CN108982913B - 一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊加速度传感器 - Google Patents
一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊加速度传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊加速度传感器，由加速度传感装置、传感器支撑结构、传感器基座、第一增反膜、第二增反膜、玻璃套管、光纤准直透镜、光纤套筒、单模光纤组成，所述加速度传感装置固定在传感器支撑结构上，所述传感器支撑结构固定在所述传感器基座的上表面，传感器支撑结构和传感器基座的外径相同，传感器支撑结构和传感器基座内部中间区域均有一个圆形的通孔。本发明通过采用共光路结构，可以在不使用法拉第旋光镜的条件下避免偏振衰落造成的传感器信号衰落，从而保证了探测结果的稳定性；有效的降低传感器的加工成本和尺寸。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊加速度传感器。
背景技术
加速度测量应用领域广泛，包括航空航天中导弹的制导、飞机的导航、人造卫星有关状态的控制；汽车工业中的预刹车系统、牵引系统、驾驶系统和安全系统等。其传感机理是利用弹性器件支撑的质量块结构感知加速度，通过检测质量块在加速度作用下所引起的自身空间状态的变化，同时引起弹性器件的空间状态及自身材料性质发生变化，通过检测这些变化实现对加速度的测量。
由于具有体积小、质量轻、灵敏度高、不受电气干扰等优势，光纤加速度传感器在近年来获得了快速发展。其中，以本征型迈克尔逊干涉仪结构的光纤加速度传感器应用最为普遍。在本征型结构中，加速度引起的变化量被耦合成光纤内部物理量的变化，从而引起光纤内传输光信号的变化。如专利申请号为201620864998.4的“一种用于拖线阵振动测量的光纤干涉型加速度计”和论文“Fiber-Optic Michelson Accelerometer Based onFrequency Modulation”中，都是将光纤缠绕在弹性顺变体实现对加速度信号的感知。为了实现较高的灵敏度，通常都需要较长的光纤，因此这种结构具有体积大，加工复杂、成本高、重复性差等缺点。
在专利申请号为201310018899.5的“一种基于迈克尔逊干涉仪垂直振动位移传感器”和专利申请号为201710229546.8的“一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器”中，通过构建非本征型传感器结构来提高传感器的灵敏度：将质量块设置为迈克尔逊干涉仪中的一部分，将质量块在加速度作用下引起的空间位置变化直接转化为干涉仪中光束光程差的变化。但其传感探头主要由分立元器件组合而成，而且其探头内部包含了法拉第旋光镜等器件，导致其仍存在加工复杂、体积大、成本高、灵敏度控制困难和重复性差等缺点。
综上所述，现有技术中存在加工复杂、体积大、成本高、灵敏度控制困难、重复性差、不易安装等问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种共光路结构的微型非本征光纤迈克尔逊加速度传感器。其目的在于，利用传感器基片和传感装置的反射光构成共光路结构的迈克尔逊干涉仪，消除偏振衰落的影响；迈克尔逊干涉仪的光程差由传感器基片和传感装置的支撑结构厚度决定，具有良好的一致性；传感装置的尺寸由其支撑结构决定，具有良好的设计灵活度；利用微机电工艺实现传感器的加工，可以有效的降低传感器的尺寸和成本。
一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊加速度传感器，由加速度传感装置1、传感器支撑结构2、传感器基座3、第一增反膜4、第二增反膜5、玻璃套管6、光纤准直透镜7、光纤套筒8、单模光纤9组成，所述加速度传感装置1固定在传感器支撑结构2上，所述传感器支撑结构2固定在所述传感器基座3的上表面，传感器支撑结构2和传感器基座3的外径相同，传感器支撑结构2和传感器基座3内部中间区域均有一个圆形的通孔，传感器支撑结构2的通孔直径大于传感器基座3的通孔直径，加速度传感装置1底部有圆形的第一增反膜4，第一增反膜4的直径和传感器基座3的通孔直径相同，传感器基座3底部有环形第二增反膜5，第二增反膜5的内径和传感器基座3的通孔直径相同，传感器基座3底部与玻璃套管6固定在一起，光纤准直透镜7和光纤套筒8贴合在一起固定在玻璃套管6内部。
所述第一增反膜4和第二增反膜5的工作波长为1550nm，反射率大于95％，采用沉积工艺加工制成。
所述传感器支撑结构2的厚度取值范围为10μm-400μm，传感器支撑结构2由硅、二氧化硅、SU-8光刻胶中的一种为材料制成。
所述传感器基座3的上下表面平行光滑，传感器基座3的通孔直径取值范围为100μm-500μm，传感器基座3由硅、石英玻璃中的一种为材料制成。
所述光纤准直透镜7由工作波长为1550nm的商用G-Lens自聚焦透镜构成，光纤准直透镜7的上表面镀有增透膜，增透膜的透过率大于99.5％；光纤准直透镜7的上表面与传感器基座3的下表面的间距取值范围为3mm-7mm。
所述光纤套筒8的内径为125μm，外径为1.8mm；所述光纤套筒8与光纤准直透镜7之间利用环氧胶紧密贴合。
所述单模光纤9固定在光纤套筒8内，单模光纤9的末端与光纤套筒8的上表面平行，单模光纤9的表面镀有增透膜，增透膜的透过率大于99.5％，单模光纤9的外径为125μm。
所述玻璃套管6的内直径为1.8mm，外直径取值范围为3mm-5mm。
本发明的有益效果在于：
本发明通过采用共光路结构，可以在不使用法拉第旋光镜的条件下避免偏振衰落造成的传感器信号衰落，从而保证了探测结果的稳定性；利用传感器基片的厚度决定迈克尔逊干涉仪两个干涉臂之间的光程差，具有良好的加工一致性；利用传感装置支撑结构实现传感装置同传感器基片间的分离，通过改变传感装置支撑结构可以改变传感装置的尺寸，从而改变其灵敏度、提高设计自由度；利用微机电加工工艺可以实现传感器结构的批量生产，因此可以有效的降低传感器的加工成本和尺寸。
附图说明
图1是本发明的传感器结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
图1中：1加速度传感装置、2传感器支撑结构、3传感器基座、4第一增反膜、5第二增反膜、6玻璃套管、7光纤准直透镜、8光纤套筒、9单模光纤。
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种共光路结构的微型非本征光纤迈克尔逊加速度计。
加速度测量应用领域广泛，包括航空航天中导弹的制导、飞机的导航、人造卫星有关状态的控制；汽车工业中的预刹车系统、牵引系统、驾驶系统和安全系统等。其传感机理是利用弹性器件支撑的质量块结构感知加速度，通过检测质量块在加速度作用下所引起的自身空间状态的变化，同时引起弹性器件的空间状态及自身材料性质发生变化，通过检测这些变化实现对加速度的测量。
由于具有体积小、质量轻、灵敏度高、不受电气干扰等优势，光纤加速度传感器在近年来获得了快速发展。其中，以本征型迈克尔逊干涉仪结构的光纤加速度传感器应用最为普遍。在本征型结构中，加速度引起的变化量被耦合成光纤内部物理量的变化，从而引起光纤内传输光信号的变化。如专利“一种用于拖线阵振动测量的光纤干涉型加速度计”(申请号：201620864998.4)和论文“Fiber-Optic Michelson Accelerometer Based onFrequency Modulation”中，都是将光纤缠绕在弹性顺变体实现对加速度信号的感知。为了实现较高的灵敏度，通常都需要较长的光纤，因此这种结构具有体积大，加工复杂、成本高、重复性差等缺点。
在专利“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)和专利“一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器”(申请号201710229546.8)中，通过构建非本征型传感器结构来提高传感器的灵敏度：将质量块设置为迈克尔逊干涉仪中的一部分，将质量块在加速度作用下引起的空间位置变化直接转化为干涉仪中光束光程差的变化。但其传感探头主要由分立元器件组合而成，而且其探头内部包含了法拉第旋光镜等器件，导致其仍存在加工复杂、体积大、成本高、灵敏度控制困难和重复性差等缺点。
本发明的目的在于提出一种共光路结构的微型非本征光纤迈克尔逊加速度传感器。其目的在于，利用传感器基片和传感装置的反射光构成共光路结构的迈克尔逊干涉仪，消除偏振衰落的影响；迈克尔逊干涉仪的光程差由传感器基片和传感装置的支撑结构厚度决定，具有良好的一致性；传感装置的尺寸由其支撑结构决定，具有良好的设计灵活度；利用微机电工艺实现传感器的加工，可以有效的降低传感器的尺寸和成本。
一种共光路结构的微型非本征光纤迈克尔逊加速度传感器，包括加速度传感装置、传感装置支撑结构、传感器基座、增反膜、玻璃套管、光纤准直透镜、光纤套筒、单模光纤；单模光纤的出射光经过光纤准直透镜之后形成一束展宽的平行光，展开后的平行光束外侧被传感器基座下表面的增反膜反射并经光纤准直透镜耦合回单模光纤，展开收的平行光束内侧被加速度传感装置上的增反膜反射并经光纤准直透镜耦合回单模光纤，两束反射光在单模光纤内发生干涉，形成共光路的迈克尔逊加速度传感器；由于两束干涉光在传输过程中经历相同的偏振衰落，所以其最终干涉结果不受偏振衰落影响；
其中，加速度传感装置固定在传感装置支撑结构上，加速度传感结构通过微机电加工工艺对硅材料加工得到，结构由膜片支撑的质量块和周围的固定部分组成；膜片位于质量块的中间部分，质量块的上表面镀有增反膜4，反射率高于95％；传感装置的外边尺寸与传感装置支撑结构的外边尺寸相同；传感装置支撑结构固定在传感器基座的上表面，其外尺寸同传感器基座的外尺寸相同，内部中间区域有一个圆形的通孔，通孔直径大于传感器基座内部的通孔直径，小于传感器基座的外尺寸；传感装置支撑结构的厚度大于10微米小于400微米；其材料可以为硅、二氧化硅或者SU-8光刻胶等；传感器基座的上下表面是光滑平行的，其外边边长大于3×3毫米，小于5×5毫米，中间区域有一个圆形的通孔，通孔直径大于100微米，小于500微米；传感器基座的材料可以为硅、石英玻璃等；
其中，加速度传感装置和传感器基座上的增反膜的工作波长为1550纳米，反射率大于95％，采用沉积工艺加工得到；
其中，所采用的玻璃套管的内直径为1.8毫米，外直径大于3毫米、小于5毫米；光纤套筒与光纤准直透镜之间利用环氧胶紧密贴合，并固定在玻璃套管内；光纤准直透镜采用工作波长为1550纳米的商用G-Lens自聚焦透镜构成，其上表面镀有增透膜，透过率大于99.5％；光纤准直透镜的上表面与传感器基座的下表面的间距大于3毫米小于7毫米；所采用光纤套筒的内径为125微米，外径为1.8毫米；
其中，采用的单模光纤固定在光纤套筒内，其端面与光纤套筒8的上表面平行，并镀有增透膜，透过率大于99.5％；单模光纤为商用单模光纤，外径为125微米；
本发明通过采用共光路结构，可以在不使用法拉第旋光镜的条件下避免偏振衰落造成的传感器信号衰落，从而保证了探测结果的稳定性；利用传感器基片的厚度决定迈克尔逊干涉仪两个干涉臂之间的光程差，具有良好的加工一致性；利用传感装置支撑结构实现传感装置同传感器基片间的分离，通过改变传感装置支撑结构可以改变传感装置的尺寸，从而改变其灵敏度、提高设计自由度；利用微机电加工工艺可以实现传感器结构的批量生产，因此可以有效的降低传感器的加工成本和尺寸。
图1是本发明的传感器结构示意图；
图中：1加速度传感装置、2传感装置支撑结构、3传感器基座、4增反膜、5增反膜、6玻璃套管、7光纤准直透镜、8光纤套筒、9单模光纤
下面结合附图对发明作详细的说明。
如图1所示，一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊加速度传感器，包括加速度传感装置1、传感装置支撑结构2、传感器基座3、增反膜4、增反膜5、玻璃套管6、光纤准直透镜7、光纤套筒8、单模光纤9；单模光纤9的出射光经过光纤准直透镜7之后形成一束展宽的平行光，展开后的平行光束外侧被增反膜5反射并经光纤准直透镜7耦合回单模光纤9，展开收的平行光束内侧被增反膜4反射并经光纤准直透镜7耦合回单模光纤9，两束反射光在单模光纤9内发生干涉，形成共光路的迈克尔逊加速度传感器；
其中，加速度传感装置1固定在传感装置支撑结构2上，加速度传感结构通过微机电加工工艺对硅材料加工得到，结构由膜片支撑的质量块和周围的固定部分组成；膜片位于质量块的中间部分，质量块的上表面镀有增反膜4，反射率高于95％，传感装置的外边尺寸与传感装置支撑结构的外边尺寸相同；
其中增反膜3和增反膜4的工作波长为1550纳米，反射率大于95％，采用沉积工艺加工得到；
其中传感装置支撑结构2固定在传感器基座3的上表面，其外尺寸同传感器基座3的外尺寸相同，内部中间区域有一个圆形的通孔，通孔直径大于传感器基座3内部的通孔直径，小于传感器基座3的外边尺寸；传感装置支撑结构2的厚度大于10微米小于400微米；其材料可以为硅、二氧化硅或者SU-8光刻胶等；
其中，传感器基座3的上下表面是光滑平行的，其外边边长大于3×3毫米，小于5×5毫米，中间区域有一个圆形的通孔，通孔直径大于100微米，小于500微米；传感器基座3的材料可以为硅、石英玻璃等；
其中，玻璃套管6的内直径为1.8毫米，外直径大于3毫米、小于5毫米；
其中，光纤准直透镜7采用工作波长为1550纳米的商用G-Lens自聚焦透镜构成，其上表面镀有增透膜，透过率大于99.5％；光纤准直透镜7的上表面与传感器基座3的下表面的间距大于3毫米小于7毫米；
其中，光纤套筒8的内径为125微米，外径为1.8毫米；光纤套筒与光纤准直透镜7之间利用环氧胶紧密贴合，并固定在玻璃套管6内；
其中，采用的单模光纤9固定在光纤套筒8内，其端面与光纤套筒8的上表面平行，并镀有增透膜，透过率大于99.5％；单模光纤9为商用单模光纤，外径为125微米；
应当指出的是，上述传感器探头中的结构参数可以根据具体应用需求进行调整，这些调整都属于本发明所附权利要求的保护范围。
1、一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊加速度传感器，包括加速度传感装置1、传感器支撑结构2、传感器基座3、增反膜4、增反膜5、玻璃套管6、光纤准直透镜7、光纤套筒8、单模光纤9；单模光纤9的出射光经过光纤准直透镜7之后形成一束展宽的平行光，展开后的平行光束外侧被增反膜5反射并经光纤准直透镜7耦合回单模光纤9，展开收的平行光束内侧被增反膜4反射并经光纤准直透镜7耦合回单模光纤9，两束反射光在单模光纤9内发生干涉，形成共光路的迈克尔逊加速度传感器；
加速度传感装置1连接固定在传感器支撑解构2上。
增反膜4和增反膜5的工作波长为1550纳米，反射率大于95％，采用沉积工艺加工得到；
传感器支撑结构2固定在传感器基座3的上表面，其外尺寸同传感器基座3的外尺寸相同，内部中间区域有一个圆形的通孔，通孔直径大于传感器基座3内部的通孔直径，小于传感器基座3的外边尺寸；传感器支撑结构2的厚度大于10微米小于400微米；其材料可以为硅、二氧化硅或者SU-8光刻胶等；
传感器基座3的上下表面是光滑平行的，其外边边长大于3×3毫米，小于5×5毫米，中间区域有一个圆形的通孔，通孔直径大于100微米，小于500微米；传感器基座3的材料可以为硅、石英玻璃等；
玻璃套管6的内直径为1.8毫米，外直径大于3毫米、小于5毫米；
光纤准直透镜7采用工作波长为1550纳米的商用G-Lens自聚焦透镜构成，其上表面镀有增透膜，透过率大于99.5％；光纤准直透镜7的上表面与传感器基座3的下表面的间距大于3毫米小于7毫米；
光纤套筒8的内径为125微米，外径为1.8毫米；光纤套筒与光纤准直透镜7之间利用环氧胶紧密贴合，并固定在玻璃套管6内；
采用的单模光纤9固定在光纤套筒8内，其端面与光纤套筒8的上表面平行，并镀有增透膜，透过率大于99.5％；单模光纤9为商用单模光纤，外径为125微米；
一种共光路结构的微型非本征光纤迈克尔逊声压传感器，包括声压敏感膜片、膜片支撑结构、传感器基座、增反膜、玻璃套管、光纤准直透镜、光纤套筒、单模光纤；利用传感器基片和膜片的反射光构成共光路结构的迈克尔逊干涉仪，消除偏振衰落的影响；由传感器基片和膜片的支撑结构厚度决定迈克尔逊干涉仪的光程差，具有良好的一致性；膜片的尺寸由其支撑结构决定，具有良好的设计灵活度；利用微机电工艺实现传感器的加工，可以有效的降低传感器的尺寸和成本。
Claims (7)
1.一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊加速度传感器，由加速度传感装置(1)、传感器支撑结构(2)、传感器基座(3)、第一增反膜(4)、第二增反膜(5)、玻璃套管(6)、光纤准直透镜(7)、光纤套筒(8)、单模光纤(9)组成，其特征在于：所述加速度传感装置(1)固定在传感器支撑结构(2)上，所述传感器支撑结构(2)固定在所述传感器基座(3)的上表面，传感器支撑结构(2)和传感器基座(3)的外径相同，传感器支撑结构(2)和传感器基座(3)内部中间区域均有一个圆形的通孔，传感器支撑结构(2)的通孔直径大于传感器基座(3)的通孔直径，加速度传感装置(1)底部有圆形的第一增反膜(4)，第一增反膜(4)的直径和传感器基座(3)的通孔直径相同，传感器基座(3)底部有环形第二增反膜(5)，第二增反膜(5)的内径和传感器基座(3)的通孔直径相同，传感器基座(3)底部与玻璃套管(6)固定在一起，光纤准直透镜(7)和光纤套筒(8)贴合在一起固定在玻璃套管(6)内部；所述单模光纤(9)固定在光纤套筒(8)内，单模光纤(9)的末端与光纤套筒(8)的上表面平行，单模光纤(9)的表面镀有增透膜，增透膜的透过率大于99.5％，单模光纤(9)的外径为125μm。
2.根据权利要求1所述的一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊加速度传感器，其特征在于：所述第一增反膜(4)和第二增反膜(5)的工作波长为1550nm，反射率大于95％，采用沉积工艺加工制成。
3.根据权利要求1所述的一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊加速度传感器，其特征在于：所述传感器支撑结构(2)的厚度取值范围为10μm-400μm，传感器支撑结构(2)由硅、二氧化硅、SU-8光刻胶中的一种为材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊加速度传感器，其特征在于：所述传感器基座(3)的上下表面平行光滑，传感器基座(3)的通孔直径取值范围为100μm-500μm，传感器基座(3)由硅、石英玻璃中的一种为材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊加速度传感器，其特征在于：所述光纤准直透镜(7)由工作波长为1550nm的商用G-Lens自聚焦透镜构成，光纤准直透镜(7)的上表面镀有增透膜，增透膜的透过率大于99.5％；光纤准直透镜(7)的上表面与传感器基座(3)的下表面的间距取值范围为3mm-7mm。
6.根据权利要求1所述的一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊加速度传感器，其特征在于：所述光纤套筒(8)的内径为125μm，外径为1.8mm；所述光纤套筒(8)与光纤准直透镜(7)之间利用环氧胶紧密贴合。
7.根据权利要求1所述的一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊加速度传感器，其特征在于：所述玻璃套管(6)的内直径为1.8mm，外直径取值范围为3mm-5mm。
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| CN106918392A (zh) * | 2017-03-10 | 2017-07-04 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种高稳定大光程差共光路干涉分光装置及其应用系统 |
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| CN108982913A (zh) | 2018-12-11 |
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