50％透射50％反射的透镜(4)、保偏传感光纤(5)、加速度增敏及转换传感器(6)、反射率高于99％的反射镜(7)、光电探测器(8)、解调模块(9)组成，光源(1)发出的光，经过隔离器(2)，进入环形器(3)的a端口，从环形器(3)的b端口输出，经过50％透射50％反射的透镜(4)、保偏传感光纤(5)、加速度增敏及转换传感器(6)，到达反射率高于99％的反射镜(7)，被反射率高于99％的反射镜(7)反射，经过50％透射50％反射的透镜(4)的透射后，与透镜反射的光进行干涉，然后从环形器(3)的c端口射出，经过光电探测器(8)，进入解调模块(9)进行解调。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统，其特征在于：透镜的透射率及反射率分别为50％、50％，反射镜的反射率高于99％。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统，其特征在于：50％透射50％反射的透镜(4)可以选择20％反射80％透射的透镜或者30％反射70％透射的透镜。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统，其特征在于：光纤可采用保偏光纤，也可以选择普通光纤，可根据灵敏度需求进行选择。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统，其特征在于：所述加速度增敏及转换传感器(6)的第一种形式是光纤缠绕在硅胶柱体上，硅胶柱体上放一个质量为M的质量块，组成顺变柱体式加速度增敏及转换传感器。
6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统，其特征在于：所述加速度增敏及转换传感器(6)的第二种形式是光纤粘在悬臂梁上，悬臂梁的一端固定，另一自由端放一个质量为M的质量块，组成悬臂梁式加速度增敏及转换传感器。
7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的单保偏光纤干涉式加速度传感系统，其特征在于：所述加速度增敏及转换传感器(6)的第三种形式是光纤粘在盘片上，在盘片上固定一个质量为M的质量块，组成盘片式加速度增敏及转换传感器。
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