CN109655635A - 基于迈克尔逊干涉仪的微型偏轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及基于迈克尔逊干涉仪的微型偏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、光纤尾纤、第一在线型法拉第旋光器、第一光纤信号臂、光耦合器、第二光纤信号臂、第二在线型法拉第旋光器、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，第一光纤信号臂通过第一在线型法拉第旋光器与光纤尾纤相连接；本发明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，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。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及基于迈克尔逊干涉仪的微型偏轴光纤迈克尔逊 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。如申请号为201620864998.4的专利“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。
在申请号为201310018899.5的专利“一种基于迈克尔逊干涉仪垂直振动位移传感器”和 申请号为201710229546.8的专利“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。另外，由于这些结构 中，光纤的光轴同质量块的表面相垂直，构成同轴结构。由于需要弯折光纤，同轴型结构难 以进行表面贴合安装，不适合在狭窄空间内进行垂直表面方向的振动测量。
综上所述，现有技术存在加工复杂、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偏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；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；构成偏轴型结构，从而使得传感器可以在狭窄空间内完成表面 贴合安装，以进行垂直表面方向的振动测量通过结构参数的改变可以方便地调整传感器的灵 敏度；
基于迈克尔逊干涉仪的微型偏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、光纤尾纤3、第一在线型法拉第旋光器5、第一光纤信号臂6、光耦 合器7、第二光纤信号臂13、第二在线型法拉第旋光器14、第二传感器支撑结构15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15之间，第一光 纤信号臂6通过第一在线型法拉第旋光器5与光纤尾纤3相连接，光纤尾纤3的末端垂直插 入第一传感器支撑结构2中间的通孔中，光纤尾纤3的端面研抛为45°，光纤尾纤3在靠近 加速度传感结构1的侧面加工有增透膜4；第一光纤信号臂6和第二光纤信号臂13并联在一 起后与光耦合器7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15均由硅材料制成，第一传感器 支撑结构2侧面有通孔。
所述光纤尾纤3表面镀有一层增反膜，所述增透膜4的透过率高于99.5％。
所述第一在线型法拉第旋光器5距离第一光纤信号臂6的末端距离小于1米。
所述光耦合器7的分光比为1:1，工作波长为1550nm。
所述光耦合器7连接光环形器8，光环形器8入射端口连接激光光源9，光环形器8出射 端口连接光电探测器12，光电探测器12连接数据采集系统11，数据采集系统11连接信号处 理系统10。
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；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发来器；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-光纤尾纤、4-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-第二光纤信号臂、14-第二在线型法拉第旋光器、15-第二传感器支撑结构。
图2中：1-加速度传感结构、2-第一传感器支撑结构、3-光纤尾纤、4-增透膜、15-第二传感器支撑结构。
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种微型偏轴差动式光纤迈克尔非本征型加速 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。另外，由于这些结构 中，光纤的光轴同质量块的表面相垂直，构成同轴结构。由于需要弯折光纤，同轴型结构难 以进行表面贴合安装，不适合在狭窄空间内进行垂直表面方向的振动测量。
本发明的目的在于提出一种微型偏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；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；构成偏轴型结构，从而使得传感器可以在狭窄空间内完成表面 贴合安装，以进行垂直表面方向的振动测量通过结构参数的改变可以方便地调整传感器的灵 敏度；
基于迈克尔逊干涉仪的非本征型微型偏轴光纤加速度计，其特征在于包括激光器、与激 光器相连接的环形器、与环形器相连接的耦合器和光电探测器、与耦合器相连接的迈克尔逊 干涉臂光纤、与干涉臂光纤相连接的法拉第旋光器、固定干涉臂光纤的传感器支撑结构、加 速度敏感结构，与光电探测器相连接的数据采集系统，与数据采集系统相连接的信号处理系 统。
所述的激光器出射光经过环形器之后被耦合器分成两束功率相等的光并进入干涉臂光纤 中，所述的干涉臂光纤包括第一信号臂和第二信号臂，两束光分别沿着第一信号臂和第二信 号臂传输后入射传感探头内部，并分别入射加速度敏感结构上下两个表面，其返回光耦合进 入对应的入射光纤，再次沿着干涉臂光纤传输至耦合器处发生干涉，干涉光经环形器进入光 电探测器并被转化为电信号，利用数据采集系统将电信号采集后送入信号处理系统实现对加 速度信号的检测分析。
所述的两个信号臂光纤中间均插入一个在线型法拉第旋光器，用于将入射光的偏振方向 旋转45度，当返回光再次经过法拉第旋光器时，其偏振方向将旋转90度，从而补偿光在传 输过程中的偏振衰落损耗。所述的两个信号臂间的臂长差可以根据解调方式的不同进行调整， 光纤尾纤3的端面研抛为45度，侧面加工有一层增透膜4；
所述的加速度传感结构为膜片支撑的质量块结构，质量块的两侧均镀有高反射膜，通过 改变膜片的厚度或者形状及质量块的重量来改变传感器的灵敏度，利用键合的方式将其固定 在传感器支撑结构中间组成传感探头。所述的传感器支撑结构中间有穿过光纤的通孔和限制 质量块运动行程的圆形环结构。所述的加速度传感结构和传感器支撑结构是通过硅深刻蚀工 艺加工得到的。
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；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发来器；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。
如图1、图2所示，基于迈克尔逊干涉仪的非本征型微型光纤加速度计，包括激光器1、 环形器2、3dB耦合器3、,第一光纤信号臂4、第一在线型法拉第旋光器5、第一传感器支撑结构6、加速度传感结构7、第二传感器支撑结构8、第二在线型法拉第旋光器9、第二光纤 信号臂10、光电探测器11、数据采集系统12、信号处理系统13。
激光器1的出射光经过环形器2之后被3dB耦合器分成两束功率相等的光，3dB耦合器 分光比为1:1，工作波长为1550nm，插入损耗小于3dB。
一束光进入第一光纤信号臂4中，在经过第一在线型法拉第旋光器5之后，该束光的偏 振态旋转45度。第一信号臂的末端穿过第一传感器支撑结构6中间的通孔后固定，其端面同 加速度传感结构7的上表面平行。光束从第一光纤信号臂4的末端出射之后，入射到加速度 传感结构7的上表面之后发生反射，反射光耦合回第一光纤信号臂4之后进行反向传输，在 再次经过第一在线型法拉第旋光器5之后，该光束的偏振态再次旋转45度，并传输至3dB耦 合器。
与此同时，另一束光进入第二光纤信号臂10中，在经过第二在线型法拉第旋光器9之后， 该束光的偏振态也旋转45度。第二信号臂的末端穿过第二传感器支撑结构8中间的通孔后固 定，其端面同加速度传感结构7的下表面平行。光束从第二光纤信号臂10的末端出射之后， 入射到加速度传感结构7的下表面之后发生反射，反射光耦合回第二光纤信号臂10之后进行 反向传输，在再次经过第二在线型法拉第旋光器9之后，该光束的偏振态再次旋转45度，并 传输至3dB耦合器，与第一光纤信号臂4的返回光发生干涉。
光纤尾纤3端面研抛为45°，并蒸镀有增透膜，透过率大于99.5％。加速度传感结构的 两个表面均镀有高反射膜，反射率大于99％。
干涉后的光再次经过环形器2后进入光电探测器11后被转化为电信号，并利用数据采集 系统12进行采集，然后利用信号处理系统13对采集得到的信号进行处理。根据不同的解调 方式可以方便的调整信号臂4和10之间的臂长差。
加速度传感结构7的制作材料为硅，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1，然后利用磁控 溅射或者电子束沉积的方式在加速度传感结构1的两个表面镀上一层厚度为100纳米的金层， 然后利用金硅键合的方式将在传感器支撑结构7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。
基于迈克尔逊干涉仪的微型偏轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，包括3dB耦合器7、, 第一光纤信号臂6、第一在线型法拉第旋光器5、第一传感器支撑结构2、光纤尾纤3、加速 度传感结构1、第二传感器支撑结构15、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6经在线型法拉第旋光器5后同光纤尾纤相连，光纤尾纤3经过第 一传感器支撑结构2的侧边插入加速度传感探头内部组成偏轴型结构；
光纤尾纤的端面研抛为45°，侧面加工有一层增透膜4；
光耦合器7、光纤信号臂6、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。
根据权利要求1所述一种微型偏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％。
根据权利要求1所述一种微型偏轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，其特征在于：所述 传感器支撑结构2、15均为硅材料，其中第一传感器支撑结构2侧边有通孔以容放光纤。
根据权利要求1所述一种微型偏轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，其特征在于：所述 光纤尾纤3的末端都经过45°研抛加工，并在表明镀有一层增反膜，保证光线的反射率；通 过全反射原理将光路由轴向传输转变为径向传输，并在靠近加速度传感装置1的表面加工一 层增透膜结构，透过率高于99.5％；
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，其特征在于：所述 在线型法拉第旋光器5使传输光的偏振态旋转45度；
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，其特征在于：所述 在线型法拉第旋光器5距离光纤信号臂6的末端距离小于1米；
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，其特征在于： 所述光耦合器7的分光比为1:1，工作波长为1550纳米；
根据权利要求1所述一种微型偏轴差动式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7连接光环形器8，光环形器8入射端口连接激光光源9，光环形器8出射端口 连接光电探测器12，光电探测器12连接数据采集系统11，数据采集系统11连接信号处理系 统10；
采用如权利1-8所述任意一种微型偏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，其特征在于所述的激光光源9出射光经过环形器8之后被光耦合器7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7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45°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；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；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 (7)
1.基于迈克尔逊干涉仪的微型偏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)、光纤尾纤(3)、第一在线型法拉第旋光器(5)、第一光纤信号臂(6)、光耦合器(7)、第二光纤信号臂(13)、第二在线型法拉第旋光器(14)、第二传感器支撑结构(15)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(15)之间，第一光纤信号臂(6)通过第一在线型法拉第旋光器(5)与光纤尾纤(3)相连接，光纤尾纤(3)的末端垂直插入第一传感器支撑结构(2)中间的通孔中，光纤尾纤(3)的端面研抛为45°，光纤尾纤(3)在靠近加速度传感结构(1)的侧面加工有增透膜(4)；第一光纤信号臂(6)和第二光纤信号臂(13)并联在一起后与光耦合器(7)连接在一起。
2.根据权利要求1所述的基于迈克尔逊干涉仪的微型偏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所述的基于迈克尔逊干涉仪的微型偏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(15)均由硅材料制成，第一传感器支撑结构(2)侧面有通孔。
4.根据权利要求1所述的基于迈克尔逊干涉仪的微型偏轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，其特征在于：所述光纤尾纤(3)表面镀有一层增反膜，所述增透膜(4)的透过率高于99.5％。
5.根据权利要求1所述的基于迈克尔逊干涉仪的微型偏轴光纤迈克尔逊非本征型加速度计，其特征在于：所述第一在线型法拉第旋光器(5)距离第一光纤信号臂(6)的末端距离小于1米。
6.根据权利要求1所述的基于迈克尔逊干涉仪的微型偏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(7)的分光比为1:1，工作波长为1550nm。
7.根据权利要求1所述的基于迈克尔逊干涉仪的微型偏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(7)连接光环形器(8)，光环形器(8)入射端口连接激光光源(9)，光环形器(8)出射端口连接光电探测器(12)，光电探测器(12)连接数据采集系统(11)，数据采集系统(11)连接信号处理系统(10)。
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