CN106940387B - 一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器 - Google Patents
一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器 Download PDFInfo
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Abstract
一种光纤迈克尔逊干涉式加速度传感器，包括筒体、上限位销、第一准直器、光耦合器、下限位销、质量块、第二准直器、环形磁体；光隔离器、激光光源、光电探测器和相位解调电路。本发明将质量块设计成迈克尔逊干涉仪自由空间光路的一部分，利用静磁排磁通效应将质量块置于悬浮状态，将外界加速度变化转化为质量块的微小位移，再通过差分式光纤迈克尔逊干涉装置检测质量块位移引起的相位变化，实时解调传感器的加速度变化。该传感器采用磁悬浮方式规避机械阻尼的影响，引入双反射法拉第旋光结构消除偏正衰落的影响，具有灵敏度高，稳定性好，体积小，制作简单等优点，具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及加速度传感器，具体而言是一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器。
背景技术
目前，大多数光纤加速度传感器是利用弹性元件和质量块将外界加速度转化为位移或应变，再将位移或者应变传导到传感光纤上，使传感光纤中信号的光波长、相位等参量发生变化，通过解调光学参量的变化，获取外界的加速度。如专利“一种悬臂梁式光纤光栅加速度计”(申请号：200710065321.X)、“基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计”(申请号：200710065322.X)等采用了悬臂梁式的机械结构，将加速度转化为光栅的波长变化后再进行检测。而专利“一种光纤加速度计”(申请号：201510519101.4)、“一种基于迈克尔逊干涉仪垂直振动位移传感器”(申请号：201310018899.5)中虽然采用干涉型相位传感技术检测加速度或者位移，但仍然需要机械结构作为敏感元件，传感器的灵敏度不高，重复性差。因此，如何充分发挥干涉型相位传感器优势，降低机械结构的影响，是高灵敏度加速度传感器设计需要考虑的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器，克服了传统光纤加速度传感器中机械结构对灵敏度的影响，将质量块设计成迈克尔逊干涉仪自由空间光路的一部分，采用静磁悬浮技术规避机械阻尼的影响，将加速度作用转换为干涉仪臂长的差动变化，降低外界环境的干扰，提高传感器的灵敏度。
本发明采取的技术方案为：
一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器,其特征在于：包括筒体、上限位销、第一准直器、光耦合器、下限位销、质量块、第二准直器、环形磁体。
筒体正上方固定安装第一准直器，正下方固定安装第二准直器，质量块悬浮于筒体的内部，与第一准直器、第二准直器具有相等的距离。质量块用于调整加速度传感器的灵敏度和谐振频率，反射来自第一准直器、第二准直器入射光，并使光的偏振态顺时针旋转90°。
第一准直器、第二准直器连接光耦合器，光耦合器、第一准直器、质量块的上反射面以及两者之间的自由空间光路，构成第一迈克尔逊干涉臂；光耦合器、第二准直器、质量块的下反射面以及两者之间的自由空间光路，构成第二迈克尔逊干涉臂。
筒体内设有环形磁体，环形磁体用于产生静态磁场，利用排磁通效应使质量块处于悬浮态。
筒体上设有上限位销，用于限制质量块向上运动的最大行程，筒体上设有下限位销，用于限制质量块向下运动的最大行程；
优选地，质量块由磁环、第一法拉第旋光镜、第二法拉第旋光镜构成，法拉第旋光镜两侧面分别镀高反膜和增透膜，第一法拉第旋光镜高反膜面与第二法拉第旋光镜高反膜面叠装，再点胶固化在磁环内。法拉第磁环的双面反射结构设计，方便对迈克尔逊干涉仪的光程变化进行差分检测，与此同时，当光信号入射进法拉第旋光镜后，法拉第旋光镜的磁光效应使信号光的偏振态顺时针旋转45°，反射后再旋转45°，总计旋转90°。则正向入射光与反向反射光在坐标方向的偏振变化反向，产生的偏振衰落相互抵消，从而有效消除偏振衰落的影响，改善信噪比。
优选地，磁环产生饱和磁场，保证法拉第旋光镜产生磁光效应，将入射并反射的光偏振态旋转90°，并与环形磁体产生排磁通效应，使所述质量块处于一维的自由悬浮状态。由于法拉第旋光镜需要在磁场的作用下才能产生磁光效应，且工作在饱和磁场区域，在传感器上设计环形磁体，利用排磁通效应使质量块处于悬浮状态，既不会影响旋光效果，又减小了质量块因机械接触导致的灵敏度降低。
优选地，光耦合器连接光隔离器，光隔离器连接激光光源；光耦合器连接光电探测器，光电探测器连接相位解调电路。这种构成了一个双臂包含自由光路的迈克尔逊干涉仪，能更加灵敏的检测振动等参量。
优选地，一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器的加速度测量方法，激光光源的连续光信号经过光隔离器后进入光耦合器，被分成功率相等的两束光分别进入第一迈克尔逊干涉臂、第二迈克尔逊干涉臂，当加速度传感器的环境加速度恒定时，静磁作用力使得质量块处于磁悬浮状态，通过灵活调节的质量块处于平衡状态，干涉仪的两臂相差稳定；
当环境加速度变化时，质量块在上限位销和下限位销的范围内起振，质量块与两个准直器之间的距离发生变化，干涉仪的第一迈克尔逊干涉臂、第二迈克尔逊干涉臂反向差动变化，经过光电探测器探测后，采用3*3耦合器解调法或者PGC解调法实时解调传感系统的相位变化，即可获得质量块的加速度。
优选地，一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器的加速度测量方法，其特征在于：加速度引起质量块(6)的位移△x改变，进而产生的相差△φ为：
其中，λ为激光光源的中心波长。
这种设计，使加速度产生的位移变化对光程的改变提升到传统干涉式传感器的4倍，且让迈克尔逊干涉仪的两臂同时参与传感，且通过调节质量块的配重，将迈克尔逊干涉仪的两臂长调节到相等，当加速度作用时，两臂长产生差分变化，有效减小温度、激光光源噪声等的影响，改善干涉仪的性能。
本发明一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器,技术效果如下：
(1)灵敏度高，稳定性好。采用静磁悬浮方式，使质量块处于重力和磁场悬浮力的平衡态，避免了传统加速度传感器机械摩擦对灵敏度的影响，提高了传感器的灵敏度；质量块中的两个法拉第旋光镜与准直器构成光纤迈克尔逊干涉仪的两臂，有效减小偏振衰落噪声的影响；与此同时，质量块引起干涉仪臂长差的差动变化，灵敏度提高2倍，也消除或减小了温度、光源噪声等的影响，稳定性好。相位检测可以采用成熟的3*3耦合器方法解调，技术成熟，频率检测范围宽。
(2)体积小，结构简单。传感器直径可以做到几个mm，长度约20mm的管状结构，体积小，安装方便；环形磁体、法拉第旋光镜、磁环可以选用工业产品，组装方便。
(3)无源，方便远程检测。传感器无需供电，传感器灵敏度与传输光纤的长度相关性小，便于远程检测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的质量块的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器,包括筒体1、上限位销2、第一准直器3、光耦合器4、下限位销5、质量块6、第二准直器7、环形磁体8。
筒体1正上方固定安装第一准直器3，正下方固定安装第二准直器7，质量块6悬浮于筒体1的内部，与第一准直器3、第二准直器7具有相等的距离。质量块6用于调整加速度传感器的灵敏度和谐振频率，反射来自第一准直器3、第二准直器7的入射光，并使光的偏振态顺时针旋转90°。
第一准直器3、第二准直器7连接光耦合器4，光耦合器4、第一准直器3、质量块6的上反射面以及两者之间的自由空间光路，构成第一迈克尔逊干涉臂；光耦合器4、第二准直器7、质量块6的下反射面以及两者之间的自由空间光路，构成第二迈克尔逊干涉臂。
筒体1内设有环形磁体8，环形磁体用于产生静态磁场，利用排磁通效应使质量块处于悬浮态。
筒体1上设有上限位销2，用于限制质量块6向上运动的最大行程，筒体1上设有下限位销5，用于限制质量块6向下运动的最大行程；
质量块6由磁环601、第一法拉第旋光镜602、第二法拉第旋光镜603构成，如图2所示，所述法拉第旋光镜两侧面分别镀高反膜和增透膜，第一法拉第旋光镜602高反膜面与第二法拉第旋光镜603高反膜面叠装，再点胶固化在磁环601内。法拉第旋光镜采用钇铁石榴石单晶制作，在饱和磁场的作用下，当光穿过法拉第旋光镜后，偏振态改变45°。本发明中光信号通过法拉第旋光镜的透射面(增透膜)入射，穿过法拉第旋光镜后再沿着原光路返回，再次旋转45°，保证光纤经过法拉第旋光镜反射光的偏振态旋转90°。磁环产生法拉第旋光镜所需的饱和磁场，并与环形磁体产生排磁通效应，使质量块6整体处于一维的自由悬浮状态。法拉第旋光镜的工作波长1550nm，两侧面分别镀高反膜和增透膜，高反膜的反射率大于99％，增透膜的透射率大于99.9％。第一法拉第旋光镜602高反膜面与第二法拉第旋光镜603高反膜面叠装，再点胶固化在磁环内实际制作中，当需要调制加速度传感器的固有频率和灵敏度时，可以在质量块6上嵌套金属进行配重，以满足不同传感器的设计需求。
光耦合器4分光比为1:1，工作波长1550nm,插入损耗小于3.3dB。
加速度传感器采用静磁排磁通效应使质量块6处于悬浮状态，当传感器所处环境的加速度改变后，质量块6的空间位置会发生变化，第一法拉第旋光镜602与第一准直器3、第二法拉第旋光镜603与第二准直器7之间的距离会发生反向变化，导致迈克尔逊干涉仪的臂长改变，进而引起传感光信号相位的变化，通过实时解调相位变化即可获取加速度。质量块6的位移△x与相差△φ的关系为：
其中，λ为激光光源的中心波长。
该传感器还包括光隔离器9、激光光源10、光电探测器11和相位解调电路12。激光光源10的连续光信号经过光隔离器9后进入光耦合器4，被分成功率相等的两束光分别进入第一迈克尔逊干涉臂、第二迈克尔逊干涉臂的光路。
当加速度传感器的环境加速度恒定时，静磁作用力使得质量块6处于磁悬浮状态，此时质量块6处于平衡状态，干涉仪的两臂相差稳定。当环境加速度变化时，质量块6在上限位销2和下限位销5的范围内起振，质量块6与两个准直器之间的距离发生变化，干涉仪的第一迈克尔逊干涉臂、第二迈克尔逊干涉臂反向差动变化，即一个臂长增加，另一个臂长减小，且大小相当，引起光程差的变化是质量块6位移变化的4倍，这比经典迈克尔逊干涉式加速度传感器灵敏度增加一倍。光程差的变化将引起光强信号变化，经过光电探测11探测后，采用3*3耦合器解调法或者PGC解调法实时解调传感系统的相位变化，即可获得质量块6的加速度。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器,其特征在于：包括筒体(1)、上限位销(2)、第一准直器(3)、光耦合器(4)、下限位销(5)、质量块(6)、第二准直器(7)、环形磁体(8)；
筒体(1)正上方固定安装第一准直器(3)，正下方固定安装第二准直器(7)，质量块(6)悬浮于筒体(1)的内部，与第一准直器(3)、第二准直器(7)具有相等的距离；质量块(6)用于调整加速度传感器的灵敏度和谐振频率，反射来自第一准直器(3)、第二准直器(7)入射光，并使光的偏振态顺时针旋转90°；
第一准直器(3)、第二准直器(7)连接光耦合器(4)，光耦合器(4)、第一准直器(3)、质量块(6)的上反射面以及两者之间的自由空间光路，构成第一迈克尔逊干涉臂；光耦合器(4)、第二准直器(7)、质量块(6)的下反射面以及两者之间的自由空间光路，构成第二迈克尔逊干涉臂；
筒体(1)内设有环形磁体(8)，环形磁体(8)用于产生静态磁场，利用排磁通效应使质量块(6)处于悬浮态；
筒体(1)上设有上限位销(2)，用于限制质量块(6)向上运动的最大行程，筒体(1)上设有下限位销(5)，用于限制质量块(6)向下运动的最大行程；
该传感器还包括光隔离器(9)、激光光源(10)，所述光耦合器(4)连接光隔离器(9)，光隔离器(9)连接激光光源(10)；激光光源(10)的连续光信号经过光隔离器(9)后进入光耦合器(4)，被分成功率相等的两束光分别进入第一迈克尔逊干涉臂、第二迈克尔逊干涉臂的光路。
2.根据权利要求1所述一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器,其特征在于：所述质量块(6)由磁环(601)、第一法拉第旋光镜(602)、第二法拉第旋光镜(603)构成，所述第一、第二法拉第旋光镜两侧面分别镀高反膜和增透膜，第一法拉第旋光镜(602)高反膜面与第二法拉第旋光镜(603)高反膜面叠装，再点胶固化在磁环(601)内。
3.根据权利要求2所述一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器,其特征在于：所述磁环(601)产生饱和磁场，保证法拉第旋光镜产生磁光效应，将入射并反射的光偏振态旋转90°，并与环形磁体(8)产生排磁通效应，使所述质量块(6)处于一维的自由悬浮状态。
4.根据权利要求1所述一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器,其特征在于：光耦合器(4)连接光电探测器(11)，光电探测器(11)连接相位解调电路(12)。
5.采用如权利要求1～4所述任意一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器的加速度测量方法，其特征在于：激光光源(10)的连续光信号经过光隔离器(9)后进入光耦合器(4)，被分成功率相等的两束光分别进入第一迈克尔逊干涉臂、第二迈克尔逊干涉臂，当加速度传感器的环境加速度恒定时，静磁作用力使得质量块(6)处于磁悬浮状态，调节质量块(6)的配重，使处于中间位置的平衡状态，干涉仪的两臂长相等，相位差恒定；
当环境加速度变化时，质量块(6)在上限位销(2)和下限位销(5)的范围内起振，质量块(6)与两个准直器之间的距离发生变化，干涉仪的第一迈克尔逊干涉臂、第二迈克尔逊干涉臂反向差动变化，经过光电探测器(11)探测后，采用3*3耦合器解调法或者PGC解调法实时解调传感系统的相位变化，即可获得质量块(6)的加速度。
6.采用如权利要求5所述的加速度测量方法，其特征在于：加速度引起质量块(6)的位移△x改变，进而产生的相差△φ为：
其中，λ为激光光源的中心波长。
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