CN114001813B - 加加速度计 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种加加速度计，应用于光纤传感技术领域，包括：ASE光源，所述ASE光源的输出端与第一耦合器的一端光纤连接，所述第一耦合器，所述第一耦合器的一端还与第一探测器和第二探测器输入端光纤连接，所述第一耦合器另一端与第二耦合器一端通过两根并联的光纤进行光纤连接，所述第二耦合器，所述第二耦合器的另一端与法拉第旋转镜光纤连接，所述第一探测器，所述第一探测器的输出端与数据处理模块相连，所述第二探测器，所述第二探测器的输出端与所述数据处理模块相连，弹性结构，所述两根并联的光纤中的一根光纤缠绕在所述弹性结构上，或者，连接所述第二耦合器与所述法拉第旋转镜的光纤缠绕在所述弹性结构上，可在恶劣环境中测量加加速度。

Description

加加速度计

技术领域

本公开涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种加加速度计。

背景技术

加加速度是加速度的微分量，常用于表征结构的冲击响应，与物理破坏过程有密切关系。在工程地震和天然地震监测领域，测量加加速度，设计地震动加加速度反应谱，对地震动瞬时变化的深入研究是有重要意义的。而加加速度的获得，大多是通过测量加速度的时间序列再对其微分，这种加加速度测量的方式容易引进高频误差。强震加加速度计的研制，是强震地震动测量、工程振动研究、结构抗震设计的重要技术工具。

而在过去三十多年的研究中，加加速度计都是通过电学测量的方式实现对加加速度的直接测量，其不适用于对天然地震的加加速度测量。主要原因是强震仪器一般布设在极端恶劣的野外环境，如滑坡、断裂带、火山等，电学加加速度计在这类环境中容易受电磁干扰、环境适应差、需要长期供电。

发明内容

本公开的主要目的在于提供一种加加速度计，可在恶劣环境中测量加加速度。

为实现上述目的，本公开实施例第一方面提供一种加加速度计，包括：

ASE光源，所述ASE光源的输出端与第一耦合器的一端光纤连接；

所述第一耦合器，所述第一耦合器的一端还与第一探测器和第二探测器输入端光纤连接，所述第一耦合器另一端与第二耦合器一端通过两根并联的光纤进行光纤连接；

所述第二耦合器，所述第二耦合器的另一端与法拉第旋转镜光纤连接；

所述第一探测器，所述第一探测器的输出端与数据处理模块相连；

所述第二探测器，所述第二探测器的输出端与所述数据处理模块相连；

弹性结构，所述两根并联的光纤中的一根光纤缠绕在所述弹性结构上，或者，连接所述第二耦合器与所述法拉第旋转镜的光纤缠绕在所述弹性结构上。

在本公开一实施例中，还包括：

隔离器，所述ASE光源的输出端与所述第一耦合器的一端通过所述隔离器光纤连接。

在本公开一实施例中，所述两根并联的光纤的臂长不相等。

在本公开一实施例中，其中，

所述第一探测器，用于探测经所述第一耦合器输出的第一光信号；

所述第二探测器，用于探测经所述第一耦合器输出的第二光信号，所述第一光信号与所述第二光信号之间的相位差为120度。

在本公开一实施例中，当所述两根并联的光纤中的一根光纤缠绕在所述弹性结构上时，所述第一耦合器、所述弹性结构、所述第二耦合器集成封装在一起；

当连接所述第二耦合器与所述法拉第旋转镜的光纤缠绕在所述弹性结构上时，所述弹性结构和所述法拉第旋转镜集成封装在一起。

在本公开一实施例中，所述第二耦合器的分光比为1∶1。

在本公开一实施例中，所述两根并联的光纤的臂长差和所述光纤纤芯折射率的乘积大于所述ASE光源发出光束的相干长度。

在本公开一实施例中，所述第一耦合器为3×3耦合器。

在本公开一实施例中，所述数据处理模块，用于基于所述第一光信号和所述第二光信号，采用椭圆拟合解调算法，计算加加速度。

在本公开一实施例中，所述法拉第旋转镜，用于反射光束并抑制偏振衰落。从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的加加速度计，将光纤传感技术应用于加加速度测量，解决了电学加加速度计易受电磁干扰、环境适应差、需要长期供电等固有问题，加加速度传感结构的集成化、一体化封装更适合应用于极端环境，为强震地震动测量、工程振动研究、结构抗震设计提供新型的强震观测仪器。

2、本发明提供的加加速度计，由弹性结构直接感测加加速度，实现直接测量加加速度，解决了基于Sagnac干涉仪的加加速度计的不能直接感测加加速度和受偏振影响问题，实现光学上对加加速度的直接测量。

3、本发明提供的加加速度计，采用基于3×3耦合器的椭圆拟合解调算法，对低频噪声不敏感，通过绝对相位测量实现对加加速度的高精度测量。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开一实施例提供的一加加速度计的结构示意图；

图2为本公开一实施例提供的一加加速度计的结构示意图；

图3为本公开一实施例提供的一加加速度计的结构示意图；

图4为本公开一实施例提供的一加加速度计的结构示意图。

具体实施方式

为使得本公开的公开目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而非全部实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

请参阅图1和图2，图1和图2为本公开一实施例提供的加加速度计的结构示意图，该加加速度可在工程地震和天然地震监测领域测量加加速度，用于对地震动瞬时变化的深入研究，该加加速度计主要包括：

ASE光源1，ASE光源1的输出端与第一耦合器2的一端光纤连接；

第一耦合器2，第一耦合器2的一端还与第一探测器4和第二探测器5输入端光纤连接，第一耦合器2另一端与第二耦合器3一端通过两根并联的光纤进行光纤连接；

第二耦合器3，第二耦合器3的另一端与法拉第旋转镜7光纤连接；

第一探测器4，第一探测器4的输出端与数据处理模块相连；

第二探测器5，第二探测器5的输出端与数据处理模块相连；

弹性结构6，两根并联的光纤中的一根光纤缠绕在弹性结构6上，或者，连接第二耦合器3与法拉第旋转镜7的光纤缠绕在弹性结构6上。

在本公开中，ASE光源1提供宽带光束或低相干光束，作为加加速度计的光源。法拉第旋转镜7用于反射光束并抑制偏振衰落。第二耦合器3和法拉第旋转镜7之间的光纤用于保证光束的时间相干性。

在本公开中，当两根并联的光纤中的一根光纤缠绕在弹性结构6上时，将上述两根并联的光纤中缠绕在弹性结构6上的光纤称作传感光纤，将上述两根并联的光纤中的另一根光纤称作传光光纤，将连接第二耦合器3和法拉第旋转镜7之间的光纤称作延时光纤，则只有依次经过传感光纤、弹性结构6、第二耦合器3、延时光纤、法拉第旋转镜7、延时光纤、第二耦合器3、传光光纤和传光光纤、第二耦合器3、延时光纤、法拉第旋转镜7、延时光纤、第二耦合器3、弹性结构6、传感光纤的光束才能发生干涉，且发生干涉的两束光经过等光程。

在本公开中，当连接第二耦合器3与法拉第旋转镜7的光纤缠绕在弹性结构6上时，将上述两根并联的光纤中较长的光纤称作为延时光纤，较短的光纤称作为传光光纤，则只有依次经过延时光纤、第二耦合器3、弹性结构6、法拉第旋转镜7、弹性结构6、第二耦合器3、传光光纤和传光光纤、第二耦合器3、弹性结构6、法拉第旋转镜7、弹性结构6、第二耦合器3、延时光纤的光束才能干涉的光束才能发生干涉，且发生干涉的两束光经过等光程。

在本公开一实施例中，两根并联的光纤的臂长不相等。以保证光束发生干涉。

在本公开一实施例中，两根并联的光纤的臂长差和光纤纤芯折射率的乘积大于ASE光源1发出光束的相干长度，其中，该两根并联的光纤的臂长差大于

以保证只有两束光发生干涉。

其中，Δv为所述ASE光源1的线宽，n为所述光纤的纤芯折射率，c为真空中的光速。

在本公开一实施例中，第一探测器4，用于探测经第一耦合器2输出的第一光信号；第二探测器5，用于探测经第一耦合器2输出的第二光信号，第一光信号与第二光信号之间的相位差为120度。

在本公开中，第一探测器4和第二探测器5的类型相同。

在本公开中，第一耦合器2可以为3×3耦合器、4×4耦合器等，本公开对此不做限制，只要保证与与第一耦合器2相连的器件均与其光纤连接即可。以第一耦合器2为3×3耦合器为例，第一耦合器2的另一端只使用两个端口，第一个端口连接传感光纤，第二个端口连接传光光纤，第三个端口不使用。在第一耦合器2的另一端仅使用两个端口，严格保证两束光具有相近的光强度，可以获得较好的干涉对比度。

在本公开一实施例中，第二耦合器3的分光比为1∶1，可保证经过第二耦合器3的光束具有相近的光强度。

根据本公开，加加速度计的工作原理如下：当加加速度作用于加加速度计时，引起缠绕在弹性结构6上的传感光纤伸缩，进而调制干涉光束的相位。由于时间相干性，经过相等光程的两束光发生干涉，采用椭圆拟合解调算法，解调得到加加速度计的绝对相位，由此直接测量到加加速度。

根据本公开，加加速度计的加加速度测量原理如下：加加速度计的干涉光束的相位差为：

上式(1)中，φ(t+T)和φ(t)分别为发生干涉的两束光的相位，T为延时光纤的延时。

当两根并联的光纤中的一根光纤缠绕在弹性结构6上时，弹性结构6受加加速度作用引起光纤拉伸，调制的相位为：

当连接第二耦合器3与法拉第旋转镜7的光纤缠绕在弹性结构6上时，调制的相位为：

上式(2-1)和(2-2)中，ξ为光纤应变光学校正因子，n为光纤的纤芯折射率，λ为光波长，ΔL(t)为光纤拉伸的长度变化量。

弹性结构6的光纤拉伸的长度变化量与加速度具有线性关系，线性关系为：

ΔL(t)＝Ka(t)   (3)

上式(3)中，K为光纤拉伸的长度变化量和加速度之间的比例系数，与时间无关。

由以上式子(2-1)可以得到加加速度与干涉光相位差的关系为：

由以上式子(2-2)可以得到加加速度与干涉光相位差的关系为：

第一探测器4获得的光信号I₁和第二探测器5获得的光信号I₂，分别为：

上式(5)中，A₁、A₂为探测器所测光信号的直流分量，B₁、B₂为探测器所测光信号的交流分量幅值。

请参阅图3和图4，图3和图4为本公开一实施例提供的加加速度计的结构示意图，该加加速度计还包括隔离器8，ASE光源1的输出端与第一耦合器2的一端通过隔离器8光纤连接。隔离器8用于隔离经第一耦合器2返回的光束，避免影响ASE光源1。

在本公开一实施例中，当两根并联的光纤中的一根光纤缠绕在弹性结构6上时，第一耦合器2、弹性结构6、第二耦合器3集成封装在一起；当连接第二耦合器3与法拉第旋转镜7的光纤缠绕在弹性结构6上时，弹性结构6和法拉第旋转镜7集成封装在一起。

在本公开一实施例中，数据处理模块，用于基于第一光信号和第二光信号，采用椭圆拟合解调算法，计算加加速度。

在本公开中，可根据第一耦合器2的型号采用椭圆拟合解调算法，例如，当第一耦合器2为3×3耦合器时，可采用基于3×3耦合器的椭圆拟合解调算法，进行加加速度测量的信号处理。由于第一探测器4和第二探测器5所探测第一光信号和第二光信号的相位相差为120度，因而可以通过椭圆拟合解调算法实时拟合出一个反映干涉光相位变化的实时椭圆，由实时椭圆的参数解调干涉光的相位差，实现对加加速度的直接测量。该解调方式对低频噪声不敏感，其绝对相位测量实现了对加加速度的直接测量。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作细合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的一种加加速度计的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种加加速度计，其特征在于，包括：

ASE光源，所述ASE光源的输出端与第一耦合器的一端光纤连接；

所述第一耦合器，所述第一耦合器的一端还与第一探测器和第二探测器输入端光纤连接，所述第一耦合器另一端与第二耦合器一端通过两根并联的光纤进行光纤连接，所述两根并联的光纤的臂长不相等；

所述第二耦合器，所述第二耦合器的另一端与法拉第旋转镜光纤连接；

所述第一探测器，用于探测经所述第一耦合器输出的第一光信号，所述第一探测器的输出端与数据处理模块相连；

所述第二探测器，用于探测经所述第一耦合器输出的第二光信号，所述第一光信号与所述第二光信号之间的相位差为120度，所述第二探测器的输出端与所述数据处理模块相连；

隔离器，所述ASE光源的输出端与所述第一耦合器的一端通过所述隔离器光纤连接；

弹性结构，所述两根并联的光纤中的一根光纤缠绕在所述弹性结构上，或者，连接所述第二耦合器与所述法拉第旋转镜的光纤缠绕在所述弹性结构上。

2.根据权利要求1所述的加加速度计，其特征在于，当所述两根并联的光纤中的一根光纤缠绕在所述弹性结构上时，所述第一耦合器、所述弹性结构、所述第二耦合器集成封装在一起；

当连接所述第二耦合器与所述法拉第旋转镜的光纤缠绕在所述弹性结构上时，所述弹性结构和所述法拉第旋转镜集成封装在一起。

3.根据权利要求1所述的加加速度计，其特征在于，所述第二耦合器的分光比为1：1。

4.根据权利要求1所述的加加速度计，其特征在于，所述两根并联的光纤的臂长差和所述光纤纤芯折射率的乘积大于所述ASE光源发出光束的相干长度。

5.根据权利要求1所述的加加速度计，其特征在于，所述第一耦合器为3×3耦合器。

6.根据权利要求1所述的加加速度计，其特征在于，所述数据处理模块，用于基于所述第一光信号和所述第二光信号，采用椭圆拟合解调算法，计算加加速度。

7.根据权利要求1所述的加加速度计，其特征在于，所述法拉第旋转镜，用于反射光束并抑制偏振衰落。

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