CN108982914A - 一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纤传感技术领域，具体涉及一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，由加速度传感结构、第一传感器支撑结构、在线型法拉第旋光器、光纤信号臂、光耦合器、光纤参考臂、法拉第旋光镜、第二传感器支撑结构组成，所述加速度传感结构封装在第一传感器支撑结构和第二传感器支撑结构之间，所述光纤信号臂的末端垂直插入第一传感器支撑结构中间的通孔中，所述在线型法拉第旋光器串在光纤信号臂上，所述法拉第旋光镜位于光纤参考臂的末端，光纤信号臂和光纤参考臂并联在一起后与光耦合器连接在一起。本发明在信号臂中插入在线型法拉第旋光器可以消除偏振衰落的影响，提高了测量结果的稳定性，消除探头的共模噪声，提高传感器的测量灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于纤传感技术领域，具体涉及一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计。
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微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计。通过在干涉臂内引入在线型法拉第旋光器取代传感器探头内部使用的法拉第旋光镜，在消除偏振衰落的同时有效降低了传感器探头的体积结构；通过采用微机电加工工艺实现传感器探头结构的加工，有效提升传感器的集成化、小型化，降低加工成本，提高传感器的重复性，通过结构参数的改变可以方便地调整传感器的灵敏度。
一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，由加速度传感结构1、第一传感器支撑结构2、在线型法拉第旋光器3、光纤信号臂4、光耦合器5、光纤参考臂11、法拉第旋光镜12、第二传感器支撑结构13组成，所述加速度传感结构1封装在第一传感器支撑结构2和第二传感器支撑结构13之间，所述光纤信号臂4的末端垂直插入第一传感器支撑结构2中间的通孔中，所述在线型法拉第旋光器3串在光纤信号臂4上，所述法拉第旋光镜12位于光纤参考臂11的末端，光纤信号臂4和光纤参考臂11并联在一起后与光耦合器5连接在一起。
所述加速度传感结构1由硅材料制成，加速度传感结构1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，质量块的上表面和下表面均镀有增反膜，增反膜的反射率高于95％。
所述第一传感器支撑结构2和所述第二传感器支撑结构13均由硅材料制成，且第一传感器支撑结构2和第二传感器支撑结构13中间均有圆环型凸起结构。
所述光纤信号臂4的末端被研磨抛光为平角，并在表面加工一层增透膜结构，增透膜的透过率高于99.5％。
所述在线型法拉第旋光器3距离光纤信号臂4的末端距离小于1米。
所述光纤信号臂4的末端同加速度传感结构1上表面间的距离大于第一传感器支撑结构2上的圆环型凸起结构同加速度传感结构1上表面间的距离。
所述光耦合器5的分光比为1:1，工作波长为1550nm。
所述光耦合器5连接光环形器6，光环形器6入射端口连接激光光源7，光环形器6出射端口连接光电探测器10，光电探测器10连接数据采集系统9，数据采集系统9连接信号处理系统8。
本发明的有益效果在于：
本发明采用微机电加工工艺实现传感器探头结构和加速度传感结构的加工。由于光纤的固定通孔、质量块运动行程限位装置等均集成在传感器支撑结构上，有效提升传感器的集成化、小型化和稳定性；光纤末端通过45°角的研抛以改变光路方向，利用全反射原理，使光束的方向由轴向传播变为径向传播，提升了探头的稳定性和易加工性。只需要通过改变加速度传感结构中支撑膜片的尺寸和质量块的质量就可以调整传感器的灵敏度，从而在不增加成本和加工复杂度的前提下有效的提高了传感器的设计灵活度；由于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单个传感器的加工成本，而传感器间的重复性则得到了较大提升。
通过在信号臂中插入在线型法拉第旋光器可以消除偏振衰落的影响，从而提高测量结果的稳定性，同时避免了在传感探头处使用法拉第旋光镜；可以通过改变信号臂光纤的长度差从而增加传感器的解调方案的适用范围；通过采用差动结构，能有效消除探头的共模噪声，并提高传感器的测量灵敏度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的传感探头的结构示意图；
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-加速度传感结构、2-第一传感器支撑结构、3-在线型法拉第旋光器、4-光纤信号臂、5-光耦合器、6-光环形器、7-激光光源、8-信号处理系统、9-数据采集系统、10-光电探测器、11-光纤参考臂、12-法拉第旋光镜、13-第二传感器支撑结构。
图2中：1-加速度传感结构、2-第一传感器支撑结构、13-第二传感器支撑结构。
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计。
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微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计。通过在干涉臂内引入在线型法拉第旋光器取代传感器探头内部使用的法拉第旋光镜，在消除偏振衰落的同时有效降低了传感器探头的体积结构；通过采用微机电加工工艺实现传感器探头结构的加工，有效提升传感器的集成化、小型化，降低加工成本，提高传感器的重复性，通过结构参数的改变可以方便地调整传感器的灵敏度。
一种微型45°光纤迈克尔逊非本征型加速度计，包括光耦合器7、,第一光纤信号臂6、第一在线型法拉第旋光器5、增透膜4、端面镀有增反膜的第一光纤固定结构3、第一传感器支撑结构2、加速度传感结构1、第二在线型法拉第旋光器14、第二光纤信号臂13加速度传感结构封装在第一传感器支撑结构2和第二传感器支撑结构15之间构成加速度传感探头。光纤信号臂的末端垂直插入第一传感器支撑结构中间的通孔中构成同轴型结构；
在线型法拉第旋光器嵌入在光纤信号臂的光路中并使传输光的偏振态旋转45度；光束在信号臂中经过两次传输后偏振态旋转90度，法拉第旋光镜使得参考臂中光束旋转90度，从而有效消除偏振衰落对在光耦合器处产生的干涉光的影响；
光耦合器7、第一光纤信号臂6、第一在线型法拉第旋光器5、加速度传感结构1的上表面及其与第一光纤支撑结构3末端间的自由空间光路构成第一迈克尔逊干涉臂；光耦合器、光纤参考臂、法拉第旋光镜构成第二迈克尔逊干涉臂；
第一传感器支撑结构、第一传感器支撑结构均通过微机电加工工艺对硅材料加工得到。
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，反射率高于95％；
第一光纤固定结构3插有光纤信号臂6。结构的表面都经过45°研抛加工，通过全反射原理将光路由轴向传输转变为径向传输，并镀有增反膜以增加光信号的反射率。并在靠近加速度传感结构1的表面加工一层增透膜结构，透过率高于99.5％；在结构的45°平面上镀有增饭膜，反射率高于95％；
第一光纤信号臂6的端面同加速度传感结构1上表面间的距离大于加速度支撑结构2中的限位结构的内表面同加速度传感结构1中上表面间的距离；
将光耦合器连接光环形器，光环形器入射端口连接激光光源，光环形器出射端口连接光电探测器，光电探测器连接数据采集系统，数据采集系统连接信号处理系统即可构成包含微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计的加速度测试系统。其加速度测量方法为激光光源出射光经过环形器之后被光耦合器分成两束功率相等的光并进入第一迈克尔逊干涉臂和第二迈克尔逊干涉臂，当加速度传感结构的质量块在加速度的作用下发生振动时，第一个迈克尔逊干涉臂的光程差发生变化，从而导致光耦合器处的光干涉信号发生变化，利用光电探测器检测到这种变化后，可以利用合适的解调算法进行处理，得到待测加速度的频率和幅值。
本发明采用微机电加工工艺实现传感器探头结构和加速度传感结构的加工。由于光纤的固定通孔、质量块运动行程限位装置等均集成在传感器支撑结构上，有效提升传感器的集成化、小型化和稳定性；光纤末端通过45°角的研抛以改变光路方向，利用全反射原理，使光束的方向由轴向传播变为径向传播，提升了探头的稳定性和易加工性。只需要通过改变加速度传感结构中支撑膜片的尺寸和质量块的质量就可以调整传感器的灵敏度，从而在不增加成本和加工复杂度的前提下有效的提高了传感器的设计灵活度；由于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单个传感器的加工成本，而传感器间的重复性则得到了较大提升。
通过在信号臂中插入在线型法拉第旋光器可以消除偏振衰落的影响，从而提高测量结果的稳定性，同时避免了在传感探头处使用法拉第旋光镜；可以通过改变信号臂光纤的长度差从而增加传感器的解调方案的适用范围；通过采用差动结构，能有效消除探头的共模噪声，并提高传感器的测量灵敏度。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的传感探头的结构示意图；
图中：1加速度传感结构、2第一传感器支撑结构、3在线型法拉第旋光器、4光纤信号臂、5光耦合器、6光环形器、7激光光源、8信号处理系统、9数据采集系统、10光电探测器、11光纤参考臂、12法拉第旋光镜、13第二传感器支撑结构
下面结合附图对发明作详细的说明。
1 加速度传感装置、2 第一传感器支撑结构、3 第一光纤支撑结构、4 第一增透膜、5 第一在线型法拉第旋光器、6 第一光纤信号臂、7 光耦合器、8 光环形器、9 激光光源、10 信号处理系统、11 数据采集系统、12 光电探测器、13 第二信号臂、14 第二在线型法拉第旋光器、15 第二传感器支撑结构。
在线型法拉第旋光器5嵌入在光纤信号臂6的光路中；法拉第旋光镜置于光纤参考臂13末端；
光耦合器7、光纤信号臂6、在线型法拉第旋光器5、加速度传感结构1的上表面及其与光纤信号臂6末端间的自由空间光路构成第一迈克尔逊干涉臂；光耦合器7、光纤参考臂13、法拉第旋光镜14构成第二迈克尔逊干涉臂；
光耦合器7、第一光纤信号臂6、第一在线型法拉第旋光器5、加速度传感结构1的上表面及其与第一光纤支撑结构3末端间的自由空间光路构成第一迈克尔逊干涉臂；光耦合器、光纤参考臂、法拉第旋光镜构成第二迈克尔逊干涉臂；
第一光纤信号臂6的端面同加速度传感结构1上表面间的距离大于加速度支撑结构2中的限位结构的内表面同加速度传感结构1中上表面间的距离；
光耦合器7的分光比为1:1，工作波长为1550纳米；
将光耦合器5连接光环形器6，光环形器6入射端口连接激光光源7，光环形器6出射端口连接光电探测器10，光电探测器10连接数据采集系统9，数据采集系统9连接信号处理系统8；构成包含微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计的加速度测试系统。其加速度测量方法为激光光源7出射光经过环形器6之后被光耦合器5分成两束功率相等的光并进入第一迈克尔逊干涉臂和第二迈克尔逊干涉臂，当加速度传感结构1的质量块在加速度的作用下发生振动时，第一迈克尔逊干涉臂的光程差发生变化，从而导致光耦合器3处的光干涉信号发生变化，利用光电探测器10检测到这种变化后，可以利用合适的解调算法进行处理，得到待测加速度的频率和幅值。
传感器支撑结构2、15的制作材料为硅。其整体尺寸为5mm×5mm×0.5mm。传感器支撑结构2在中间有用于导入光纤的通孔，通孔的直径为150微米；在结构的一面有直径4mm、深度为0.3mm的沉孔；沉孔中间有外环直径3mm，内环直径1mm，高度为0.29mm的圆环结构用于限制质量块运动行程。
加速度传感结构1的制作材料同样为硅，其整体尺寸为5mm×5mm×0.4mm，在结构的上下表面间均有一个外环直径为3mm、内环直径为2mm，深度为0.15mm的圆槽。通过圆环的尺寸和深度可以改变传感器的灵敏度。
利用硅深刻蚀工艺加工得到传感器支撑结构2、15和加速度传感结构7，然后利用磁控溅射或者电子束沉积的方式在加速度支撑结构的表面和加速度传感结构的上表面镀上一层厚度为100纳米的金层，保证其反射率高于95％，然后利用金硅键合的方式将在传感器支撑结构1同传感器支撑结构2、15键合在一起形成传感器探头。
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、一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，
包括加速度传感结构1、第一传感器支撑结构2、在线型法拉第旋光器3、光纤信号臂4、光耦合器5、光纤参考臂11、法拉第旋光镜12、第二传感器支撑结构13；
加速度传感结构1封装在第一传感器支撑结构2和第二传感器支撑结构13之间构成加速度传感探头。光纤信号臂4的末端垂直插入第一传感器支撑结构2中间的通孔中构成同轴型结构；
在线型法拉第旋光器3嵌入在光纤信号臂4的光路中，法拉第旋光器12位于光纤参考臂11的末端；
光耦合器5、光纤信号臂4、在线型法拉第旋光器5、及加速度传感结构1的上表面与光纤信号臂4末端间的自由空间光路构成第一迈克尔逊干涉臂；光耦合器3、光纤参考臂11、法拉第旋光镜12构成第二迈克尔逊干涉臂。
2、根据权利要求1所述一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，所述加速度传感结构由硅材料制作，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，反射率高于95％。
3、根据权利要求1所述一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，所述传感器支撑结构2、13均为硅材料，其中间均有圆环型凸起结构，用于限制加速度传感结构中质量块的位移。
4、根据权利要求1所述一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，所述光纤信号臂4末端被研磨抛光为平角，并在表面加工一层增透膜结构，透过率高于99.5％；
5、根据权利要求1所述一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，所述在线型法拉第旋光器3使传输光的偏振态旋转45度；
6、根据权利要求1所述一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，所述在线型法拉第旋光器3距离光纤信号臂4的末端距离小于1米；
7、根据权利要求1所述一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，所述光纤信号臂4的端面同加速度传感结构1上表面间的距离大于加速度支撑结构2中的限位结构同加速度传感结构1中上表面间的距离；
8、根据权利要求1所述一种微型同轴差动式光纤迈克尔逊非本征型加速度计，所述光耦合器3的分光比为1:1，工作波长为1550纳米；
9、根据权利要求1所述一种微型同轴差动式光纤迈克尔逊非本征型加速度计，所述光耦合器3连接光环形器6，光环形器6入射端口连接激光光源7，光环形器6出射端口连接光电探测器10，光电探测器10连接数据采集系统9，数据采集系统9连接信号处理系统8；
10、采用如权利1-9所述任意一种微型同轴差动式光纤迈克尔逊非本征型加速度计的加速度测量方法，所述的激光光源7出射光经过环形器6之后被光耦合器3分成两束功率相等的光并进入第一迈克尔逊干涉臂和第二迈克尔逊干涉臂，当加速度传感结构1的质量块在加速度的作用下发生振动时，导致第一迈克尔逊干涉臂的光程差变化，从而导致光耦合器5处的光干涉信号发生变化，利用光电探测器10检测到这种变化后，可以利用合适的解调算法进行处理，得到待测加速度的频率和幅值。
一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，包括光耦合器、光纤信号臂、在线型法拉第旋光器、第一传感器支撑结构、加速度传感结构、第二传感器支撑结构、法拉第旋光镜、光纤参考臂；本发明采用微机电加工工艺实现加速度传感器探头结构的加工，具有集成化、小型化、稳定性高、设计灵活、成本低有点；通过在信号臂中插入在线型法拉第旋光器有效消除偏振衰落的影响，从而提高测量结果的稳定性；加速度传感结构中质量块的运动被直接引入为干涉信号的相位变化，从而具有较高的测量灵敏度。
Claims (8)
1.一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，由加速度传感结构(1)、第一传感器支撑结构(2)、在线型法拉第旋光器(3)、光纤信号臂(4)、光耦合器(5)、光纤参考臂(11)、法拉第旋光镜(12)、第二传感器支撑结构(13)组成，其特征在于：所述加速度传感结构(1)封装在第一传感器支撑结构(2)和第二传感器支撑结构(13)之间，所述光纤信号臂(4)的末端垂直插入第一传感器支撑结构(2)中间的通孔中，所述在线型法拉第旋光器(3)串在光纤信号臂(4)上，所述法拉第旋光镜(12)位于光纤参考臂(11)的末端，光纤信号臂(4)和光纤参考臂(11)并联在一起后与光耦合器(5)连接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，其特征在于：所述加速度传感结构(1)由硅材料制成，加速度传感结构(1)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，质量块的上表面和下表面均镀有增反膜，增反膜的反射率高于95％。
3.根据权利要求1所述的一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，其特征在于：所述第一传感器支撑结构(2)和所述第二传感器支撑结构(13)均由硅材料制成，且第一传感器支撑结构(2)和第二传感器支撑结构(13)中间均有圆环型凸起结构。
4.根据权利要求1所述的一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，其特征在于：所述光纤信号臂(4)的末端被研磨抛光为平角，并在表面加工一层增透膜结构，增透膜的透过率高于99.5％。
5.根据权利要求1所述的一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，其特征在于：所述在线型法拉第旋光器(3)距离光纤信号臂(4)的末端距离小于1米。
6.根据权利要求1所述的一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，其特征在于：所述光纤信号臂(4)的末端同加速度传感结构(1)上表面间的距离大于第一传感器支撑结构(2)上的圆环型凸起结构同加速度传感结构(1)上表面间的距离。
7.根据权利要求1所述的一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，其特征在于：所述光耦合器(5)的分光比为1:1，工作波长为1550nm。
8.根据权利要求1所述的一种微型同轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，其特征在于：所述光耦合器(5)连接光环形器(6)，光环形器(6)入射端口连接激光光源(7)，光环形器(6)出射端口连接光电探测器(10)，光电探测器(10)连接数据采集系统(9)，数据采集系统(9)连接信号处理系统(8)。
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Non-Patent Citations (1)
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