CN114167084A - 一种单光纤三维加速度传感探头及传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单光纤三维加速度传感探头及传感器，光纤设置在封装壳体内，一端固定，另一端为自由端；弹簧振片将质量块悬挂设置在封装壳体内，质量块一个端面与光纤自由端端面平行并留有间隙；光纤包含两个空气孔和一个中心纤芯，空气孔内壁上设置有悬挂纤芯；两个悬挂纤芯与中心纤芯分别在不同相位匹配波长下发生共振耦合，构成两个正交分布光纤定向耦合器，用于径向二维加速度传感；光纤自由端端面除中心纤芯区域外镀有反射膜，质量块与光纤自由端端面平行端面表面镀有反射膜，中心纤芯端面和反射膜构成光纤空气腔法布里‑珀罗干涉仪，用于光纤轴向加速度传感。本发明体积小、集成度高，克服电学类传感器抗电磁干扰能力差、不耐腐蚀缺点。

Description

一种单光纤三维加速度传感探头及传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种单光纤三维加速度传感探头及传感器。

背景技术

传统的加速度传感器主要包括压电型、压阻型、电容型和伺服型。随着相关技术的发展，也出现了如谐振式、声表面波式、磁流体式等新型的电学加速度传感器。但在强静电场、强交变磁场、强声场、强电缆影响等存在电磁干扰的特殊环境下，电学传感器容易受到严重影响，这些电磁干扰将会导致电学类传感器产生乱真响应。此外，电学类传感器还普遍存在耐腐蚀能力差等缺点。与之相对的光学加速度传感器，特别是光纤加速度传感器因其出色的抗电磁干扰能力、耐腐蚀性、以及便于复用等优点，在国防、海洋、工业、航空航天等领域中发挥了重要作用。但现有的光纤加速度传感器通常需要多个传感器来实现多维加速度的传感。在进行三维加速度传感时，需要将三个加速度传感器两两正交集成，这不但对机械结构提出了较高的精度要求，而且限制了三维光纤加速度传感器的体积，不利于微型化。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种基于法布里-珀罗干涉原理和模式耦合原理的、能实现三维加速度测量的单光纤三维加速度传感探头及传感器，实现三维加速度光纤传感器的微型化并获得较高的加速度灵敏度。

为解决上述技术问题，本发明的一种单光纤三维加速度传感探头，包括一段光纤、一个封装壳体、一片弹簧振片和一个质量块；光纤设置在封装壳体内，一端固定于封装壳体内，另一端为自由端；弹簧振片将质量块悬挂设置在封装壳体内，质量块的一个端面与光纤的自由端的端面平行并留有间隙；光纤包含两个空气孔和一个中心纤芯，第一空气孔内壁上设置有第一悬挂纤芯，第二空气孔内壁上设置有第二悬挂纤芯；两个悬挂纤芯与中心纤芯分别在不同相位匹配波长下发生共振耦合，构成两个正交分布的光纤定向耦合器，用于对光纤径向的二维加速度进行传感；光纤自由端的端面除中心纤芯区域外镀有反射膜，质量块与光纤的自由端的中心纤芯端面平行的端面表面镀有反射膜，中心纤芯的端面和反射膜构成光纤空气腔法布里-珀罗干涉仪，用于对光纤轴向的加速度进行传感。

进一步的，两个正交分布的光纤定向耦合器在光谱中产生两个分离的共振峰，当中心纤芯内传输满足悬挂纤芯和中心纤芯共振耦合条件的两个窄线宽光，耦合入对应悬挂纤芯的窄线宽光经悬挂纤芯的反射膜反射后均位于对应耦合共振峰的线性区内；当沿光纤径向的二维加速度使得光纤发生弯曲，两个正交分布的光纤定向耦合器的两个共振峰发生漂移，反射光谱中入射光波长的反射光强度发生变化，根据反射光强度变化实现对光纤径向二维加速度的传感。

进一步的，光纤法布里-珀罗干涉仪在光谱中产生连续干涉峰，当中心纤芯内传输窄线宽光，不满足共振耦合条件的窄线宽光经光纤空气腔法布里-珀罗干涉仪反射后位于任意干涉峰的线性区内，当光纤轴向的加速度使得中心纤芯端面和质量块反射面之间的距离发生变化，法布里-珀罗干涉峰发生漂移，反射光谱中入射光波长的反射光强度发生变化，根据反射光强度变化实现对光纤轴向加速度的传感。

进一步的，光纤因径向加速度发生弯曲时，中心纤芯端面和质量块反射面之间的夹角和距离发生变化，中心纤芯中不满足共振耦合条件的窄线宽入射光的反射光强度发生变化，利用双参数矩阵，用两个正交分布的光纤定向耦合器获得径向加速度消除光纤法布里-珀罗干涉仪中来自径向加速度的串扰。

进一步的，两个悬挂纤芯中心分别与中心纤芯中心的连线夹角为90°，两个悬挂纤芯分别悬挂于两个空气孔内壁靠近中心纤芯处，两个悬挂纤芯中的基模通过折射率差异或直径差异分别在不同的相位匹配波长下与中心纤芯的基模发生共振耦合。

进一步的，光纤的包层直径为125μm，中心纤芯直径为8.5-9μm，两个空气孔直径为35-40μm，两个空气孔边缘与中心纤芯边缘距离为3-8μm，两个悬挂纤芯直径为10-13μm，两个悬挂纤芯直径差为0.2-2μm，两个悬挂纤芯和中心纤芯分别与包层的折射率差为0.004-0.006。

进一步的，光纤的长度等于中心纤芯分别与两悬挂纤芯发生共振耦合的耦合长度的奇数倍的公倍数。

采用上述任意一种单光纤三维加速度传感探头的传感器，包括三个不同波长的窄线宽光源、两个3×1光纤耦合器、一个光纤环形器、单模光纤、传感探头、三个不同波段的光纤带通滤波器和三个光电探测器；

三个不同波长的窄线宽光源发射的入射光中，有两束入射光波段分别位于两个悬挂纤芯与中心纤芯的共振耦合峰波段内；三个不同波长的窄线宽光源的中心波长分别位于三个不同波段的光纤带通滤波器的工作波段内。

三个不同波段的窄线宽光通过第一3×1光纤耦合器、光纤环形器和单模光纤被导入到中心纤芯，传感器探头内来自两个正交分布的光纤定向耦合器和法布里-珀罗干涉仪的反射光通过单模光纤、光纤环形器反射端口和第二3×1光纤耦合器后被均分成三路，分别通过三个不同波段的光纤带通滤波器后三束不同波长的光信号被分别导入到三个光电探测器中进行测量。

进一步的，在恒温条件下，对两个正交分布的光纤定向耦合器的光纤径向加速度传感器反射光谱中两个共振峰的加速度传感特性进行测量标定，并且对法布里-珀罗干涉仪的光纤轴向加速度传感器反射光谱中干涉峰的轴向加速度和径向加速度的传感特性进行测量标定，测得光纤轴向和光纤径向的法布里-珀罗干涉仪加速度灵敏度分别为K_F-P1和K_F-P2，测得光纤径向的两个正交分布的光纤定向耦合器的两个峰值加速度灵敏度分别为K_Coupler1和K_Coupler2。

若两个正交分布的光纤定向耦合器的反射光强分别为I_Coupler1和I_Coupler2，则两个径向加速度合加速度A_Coupler的大小为：

其中

A_C1和A_C2分别为两个正交分布的径向加速度，a_C1和a_C2为常系数，径向合加速度A_Coupler的方向由A_C1和A_C2的方向决定；

若法布里-珀罗干涉仪的反射光强为I_F-P，则法布里-珀罗干涉仪的轴向加速度为：

A_F-P＝A₁-A₂

其中

A₁为含径向加速度串扰的轴向加速度，A₂为径向加速度串扰，a₁和a₂为常系数。

本发明的有益效果：本发明提出一种单光纤三维加速度传感器，利用双空气孔三芯光纤的中心纤芯和两个悬挂纤芯构成两个正交分布的光纤定向耦合器，对光纤径向的二维加速度进行传感。利用双空气孔三芯光纤的中心纤芯和质量块构成光纤空气腔法布里-珀罗干涉仪，对光纤轴向的加速度进行传感测量。光纤径向加速度引起光纤弯曲，使得悬挂纤芯与中心纤芯相位匹配波长发生变化来实现对光纤径向二维加速度的传感；同时光纤轴向和光纤径向的加速度都会引起法布里-珀罗干涉仪干涉峰的变化，通过双参数矩阵来消除光纤径向加速度的串扰，来实现光纤轴向加速度的传感。本发明利用双空气孔三芯光纤的两个纤内定向耦合器和法布里-珀罗干涉仪的级联结构实现三维加速度传感。相比其他光纤加速度传感器，具有体积小、集成度高等优势，并有效克服电学类传感器抗电磁干扰能力差、不耐腐蚀等缺点。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是两个正交分布的光纤定向耦合器和法布里-珀罗干涉仪的结构图。

图3是双空气孔三芯光纤的截面图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

结合图1和图3，本发明的一种单光纤三维加速度传感探头，包括一段双空气孔三芯光纤7-3，一个陶瓷封装壳体7-1，一片弹簧振片7-5，一个质量块7-4构成；双空气孔三芯光纤7-3包含两个空气孔7-3-5和7-3-6、两个悬挂纤芯7-3-7和7-3-8、一个中心纤芯7-3-4，两个悬挂纤芯通过折射率或直径不同使其与中心纤芯在不同相位匹配波长下发生共振耦合，构成两个正交分布的光纤定向耦合器，用于对光纤径向的二维加速度传感。双空气孔三芯光纤7-3固定于陶瓷封装壳体7-1内，构成悬臂梁结构，弹簧振片7-5将质量块7-4悬挂在陶瓷封装壳体7-1内。双空气孔三芯光纤7-3自由端的端面除中心纤芯区域外均镀有反射膜，质量块7-4的上表面也镀有反射膜7-4-1，该反射膜7-4-1与双空气孔三芯光纤7-3的中心纤芯7-3-4端面平行并留有缝隙，并作为法布里-珀罗干涉腔的两个反射面，构成光纤空气腔法布里-珀罗干涉仪，用于对光纤轴向的加速度传感。双空气孔三芯光纤7-3输入端的中心纤芯与单模光纤6正对熔接。

两个悬挂纤芯的圆心与中心纤芯圆心连线的夹角为90°，两个悬挂纤芯分别悬挂于空气孔的内壁且靠近中心纤芯处；双空气孔三芯光纤7-3的包层直径为125μm，中心纤芯直径为8.5-9μm，空气孔直径为35-40μm，空气孔边缘与中心纤芯边缘距离为3-8μm，两个悬挂纤芯直径为10-13μm，两个悬挂纤芯直径不同，直径差为0.2-2μm，两个悬挂纤芯的折射率可以相同或略有差异，纤芯与包层的折射率差为0.004-0.006。双空气孔三芯光纤7-3的两个悬挂纤芯弯曲引起折射率变化，会使得对应的相位匹配波长发生改变。双空气孔三芯光纤7-3自由端的端面除中心纤芯区域外均镀有反射膜，悬挂线芯的反射膜7-3-1和7-3-2使悬挂纤芯内的光被反射回去，重新耦合到中心纤芯中。

双空气孔三芯光纤7-3的长度应等于或接近于中心纤芯分别与两个悬挂纤芯的基模耦合长度的奇数倍的公倍数，以确保双空气孔三芯光纤7-3反射光谱在两相位匹配波长处均有明显共振峰。

两个悬挂纤芯基模与中心纤芯基模分别在不同相位匹配波长附近发生能量耦合。悬挂纤芯基模与中心纤芯基模的相位匹配波长由两个悬挂纤芯的直径和折射率决定。

双空气孔三芯光纤7-3一端自由，另一端固定在陶瓷封装壳体7-1内构成悬臂梁结构，固定点可以但不限于采用陶瓷胶7-2封装；双空气孔三芯光纤7-3的端面和质量块7-4的上表面的反射膜材料可以但不限于是金。

弹簧振片7-5用于将质量块7-4悬挂在陶瓷封装壳体7-1内，弹簧振片7-5可以但不限于采用圆环片状结构。

采用上述传感探头的光纤三维加速度传感器的传感系统由三个不同波长的窄线宽光源1，2，3，两个3×1光纤耦合器4，8，一个光纤环形器5，三个不同波段的光纤带通滤波器9，10，11，单模光纤6，单光纤三维加速度传感器探头7，三个光电探测器12，13，14连接而成。单模光纤6的一端与单光纤三维加速度传感器7连接，其另一端与光纤环形器5的第2端口连接；3×1光纤耦合器8的单口端口与光纤环形器5第3端口连接；三个不同波段的光纤带通滤波器9，10，11分别与3×1光纤耦合器8的三口端口连结；两个3×1光纤耦合器4，8仅用于光信号能量的合束和分束。三个光电探测器12，13，14再分别与三个不同波段的光纤带通滤波器9，10，11连接。三个不同波段的光纤带通滤波器9，10，11分别用于提取三个光源对应波长下的光信号。

中心纤芯与两个悬挂纤芯构成的两个正交分布的光纤定向耦合器会在光谱中产生两个分离的、具有一定带宽的共振峰。满足相位匹配条件的两个窄线宽光分别位于对应波段共振峰一侧的线性区。当沿光纤径向的二维加速度使得双空气孔三芯光纤7-3发生弯曲，弯曲应力会改变光纤内的折射率分布，导致两个正交分布的光纤定向耦合器的两个共振峰发生漂移，进而引起反射光谱中对应波段的两个窄线宽光的反射光强度发生变化，即使得两个悬挂纤芯的反射光强度发生变化，实现对光纤径向二维加速度的传感。两个正交分布的光纤定向耦合器只对光纤径向的二维加速度敏感。

中心纤芯端面和质量块反射面7-4-1构成光纤法布里-珀罗干涉仪，会在光谱中产生连续干涉峰。中心纤芯中不满足相位匹配条件的窄线宽光位于任意干涉峰的线性区。当光纤轴向的加速度使得会引起弹簧振片产生微小的形变，使得中心纤芯端面和质量块反射面7-4-1之间的距离发生变化，法布里-珀罗干涉腔反射面夹角和光程差的变化，会引起法布里-珀罗干涉仪的干涉波形漂移和峰谷衬比度变化，导致中心纤芯反射光的强度发生变化。当光纤因径向加速度发生弯曲时，会使中心纤芯端面和质量块反射面7-4-1之间的夹角和距离发生变化，导致中心纤芯中不满足相位匹配条件的窄线宽光的反射光强度发生变化。双空气孔三芯光纤和质量块构成的法布里-珀罗干涉仪对光纤轴向和径向的加速度都敏感。通过构建双参数矩阵，用两个正交分布的光纤定向耦合器获得径向加速度，以消除光纤法布里-珀罗干涉仪中来自径向加速度的串扰，实现对光纤轴向加速度的传感。

在恒温条件下，对两个正交分布的光纤定向耦合器的光纤径向加速度传感器反射光谱中两个共振峰的加速度传感特性进行测量标定。而后也在恒温条件下，对基于双空气孔三芯光纤和质量块的法布里-珀罗干涉仪的光纤轴向加速度传感器反射光谱中干涉峰的轴向加速度和径向加速度的传感特性进行测量标定，完成双参数矩阵的构建。

光纤径向二维加速度和光纤轴向加速度的响应不同且均已标定，利用一个光纤环形器5、一个3×1光纤耦合器8和三个光纤带通滤波器9、10和11，分别获取双空气孔三芯光纤7-3中三个纤芯的反射光信号。再利用三个光电探测器12、13和14分别对三个纤芯反射光的强度进行监测，可以同时对三维加速度进行传感。

双空气孔三芯光纤7-3加速度传感器不同方向的谐振频率，由陶瓷封装壳体7-1内双空气孔三芯光纤7-3悬臂梁的长度、弹簧振片7-5和质量块7-4的材质和形状决定。

下面结合具体参数给出实施例。

结合图1和图3，一种单光纤三维加速度传感器的传感系统由窄线宽光源1，窄线宽光源2，窄线宽光源3，3×1光纤耦合器4，光纤环形器5，单模光纤6，单光纤三维加速度传感器探头7，3×1光纤耦合器8，光纤带通滤波器9，光纤带通滤波器10，光纤带通滤波器11，光电探测器12，光电探测器13，光电探测器14，计算机15构成。单光纤三维加速度传感器探头7由陶瓷封装壳体7-1，陶瓷胶7-2，双空气孔三芯光纤7-3，质量块7-4和弹簧振片7-5构成。

3×1光纤耦合器4的三个端口分别与窄线宽光源1、窄线宽光源2和窄线宽光源3相接；光纤环形器5的第1端口、第2端口和第3端口分别与3×1光纤耦合器4的单个端口、单模光纤6和3×1光纤耦合器8的单个端口相接，光纤环形器5的第1端口、第2端口和第3端口分别为光源入射端口、出射端口和反射端口；单模光纤6另一端与单光纤三维加速度传感器探头7相接；3×1光纤耦合器8的三个端口分别与光纤带通滤波器9，光纤带通滤波器10和光纤带通滤波器11相接；与计算机连接的光电探测器12，光电探测器14和光电探测器13分别与光纤带通滤波器9，光纤带通滤波器10和光纤带通滤波器11的另一端相接。单模光纤6与双空气孔三芯光纤7-3的熔接点用陶瓷胶7-2固定在陶瓷封装壳体7-1中；质量块7-4通过弹簧振片7-5悬挂在陶瓷封装壳体7-1内；双空气孔三芯光纤7-3自由端端面与质量块7-4的反射膜7-4-1平行对齐。

窄线宽光源1、窄线宽光源2和窄线宽光源3三束不同中心波长的光λ₁、λ₂、λ₃通过3×1光纤耦合器4、光纤环形器5和单模光纤6后，被导入到单光纤三维加速度传感器探头7内与单模光纤6纤芯正对熔接的双空气孔三芯光纤7-3中心纤芯中。单光纤三维加速度传感器探头7内来自两个正交分布的光纤定向耦合器和法布里-珀罗干涉仪的反射光，通过单模光纤6、光纤环形器5第3端口和3×1光纤耦合器8后，反射光的能量被均分成三路，分别通过光纤带通滤波器9工作波段覆盖波长λ₁，光纤带通滤波器10工作波段覆盖波长λ₂和光纤带通滤波器11工作波段覆盖波长λ₃后，三束不同波长的光信号再被分别导入到光电探测器12，光电探测器14和光电探测器13中进行测量。通过控制双空气孔三芯光纤7-3的长度，可以保证反射光谱中能出现两个分离的共振峰。

双空气孔三芯光纤7-3的两个空气孔7-3-5和7-3-6的直径相同，其直径为36μm；两个空气孔7-3-5的圆心与光纤包层7-3-3的圆心连线的夹角为90°，两个空气孔7-3-5的边缘与中心纤芯7-3-4的边缘距离相等，其距离为5.75μm；两个悬挂芯7-3-7和7-3-8分别位于各自空气孔内壁靠近中心纤芯7-3-4的一侧，两个悬挂纤芯7-3-7和7-3-8的圆心与中心芯7-3-4的圆心连线的夹角为90°；两个悬挂纤芯7-3-7和7-3-8的直径分别为11.95μm和12.70μm；中心纤芯7-3-4的直径为8.5μm，能够与单模光纤6实现低损耗的熔接导光；光纤包层7-3-3的直径为125μm，为石英材料；双空气孔三芯光纤7-3的三根纤芯7-3-4、7-3-7和7-3-8与光纤包层7-3-3的折射率差为0.005。

双空气孔三芯光纤7-3的悬挂纤芯7-3-7和悬挂纤芯7-3-8分别在1550nm和1310nm波长附近与中心纤芯7-3-4发生共振耦合。中心纤芯7-3-4与悬挂纤芯7-3-8在1310nm波长下的耦合长度约为9.4mm，中心纤芯7-3-4与悬挂纤芯7-3-7在1550nm波长下的耦合长度约为3.2mm。若使双空气孔三芯光纤的长度接近两耦合长度奇数倍的公倍数，则双空气孔三芯纤芯7-3反射光谱中将在1310nm和1550nm附近同时出现耦合共振峰。

利用绿光光源和绿光固化剂在双空气孔三芯光纤7-3自由端的中心纤芯7-3-4端面上生长端帽。利用商用镀膜机对双空气孔三芯光纤7-3自由端的端面和质量块7-4的表面进行镀膜。利用微操手去掉中心纤芯7-3-4端面上生长的端帽。在显微镜下观察双空气孔三芯光纤7-3自由端的端面，以确保双空气孔三芯光纤7-3的悬挂纤芯7-3-7和悬挂纤芯7-3-8的端面都镀有反射膜，而中心纤芯7-3-4的端面上没有反射膜，以实现对基于双空气孔三芯光纤三维加速度传感器的制备加工。

如图2所示，单模光纤纤芯中的光λ₁、λ₂、λ₃进入到双空气孔三芯光纤纤芯后，满足悬挂纤芯7-3-7和悬挂纤芯7-3-8的各自相位匹配波长邻近波段的光，会从中心纤芯7-3-4耦合到对应的悬挂纤芯中。当三维加速度导致两个正交分布的光纤定向耦合器的相位匹配波长和法布里-珀罗干涉仪的干涉峰发生漂移时，便会引起双空气孔三芯光纤三个纤芯中各自反射光强度的变化。

利用商用标准加速度计和一维振动台对传感器进行标定，在保持恒定温度的环境下，通过控制单光纤三维加速度传感器探头7的加速度传感方向与一维振动台振动方向重合，根据商用标准加速度计对光纤径向和光纤轴向的三维加速度传感特性进行标定。测得光纤轴向和光纤径向的法布里-珀罗干涉仪加速度灵敏度分别为K_F-P1和K_F-P2。测得光纤径向的两个正交分布的光纤定向耦合器的两个峰值加速度灵敏度分别为K_Coupler1和K_Coupler2。若两个正交分布的光纤定向耦合器的反射光强分别为I_Coupler1和I_Coupler2，则两个径向加速度合加速度A_Coupler的大小为

其中

A_C1和A_C2分别为两个正交分布的径向加速度，a_C1和a_C2为常系数，径向合加速度A_Coupler的方向由A_C1和A_C2的方向决定。若法布里-珀罗干涉仪的反射光强为I_F-P，则法布里-珀罗干涉仪的轴向加速度为A_F-P＝A₁-A₂，其中

A₁为含径向加速度串扰的轴向加速度，A₂为径向加速度串扰，a₁和a₂为常系数。

本发明使用多芯光纤悬臂梁结构，基于法布里-珀罗干涉原理和模式耦合原理进行三维加速度传感，在应用时具有很高的灵敏度和传感精度。

Claims (9)

1.一种单光纤三维加速度传感探头，其特征在于：包括一段光纤(7-3)、一个封装壳体(7-1)、一片弹簧振片(7-5)和一个质量块(7-4)；光纤(7-3)设置在封装壳体(7-1)内，一端固定于封装壳体(7-1)内，另一端为自由端；弹簧振片(7-5)将质量块(7-4)悬挂设置在封装壳体(7-1)内，质量块(7-4)的一个端面与光纤(7-3)的自由端的端面平行并留有间隙；所述光纤(7-3)包含两个空气孔(7-3-5，7-3-6)和一个中心纤芯(7-3-4)，第一空气孔(7-3-5)内壁上设置有第一悬挂纤芯(7-3-7)，第二空气孔(7-3-6)内壁上设置有第二悬挂纤芯(7-3-8)；所述两个悬挂纤芯(7-3-7，7-3-8)与中心纤芯(7-3-4)分别在不同相位匹配波长下发生共振耦合，构成两个正交分布的光纤定向耦合器，用于对光纤径向的二维加速度进行传感；光纤(7-3)自由端的端面除中心纤芯(7-3-4)区域外镀有反射膜，质量块(7-4)与光纤(7-3)的自由端的中心纤芯(7-3-4)端面平行的端面表面镀有反射膜(7-4-1)，中心纤芯(7-3-4)的端面和反射膜(7-4-1)构成光纤空气腔法布里-珀罗干涉仪，用于对光纤轴向的加速度进行传感。

2.根据权利要求1所述的一种单光纤三维加速度传感探头，其特征在于：所述两个正交分布的光纤定向耦合器在光谱中产生两个分离的共振峰，当中心纤芯(7-3-4)内传输满足悬挂纤芯(7-3-7，7-3-8)和中心纤芯(7-3-4)共振耦合条件的两个窄线宽光，耦合入对应悬挂纤芯的窄线宽光经悬挂纤芯的反射膜(7-3-1,7-3-2)反射后均位于耦合共振峰的线性区内；当沿光纤径向的二维加速度使得光纤(7-3)发生弯曲，两个正交分布的光纤定向耦合器的两个共振峰发生漂移，反射光谱中所述入射光波长的反射光强度发生变化，根据反射光强度变化实现对光纤径向二维加速度的传感。

3.根据权利要求1所述的一种单光纤三维加速度传感探头，其特征在于：所述光纤法布里-珀罗干涉仪在光谱中产生连续干涉峰，当中心纤芯(7-3-4)内传输窄线宽光，不满足共振耦合条件的窄线宽光经光纤空气腔法布里-珀罗干涉仪反射后位于任意干涉峰的线性区内，当光纤轴向的加速度使得中心纤芯(7-3-4)端面和质量块反射面(7-4-1)之间的距离发生变化，法布里-珀罗干涉峰发生漂移，反射光谱中所述入射光波长的反射光强度发生变化，根据反射光强度变化实现对光纤轴向加速度的传感。

4.根据权利要求3所述的一种单光纤三维加速度传感探头，其特征在于：光纤(7-3)因径向加速度发生弯曲时，中心纤芯(7-3-4)端面和质量块反射面(7-4-1)之间的夹角和距离发生变化，中心纤芯(7-3-4)中不满足共振耦合条件的窄线宽入射光的反射光强度发生变化，利用双参数矩阵，用两个正交分布的光纤定向耦合器获得径向加速度消除光纤法布里-珀罗干涉仪中来自径向加速度的串扰。

5.根据权利要求1所述的一种单光纤三维加速度传感探头，其特征在于：两个悬挂纤芯(7-3-7，7-3-8)中心分别与中心纤芯(7-3-4)中心的连线夹角为90°，两个悬挂纤芯(7-3-7，7-3-8)分别悬挂于两个空气孔(7-3-5，7-3-6)内壁靠近中心纤芯处，两个悬挂纤芯(7-3-7，7-3-8)中的基模通过折射率差异或直径差异分别在不同的相位匹配波长下与中心纤芯的基模发生共振耦合。

6.根据权利要求1所述的一种单光纤三维加速度传感探头，其特征在于：光纤(7-3)的包层直径为125μm，中心纤芯(7-3-4)直径为8.5-9μm，两个空气孔(7-3-5，7-3-6)直径为35-40μm，两个空气孔(7-3-5，7-3-6)边缘与中心纤芯(7-3-4)边缘距离为3-8μm，两个悬挂纤芯(7-3-7，7-3-8)直径为10-13μm，两个悬挂纤芯(7-3-7，7-3-8)直径差为0.2-2μm，两个悬挂纤芯(7-3-7，7-3-8)和中心纤芯(7-3-4)分别与包层的折射率差均为0.004-0.006。

7.根据权利要求1所述的一种单光纤三维加速度传感探头，其特征在于：光纤(7-3)的长度等于中心纤芯分别与两悬挂纤芯发生共振耦合的耦合长度的奇数倍的公倍数。

8.一种采用权利要求1至7所述任意一种单光纤三维加速度传感探头的传感器，其特征在于：包括三个不同波长的窄线宽光源(1，2，3)、两个3×1光纤耦合器(4，8)、一个光纤环形器(5)、单模光纤(6)、所述传感探头(7)、三个不同波段的光纤带通滤波器(9，10，11)和三个光电探测器(12，13，14)。

三个不同波长的窄线宽光源(1，2，3)发射的入射光中，有两束入射光波段分别位于两个悬挂纤芯(7-3-7，7-3-8)与中心纤芯(7-3-4)的共振耦合峰波段内；三个不同波长的窄线宽光源(1，2，3)的中心波长分别位于三个不同波段的光纤带通滤波器(9，10，11)的工作波段内。

三个不同波段的窄线宽光通过第一3×1光纤耦合器(4)、光纤环形器(5)和单模光纤(6)被导入到中心纤芯(7-3-4)，传感器探头(7)内来自两个正交分布的光纤定向耦合器和法布里-珀罗干涉仪的反射光通过单模光纤(6)、光纤环形器(5)反射端口和第二3×1光纤耦合器(8)后被均分成三路，分别通过三个不同波段的光纤带通滤波器(9，10，11)后三束不同波长的光信号被分别导入到三个光电探测器(12、13、14)中进行测量。

9.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于：

在恒温条件下，对两个正交分布的光纤定向耦合器的光纤径向加速度传感器反射光谱中两个共振峰的加速度传感特性进行测量标定，并且对法布里-珀罗干涉仪的光纤轴向加速度传感器反射光谱中干涉峰的轴向加速度和径向加速度的传感特性进行测量标定，测得光纤轴向和光纤径向的法布里-珀罗干涉仪加速度灵敏度分别为K_F-P1和K_F-P2，测得光纤径向的两个正交分布的光纤定向耦合器的两个峰值加速度灵敏度分别为K_Coupler1和K_Coupler2。

若两个正交分布的光纤定向耦合器的反射光强分别为I_Coupler1和I_Coupler2，则两个径向加速度合加速度A_Coupler的大小为：

其中

A_C1和A_C2分别为两个正交分布的径向加速度，a_C1和a_C2为常系数，径向合加速度A_Coupler的方向由A_C1和A_C2的方向决定；

若法布里-珀罗干涉仪的反射光强为I_F-P，则法布里-珀罗干涉仪的轴向加速度为：

A_F-P＝A₁-A₂

其中

A₁为含径向加速度串扰的轴向加速度，A₂为径向加速度串扰，a₁和a₂为常系数。

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