CN114018390B - 加加速度测量装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种加加速度测量装置，应用于光纤测量技术领域，包括：光纤加加速度探头、微分Mach‑Zehnder干涉仪和光电信号收发模块，所述光纤加加速度探头，与所述光电信号收发模块光纤连接，用于感测加加速度，所述微分Mach‑Zehnder干涉仪，与所述光电信号收发模块光纤连接，用于实现光路的双光束干涉，发出干涉信号，所述光电信号收发模块，用于向所述光纤加加速度探头提供光源，以及，探测并解调所述微分Mach‑Zehnder干涉仪的干涉信号所包含的加加速度信号。可在恶劣环境中测量加加速度。

Description

加加速度测量装置

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测量装置。

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测量装置，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测量装置，主要包括：

光纤加加速度探头1、微分Mach-Zehnder干涉仪2和光电信号收发模块3；

所述光纤加加速度探头1，与所述光电信号收发模块3光纤连接，用于感测加加速度；

所述微分Mach-Zehnder干涉仪2，与所述光电信号收发模块3光纤连接，用于实现光路的双光束干涉，发出干涉信号；

所述光电信号收发模块3，用于向所述光纤加加速度探头1提供光源，以及，探测并解调所述微分Mach-Zehnder干涉仪2的干涉信号所包含的加加速度信号。

在本公开一实施例中，所述光纤加加速度探头1包括：

惯性件4和光纤激光器5；

所述惯性件4，用于拾取加加速度；

所述光纤激光器5，固定于所述惯性件4上，用于将所述惯性件4拾取的加加速度转变为所述光纤激光器5的中心波长的漂移速率；

在本公开一实施例中，所述微分Mach-Zehnder干涉仪2包括：

第一耦合器11、第二耦合器14、压电陶瓷15、法拉第旋转镜16；

所述第一耦合器11，和所述第二耦合器之间通过两根并联的光纤进行光纤连接；

所述第二耦合器14，与所述法拉第旋转镜16光纤连接；

压电陶瓷15，被连接所述第二耦合器14与所述法拉第旋转镜16的光纤缠绕，用于对光束进行相位调制，所述相位随所述漂移速率的变化而变化；

法拉第旋转镜16，用于反射光束并抑制偏振衰落。

在本公开一实施例中，所述两根并联的光纤中的一根光纤与另一根光纤的臂长差满足

其中，Δ_V为所述光纤激光器5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，所述第二耦合器14的分光比为1∶1。

在本公开一实施例中，所述光电信号收发模块3包括：

波分复用器7、光源8、环形器10、第一探测器17、第二探测器18、第三探测器19；

所述光源8，与所述波分复用器7的一端光纤连接，用于发出光束；

所述波分复用器7，一端还与所述环形器10光纤连接，另一端与所述光纤加加速度探头1，用于将所述光束处理为不同波长的光束，并传输给所述环形器10；

所述环形器10，与所述第一探测器17和所述第一耦合器11光纤连接，用于将所述不同波长的光束传输给所述第一耦合器11，并将所述第一耦合器11发出来的光束向所述第一探测器17的传输；

所述第一探测器17，用于探测所述环形器10发出的第一光信号；

所述第二探测器18，与所述第一耦合器11光纤连接，用于探测所述第一耦合器11发出的第二光信号；

所述第三探测器19，与所述第一耦合器11光纤连接，用于探测所述第一耦合器11发出的第三光信号。

在本公开一实施例中，所述光电信号收发模块3还包括：

隔离器9；

所述隔离器9，一端与所述波分复用器7光纤连接，另一端与所述环形器10光纤连接，用于隔离所述环形器10的反射光束对所述光纤加加速度探头1中所述光纤激光器5性能的影响。

在本公开一实施例中，所述第一光信号和所述第二光信号之间的相位相差120°，所述第二光信号和所述第三光信号相互之间的相位相差120°。

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，所述第一探测器17、所述第二探测器18和所述第三探测器19均与数据处理模块相连；

所述数据处理模块，用于基于所述第一光信号、所述第二光信号和所述第三光信号，计算加加速度。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、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测量装置易受电磁干扰、环境适应差、需要长期供电等问题；将光纤激光器应用于加加速度传感与测量，研制加加速度测量装置，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、将光纤激光器应用于加加速度的直接传感与测量，使感测加加速度的光纤加加速度探头独立于微分Mach-Zehnder干涉仪，结构更为简单，极大减少光路的复杂性，提高面向极端环境的应用能力，采用光纤激光器和光纤微分Mach-Zehnder干涉仪，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、探头光路复杂、受偏振影响问题，实现光学上对加加速度的直接测量。

3、对第一耦合器采用3×3耦合器，采用基于3×3耦合器的解调算法，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加加速度测量装置的结构示意图；

图2为本公开一实施例提供的加加速度测量装置的结构示意图。

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，图1为本公开一实施例提供的加加速度测量装置的结构示意图，该加加速度测量装置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，该加加速度测量装置主要包括：光纤加加速度探头1、微分Mach-Zehnder干涉仪2和光电信号收发模3。

光纤加加速度探头1，与光电信号收发模块3光纤连接，用于感测加加速度；

微分Mach-Zehnder干涉仪2，与光电信号收发模块3光纤连接，用于实现光路的双光束干涉，发出干涉信号；

光电信号收发模块3，用于向光纤加加速度探头1提供光源，以及，探测并解调微分Mach-Zehnder干涉仪2的干涉信号所包含的加加速度信号。

在本公开中，光纤加加速度探头1独立于微分Mach-Zehnder干涉仪2，极大减少光路的复杂性，使得加加速度测量装置具有灵活性，可以适应和应用于极端环境的强震加加速度测量。

在本公开一实施例中，光纤加加速度探头1包括：惯性件4和光纤激光器5，惯性件4，用于拾取加加速度，光纤激光器5，固定于惯性件4上，用于将惯性件4拾取的加加速度转变为光纤激光器5的中心波长的漂移速率；

在本公开中，该惯性件可以为质量块，该光纤激光器可以为DFB激光器、DBR激光器、随机激光器等，也可以为光纤布拉格光栅、相移光栅、长周期光栅等其它波长调制器件。

本公开提供的加加速度测量装置的工作原理如下：当加加速度作用于光纤加加速度探头1时，惯性件4拾取加加速度引起光纤激光器5所在的光纤产生伸缩应变，使得光纤激光器5的中心波长产生一个漂移速率。然后给压电陶瓷15施加正弦信号，产生调制相位，该相位因光纤激光器5的中心波长的漂移速率的变化而发生变化。由于时间相干性，经过相等光程的两束光发生干涉，采用基于第一耦合器的解调算法，解调得到光纤激光器5的中心波长的漂移速率变化的相位变化，因而，由此直接解调并测量到加加速度。

本公开提供的加加速度测量装置的加加速度测量原理如下：

传感元件5受加加速度作用，引起光纤轴向应变，使得光纤激光器5的中心波长产生漂移，中心波长的漂移速率和加加速度的关系为：

上式，K为光纤激光器5的中心波长的漂移速率和加加速度之间的比例系数，与时间无关。

压电陶瓷15受信号发生器提供的正弦信号驱动，缠绕在压电陶瓷15表面的光纤发生拉伸，引起的调制相位为：

该式可以进一步写为：

上式，ξ为光纤应变光学校正因子，n光纤的纤芯折射率，λ_B为光纤激光器5的中心波长，ΔL为光纤拉伸的长度变化量，f_m为压电陶瓷15调制频率。

微分Mach-Zehnder干涉仪2实现对相位的微分作用，光纤加加速度测量装置的干涉光束的相位差为：

上式，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。

该式可以进一步写为：

通过贝塞尔函数展开、三角函数变换等数字信号处理方式可以将上式中的第二项解调出来，该项的相位峰峰值为：

由以上式子可以得到加加速度为：

第一探测器17、第二探测器18和第三探测器19获得的光信号，分别为：

上式，A₁为第一探测器所测第一光信号的直流分量，A₂为第二探测器所测第二光信号的直流分量，A₃为第三探测器所测第三光信号的直流分量，B₁为第一探测器所测第一光信号的交流分量幅值，B₂为第二探测器所测第二光信号的交流分量幅值，B₃为第三探测器所测第三光信号的交流分量幅值。

在本公开一实施例中，微分Mach-Zehnder干涉仪2包括第一耦合器11、第二耦合器14、压电陶瓷15、法拉第旋转镜16。

第一耦合器11和第二耦合器之间通过两根并联的光纤进行光纤连接。第二耦合器14与法拉第旋转镜16光纤连接。压电陶瓷15被连接第二耦合器14与法拉第旋转镜16的光纤缠绕，用于对光束进行相位调制，相位随漂移速率的变化而变化。法拉第旋转镜16用于反射光束并抑制偏振衰落。

在本公开中，将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，第一耦合器11将光纤激光器5的光束分成两束，只有依次经过延时光纤、第二耦合器14、压电陶瓷15、法拉第旋转镜16、压电陶瓷15、第二耦合器14、传光光纤和传光光纤、第二耦合器14、压电陶瓷15、法拉第旋转镜16、压电陶瓷15、第二耦合器14、延时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。

在本公开一实施例中，两根并联的光纤中的一根光纤与另一根光纤的臂长差满足其中，Δ_V为光纤激光器5的线宽，n为光纤的纤芯折射率，c为真空中的光速。

在本公开一实施例中，第二耦合器14的分光比为1∶1，可以保证经过第二耦合器14的光束具有相近的光强度。

在本公开一实施例中，光电信号收发模块3包括波分复用器7、光源8、环形器10、第一探测器17、第二探测器18、第三探测器19。

光源8与波分复用器7的一端光纤连接，用于发出光束。波分复用器7一端还与环形器10光纤连接，另一端与光纤加加速度探头1，用于将光束处理为不同波长的光束，并传输给环形器10。环形器10与第一探测器17和第一耦合器11光纤连接，用于将不同波长的光束传输给第一耦合器11，并将第一耦合器11发出来的光束向第一探测器17的传输。第一探测器17用于探测环形器10发出的第一光信号。第二探测器18，与第一耦合器11光纤连接，用于探测第一耦合器11发出的第二光信号。第三探测器19，与第一耦合器11光纤连接，用于探测第一耦合器11发出的第三光信号。

请参阅图2，图2为本公开一实施例提供的加加速度测量装置的结构示意图，光电信号收发模块3还包括隔离器9。隔离器9，一端与波分复用器7光纤连接，另一端与环形器10光纤连接，用于隔离环形器10的反射光束对光纤加加速度探头1中光纤激光器5性能的影响。

在本公开一实施例中，第一光信号和第二光信号之间的相位相差120°，第二光信号和第三光信号相互之间的相位相差120°。

在本公开一实施例中，第一耦合器11为3×3耦合器。3×3耦合器一侧只使用两个端口，第一个端口连接延时光纤，第二个端口连接传光光纤，第三个端口不使用，严格保证两束光具有相近的光强度，可获得较好的干涉对比度，。

在本公开一实施例中，第一探测器17、第二探测器18和第三探测器19均与数据处理模块相连。数据处理模块，用于基于第一光信号、第二光信号和第三光信号，计算加加速度。

在本公开中，当第一耦合器11为3×3耦合器时，可采用基于3×3耦合器的解调算法，基于第一光信号、第二光信号和第三光信号，计算加加速度，采用基于3×3耦合器的解调算法，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。由于第一探测器17、第二探测器18和第三探测器19所探测光信号两两之间的相位相差120°，可以通过第一光信号、第二光信号和第三光信号进行解调得到干涉光束的相位差，也可以选择任意第一光信号、第二光信号和第三光信号中的任意两个进行实时椭圆拟合，由实时椭圆的参数解调干涉光的相位差。通过直接测量干涉光束的相位差，结合贝塞尔函数展开、三角函数变换等数字信号处理方式，实现对加加速度的直接测量。

需要说明的是，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测量装置的描述，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 (5)

1.一种加加速度测量装置，其特征在于，包括：

光纤加加速度探头(1)、微分Mach-Zehnder干涉仪(2)和光电信号收发模块(3)；

所述光纤加加速度探头(1)，与所述光电信号收发模块(3)光纤连接，用于感测加加速度；

所述微分Mach-Zehnder干涉仪(2)，与所述光电信号收发模块(3)光纤连接，用于实现光路的双光束干涉，发出干涉信号；

所述光电信号收发模块(3)，用于向所述光纤加加速度探头(1)提供光源，以及，探测并解调所述微分Mach-Zehnder干涉仪(2)的干涉信号所包含的加加速度信号；

所述光纤加加速度探头(1)包括：

惯性件(4)和光纤激光器(5)；

所述惯性件(4)，用于拾取加加速度；

所述光纤激光器(5)，固定于所述惯性件(4)上，用于将所述惯性件(4)拾取的加加速度转变为所述光纤激光器(5)的中心波长的漂移速率；

所述微分Mach-Zehnder干涉仪(2)包括：

第一耦合器(11)、第二耦合器(14)、压电陶瓷(15)、法拉第旋转镜(16)：

所述第一耦合器(11)，和所述第二耦合器之间通过两根并联的光纤进行光纤连接，所述两根并联的光纤中的一根光纤与另一根光纤的臂长差满足其中，Δv为所述光纤激光器(5)的线宽，n为所述光纤的纤芯折射率，c为真空中的光速；

所述第二耦合器(14)，与所述法拉第旋转镜(16)光纤连接，所述第二耦合器(14)的分光比为1∶1；

压电陶瓷(15)，被连接所述第二耦合器(14)与所述法拉第旋转镜(16)的光纤缠绕，用于对光束进行相位调制，所述相位随所述漂移速率的变化而变化；

法拉第旋转镜(16)，用于反射光束并抑制偏振衰落；

所述光电信号收发模块(3)包括：

波分复用器(7)、光源(8)、环形器(10)、第一探测器(17)、第二探测器(18)、第三探测器(19)；

所述光源(8)，与所述波分复用器(7)的一端光纤连接，用于发出光束；

所述波分复用器(7)，一端还与所述环形器(10)光纤连接，另一端与所述光纤加加速度探头(1)，用于将所述光束处理为不同波长的光束，并传输给所述环形器(10)；

所述环形器(10)，与所述第一探测器(17)和所述第一耦合器(11)光纤连接，用于将所述不同波长的光束传输给所述第一耦合器(11)，并将所述第一耦合器(11)发出来的光束向所述第一探测器(17)的传输；

所述第一探测器(17)，用于探测所述环形器(10)发出的第一光信号；

所述第二探测器(18)，与所述第一耦合器(11)光纤连接，用于探测所述第一耦合器(11)发出的第二光信号；

所述第三探测器(19)，与所述第一耦合器(11)光纤连接，用于探测所述第一耦合器(11)发出的第三光信号。

2.根据权利要求1所述的加加速度测量装置，其特征在于，所述光电信号收发模块(3)还包括：

隔离器(9)；

所述隔离器(9)，一端与所述波分复用器(7)光纤连接，另一端与所述环形器(10)光纤连接，用于隔离所述环形器(10)的反射光束对所述光纤加加速度探头(1)中所述光纤激光器(5)性能的影响。

3.根据权利要求1所述的加加速度测量装置，其特征在于，所述第一光信号和所述第二光信号之间的相位相差120°，所述第二光信号和所述第三光信号相互之间的相位相差120°。

4.根据权利要求1所述的加加速度测量装置，其特征在于，所述第一耦合器(11)为3×3耦合器。

5.根据权利要求1所述的加加速度测量装置，其特征在于，所述第一探测器(17)、所述第二探测器(18)和所述第三探测器(19)均与数据处理模块相连；

所述数据处理模块，用于基于所述第一光信号、所述第二光信号和所述第三光信号，计算加加速度。