CN108732381A - 一种全光纤加速度测量装置及方法 - Google Patents

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张天阳
高明
张雄星
陈海滨
王可宁
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    • 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

本发明公开了一种全光纤加速度测量装置及方法，该装置包括：半导体激光器、光纤环行器、光纤准直器、两个光纤耦合器、声光移频器、光纤延迟线和光电探测器。半导体激光器输出端接入光纤环行器端口，光纤环行器端口与光纤准直器相连，光纤环行器的端口接光纤耦合器输入端，光纤耦合器的一个输出端与声光移频器输入端连接，另一个输出端与光纤延迟线输入端连接，声光移频器与光纤延迟线的输出端通过另一个光纤耦合器接到光电探测器。本发明可实现非接触高精度可判向的加速度测量。

Description

一种全光纤加速度测量装置及方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种全光纤加速度测量装置及方法。
背景技术
加速度传感器是一种测量物体加速度的传感元件，在工业、科研、国防等领域内有着广泛而重要的应用价值。其中，光纤加速度传感器，由于体积小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、动态范围大等潜在优势，日益受到学术界与产业界的重视。
目前的光纤加速度传感器主要有光纤法布里-珀罗加速度传感器、光纤布拉格光栅加速度传感器、迈克尔逊干涉型加速度传感器、马赫-增德尔干涉性加速度传感器，这些光纤加速度传感器均需要安装于目标物体表面，并配合使用一定形式的质量块和机械弹性结构，才能够实现对目标物体加速度的测量。其基本测量方法是利用弹性元件和质量块将外界加速度转化为位移、速度或应变，再将位移、速度或者应变传导到传感光纤上，使传感光纤中信号的相位、光强、波长等参量发生变化，通过解调光学参量的变化，获取外界的加速度。
质量块和机械弹性结构的使用无意增加了光纤加速度传感器的复杂程度，并且使得这些光纤加速度传感器必须与目标物体一起运动才能够实现目标物体加速度的测量，这无意限制了光纤加速度传感器的使用范围。
将激光多普勒效应用于物体加速度的测量，则可以实现非接触式的加速度传感，使得对加速度测量的灵活性及应用范围大大增加，而传统的激光多普勒加速度测量装置由于使用分立式器件及空间光路，存在系统庞大、易受环境因素影响等问题。专利号为2010101128841的专利文件中，结合激光多普勒效应给出了一种非接触速度及加速度测量方法，不过对于加速度的获取，该方法需要先进行速度测量，然后由前后两个时刻的速度测量值计算出加速度。该方法对加速度的测量为间接方式，因此其准确性与实时性都会受到影响。
发明内容
针对现有光纤加速度传感技术的不足，本发明结合激光多普勒加速度测量技术，提出了一种多功能全光纤加速度测量装置及方法，此装置可以直接测量运动物体的加速度并判别其方向。
本发明的技术方案如下：一种多功能全光纤加速度测量装置，其特征在于：包括半导体激光器、光纤环行器、光纤准直器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、声光移频器、光纤延迟线(7)和光电探测器；半导体激光器输出端接到光纤环行器的1端口，光纤环行器的2端口接光纤准直器，光纤环行器的端口3与第一光纤耦合器的输入端连接，第一光纤耦合器的输出端和第二光纤耦合器的输入端之间并联设置有声光移频器和光纤延迟线，第二光纤耦合器的输出端接光电探测器。
所述的光纤延迟线为一段固定延时的单模光纤。
所述的一种全光纤可判向加速度测量方法，由目标物体运动表面漫反射或镜面反射回的反射光，由光纤准直器耦合回光纤光路并由光纤环行器的第二端口入射，由光纤环行器的第三端口出射，经过第一光纤耦合器均分为两束，其中一束光经过声光移频器进行上移频，另一束光采用光纤延迟线进行延时，这两束光再通过第二光纤耦合器合束时产生光学拍，光电探测器对光学拍进行探测，输出电信号的频率等于光学拍的频率，通过光学检测光学拍的频率获得目标物体的加速度大小和方向。
运动目标的加速度计算公式为：a＝(f-fA)λ/(2τ)，其中f为光学拍的频率，fA为移频器的上移频值，a为待测目标的加速度，τ为光纤延迟线的延迟时间，λ为激光的波长；
加速度的正方向定义为由目标指向光纤准直器的方向，当光学拍的频率大于声光移频器的上移频值fA，则加速度a为正值，反之，加速度为负值。
本发明的有益效果如下：
1、本发明采用全光纤光路，利用多普勒效应，通过非接触方式直接测量出运动物体的加速度，无需在待测物体表面安装随动元件，具有结构紧凑，简单小巧，使用灵活的特点。
2、相比于通过多普勒效应测得速度后，再通过前后时刻速度的差分运算间接得到加速度的技术方案，该方法直接通过光纤延迟线在光路上通过硬件直接完成不同时刻的速度差分，其测量结果更为准确，稳定性与实时性更高。
3、本发明在产生光学拍的光纤拍频干涉光路中通过声光移频器对激光频率影响，引入一个初始的移频频率，当加速度方向为正向或者反向时，实际光学拍频频率会高于或者低于该移频频率，从而使该多功能全光纤加速度测量装置可以在实时测量加速度大小的同时，实现对加速度方向的判别，对加速度方向的判别简单准确。
附图说明
图1是本发明的多功能全光纤加速度测量装置的结构示意图
图中，1-激光器，2-光纤环行器，3-光纤准直器，4-运动物体，5-光纤耦合器，6-声光移频器，7-光纤延迟线，8–光纤耦合器，9-光电探测器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。
实施例：
如图1所示，一种全光纤加速度测量装置，包括半导体激光器1、光纤环行器2、光纤准直器3、第一光纤耦合器5、第二光纤耦合器8、声光移频器6、光纤延迟线7和光电探测器9。半导体激光器1输出端接到光纤环行器2的1端口，光纤环行器2的2端口接光纤准直器3，光纤环行器2的端口3与第一光纤耦合器5的输入端连接，第一光纤耦合器5的输出端和第二光纤耦合器8的输入端之间并联设置有声光移频器6和光纤延迟线7，第二光纤耦合器8的输出端接光电探测器9。所说的光纤延迟线为一段固定延时的单模光纤，所采用的光纤准直器3的回波损耗系数大于60dB。所说两个光纤耦合器为3dB光纤耦合器，每个端口的插入损耗为3dB。
一种全光纤可判向加速度测量方法，由目标物体运动表面漫反射或镜面反射回的反射光，由光纤准直器3耦合回光纤光路并由光纤环行器2的第二端口入射，由光纤环行器2的第三端口出射，经过第一光纤耦合器5均分为两束，其中一束光经过声光移频器6进行上移频，另一束光采用光纤延迟线7进行延时，这两束光再通过第二光纤耦合器8合束时产生光学拍，光电探测器9对光学拍进行探测，输出电信号的频率等于光学拍的频率，通过光学检测光学拍的频率获得目标物体的加速度大小和方向。
运动目标的加速度计算公式为：a＝(f-fA)λ/(2τ)，其中f为光学拍的频率，fA为移频器的上移频值，a为待测目标的加速度，τ为光纤延迟线的延迟时间，λ为激光的波长；
加速度的正方向定义为由目标指向光纤准直器3的方向，当光学拍的频率大于声光移频器的上移频值fA，则加速度a为正值，反之，加速度为负值。
为了对本发明进一步说明，下面对其测量原理进行说明：
光电探测器敏感面上两束光的频率分别为：
其中，f0为激光器输出的激光的频率，fA为移频器的上移频值，a为待测目标的加速度，加速度的正方向定义为由目标指向准直器的方向。τ为光纤延迟线的延迟时间，λ为激光的波长。
光学拍的频率为f＝f1-f2＝fA+2aτ/λ
则运动目标的加速度为：
其中，f为光学拍的频率，fA为移频器的上移频值，a为待测目标的加速度，加速度的正方向定义为由目标指向准直器的方向。τ为光纤延迟线的延迟时间，λ为激光的波长。
对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简明推演、变形或者替换。

Claims (4)

1.一种多功能全光纤加速度测量装置，其特征在于：包括半导体激光器(1)、光纤环行器(2)、光纤准直器(3)、第一光纤耦合器(5)、第二光纤耦合器(8)、声光移频器(6)、光纤延迟线(7)和光电探测器(9)；半导体激光器(1)输出端接到光纤环行器(2)的1端口，光纤环行器(2)的2端口接光纤准直器(3)，光纤环行器(2)的端口3与第一光纤耦合器(5)的输入端连接，第一光纤耦合器(5)的输出端和第二光纤耦合器(8)的输入端之间并联设置有声光移频器(6)和光纤延迟线(7)，第二光纤耦合器(8)的输出端接光电探测器(9)。
2.根据权利要求1所述的一种多功能全光纤加速度测量装置，其特征在于：所述的光纤延迟线(1)为一段固定延时的单模光纤。
3.根据权利要求1所述的一种全光纤可判向加速度测量方法，其特征在于：由目标物体运动表面漫反射或镜面反射回的反射光，由光纤准直器(3)耦合回光纤光路并由光纤环行器(2)的第二端口入射，由光纤环行器(2)的第三端口出射，经过第一光纤耦合器(5)均分为两束，其中一束光经过声光移频器(6)进行上移频，另一束光采用光纤延迟线(7)进行延时，这两束光再通过第二光纤耦合器(8)合束时产生光学拍，光电探测器(9)对光学拍进行探测，输出电信号的频率等于光学拍的频率，通过光学检测光学拍的频率获得目标物体的加速度大小和方向。
4.根据权利要求3所述的一种全光纤可判向加速度测量方法，其特征在于：运动目标的加速度计算公式为：a＝(f-fA)λ/(2τ)，其中f为光学拍的频率，fA为移频器的上移频值，a为待测目标的加速度，τ为光纤延迟线的延迟时间，λ为激光的波长；
加速度的正方向定义为由目标指向光纤准直器(3)的方向，当光学拍的频率大于声光移频器的上移频值fA，则加速度a为正值，反之，加速度为负值。
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