加速度传感器
技术领域
本发明涉及加速度传感器,特别是一种基于光纤干涉原理的加速度传感器。本发明的加速度传感器是一种微小加速度的传感器,主要应用于高楼、大桥、高塔等大型建筑物中,通过微小加速度的测量感知结构的晃动和形变,作为建筑工程的一种实时监控技术和建筑物健康检测的一种手段;也可应用于运输器具和机械装置等其他结构的加速度检测。
背景技术
大型建筑物在建设期间,需要对工程的各种力学参数和材料参数进行实时监控。在建筑建成并投入使用之后,也需要对其状态进行多方面的定期检测。大型建筑物,如高楼、大桥、高塔等,在各种气象和地质等环境条件下的晃动,是一个客观存在的现象。这种晃动的状况是反映建筑物健康状况的重要参数。大型建筑物晃动时的绝对位移是一个难以直接测量的参数。但在晃动时必然会带来一定的加速度,通过加速度的测量就可以推算出建筑物晃动的状态。一般来说,大型建筑物的晃动幅度可能很大,但是比较缓慢。因此这是一个测量微小加速度的任务。在大型运输器和各种机械装置中,加速度的检测也是设备运行及安全保障的重要措施。
加速度测量常用方法之一是机械的方法。测量加速度引起摆杆的相对运动,就可以计算出加速度。常用方法之二是电子学方法或微电子器件方法。它一般是通过导电簧片和固定电极之间的电容量的变化来感知传感器所经受的加速度。电子学方法已经比较成熟。但是它也具有某些难以克服的困难。比如在强电磁场环境中,它会受到大的干扰,影响测量可靠性。它还可能受到环境水汽的影响。因此人们也十分重视发展具有良好的抗电磁干扰能力的光学方法。在光学方法中,光纤传感器是最具有实用性的技术。在先技术之一是利用光纤光栅传输谱的应变特性。在该加速度传感器中,有一个重物固定在光纤光栅上,加速度引起的惯性力作用在光纤光栅上,引起光纤的应变,如图1所示。光纤光栅峰值波长随应变变化的基本关系是ΔλB/λB=(1-γ)ε,式中ε为光纤的应变,γ为光纤材料的弹光系数。测量光纤光栅反射谱的峰值波长,就可以感知所受到的应力和所经受的加速度。这一技术适合于较大的加速度测量。对于微小的加速度,峰值波长移动量太小,检测的灵敏度不能满足要求。在先技术之二是利用光纤干涉仪。在这种加速度计中,同样可以将重物固定在一个光纤的干涉臂上。受加速度产生的惯性力的作用,干涉两臂的光程差发生变化,就可以测量所经受的加速度。它具有灵敏度高的优点。但是由于干涉信号以2π为周期,干涉信号不能分辨超过2π整数倍的相位差。因此必须采用一定的相位展开计算。
图2是一个采用2×2光纤耦合器构成的马赫—曾德干涉仪(M-Z)结构。根据马赫—曾德干涉效应,两输出端口的输出功率可以表示为:
I1=I0[1+cos(2πnΔL/λ)]/2
I2=I0[1-cos(2πnΔL/λ)]/2
式中I0为输入光强;n为光纤的有效折射率;ΔL为干涉仪两臂的光程差。这一传输特性可以表示为图3的曲线。由图可见,当相位差=2πnΔL/λ达到π的整数倍时,两输出信号分别达到极大或极小。此时干涉信号随相位差变化的灵敏度降低到零。而在这一系列的过零点上,相位差变化的方向,是增加还是减小,就不能从干涉信号的增减来分辨。这样一来,相位差超过π后的计算,就不能累加。因此其测量和传感的量程也就只能限于小于或等于π的相位差。
因此发展一种既有高的灵敏度,又能通过相位展开获得大量程信息的新型干涉仪型的加速度传感器,是实际应用的需求。
发明内容
针对在先技术没有解决的上述问题,本发明提出一种采用3×3光纤耦合器构成的干涉仪型加速度传感器。
本发明的技术解决方案如下:
一种加速度传感器,特征是其构成:一重块固定在第一光纤段中间,该第一光纤段和第二光纤段的两端分别与第一光纤耦合器和第二光纤耦合器相连接构成一个非平衡马赫—曾德干涉仪,所述的第一光纤段和第二光纤段用粘结胶固定在底座的第一支座和第二支座上;一宽带光源与所述的非平衡马赫—曾德干涉仪的输入端相连;该非平衡马赫—曾德干涉仪输出端经光信号的探测器和信号处理电路模块相连。
所述的第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均为3×3光纤耦合器。
所述的第一光纤耦合器为2×2光纤耦合器,而第二光纤耦合器为3×3光纤耦合器,所述的第二光纤耦合器的三个输出端经经三路光信号的探测器和信号处理电路模块相连。
所述的第一光纤耦合器为3×3光纤耦合器,而第二光纤耦合器为2×2光纤耦合器,该第二光纤耦合器的两自由端互相连接,构成一个光纤环形镜,所述的第一光纤耦合器为3×3光纤耦合器,该耦合器两侧的各三个端口中,右侧的两个端口接马赫—曾德干涉仪的两臂,左侧的一个端口接宽带光源;另两个端口分别经探测器接两路信号处理电路模块。
所述的非平衡马赫—曾德干涉仪是一二维非平衡马赫—曾德干涉仪,一重块固定在第一光纤段上,该第一光纤段和第二光纤段的两端分别与第一光纤耦合器和第二光纤耦合器相连接构成水平非平衡马赫—曾德干涉仪外,还有第三光纤段和第四光纤段为构成垂直方向的马赫—曾德干涉仪的两臂的光纤段,质量块同时固定在第一光纤段和第三光纤段上。
所述的非平衡马赫—曾德干涉仪是一三维非平衡马赫—曾德干涉仪。
本发明加速度传感器的优点是:
(1)本发明具有高灵敏度。干涉仪可以明显感知两臂光程差的波长量级、波长的百分之一、千分之一量级的微小变化,因此具有很高的灵敏度。
(2)本发明采用3×3光纤耦合器构成干涉仪,在测量传感很宽的光谱范围内不存在灵敏度为零的“死区”。
(3)本发明通过3×3干涉仪三个输出端口的光信号的处理,可以判断相位变化的方向。因而可以采用相位展开(Phase Unwrapping)的计算方法,大大扩展测量传感的量程。
(4)本发明的所使用的元器件都已经成熟,并已有商品供应,因此成本低廉,有利于推广应用。
附图说明
图1是现有的光纤光栅型加速度传感器
图2是现有的马赫—曾德干涉仪型加速度传感器
图3是图2所示的2×2耦合器构成的M-Z干涉仪的传输特性
图4是本发明实施例1-3×3耦合器构成的一维加速度传感器结构简图
图5是本发明3×3耦合器构成的M-Z干涉仪的传输特性
图6是本发明实施例2-二维响应的加速度传感器
图7是本发明实施例3-三维响应的加速度传感器
图8是本发明实施例4-由3×3和2×2耦合器构成的M-Z干涉仪型的加速度传感器
图9是本发明实施例5-一端采用光纤环形镜的迈克尔逊干涉仪形成的加速度传感器结构示意图
图10是本发明实施例6-配备振幅限制座的加速度传感器
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
先请参阅图4,由图可见,本发明加速度传感器的构成包括:
一重块1固定在第一光纤段11上,该第一光纤段11和第二光纤段12的两端分别与第一光纤耦合器21和第二光纤耦合器22相连接构成一个非平衡马赫—曾德干涉仪,所述的第一光纤段11和第二光纤段12用粘结胶3固定在底座4的第一支座41和第二支座42上,所述的第一光纤段11和第二光纤段12的长度分别为L1和L2,它们之间的光程差为nΔL=n(L1-L2)。;一宽带光源7与所述的非平衡马赫—曾德干涉仪的输入端相连;该非平衡马赫—曾德干涉仪输出端经光信号的探测器81和信号处理电路模块82相连。所述的第一光纤耦合器21和第二光纤耦合器22均为3×3光纤耦合器。
本发明的加速度传感器的工作原理如下:设重块1的质量为m,被传感的建筑物和物体的加速度为a,则在重块上的惯性力为ma。在这个惯性力的作用下,第一光纤段11在两个粘结胶3之间的部分发生拉伸应变。设第一光纤段11在粘结点之间的距离为l,重块1被固定在第一光纤段11的中点,假设重块1的尺度远小于光纤段长度l,根据应力分析和弹性形变原理可以导出,在重力mg和惯性力ma的作用下,该长度的变化量为:
δl=2m2(2g+a)al/E2
这一量也等于导致干涉信号的两臂光程差的变化δ(ΔL)。
由两个3×3光纤耦合器构成的非平衡马赫—曾德干涉仪的输出信号的数学表示式,可以根据光纤光学的基本原理推导出来,写为:
I1=(I0/3)[1+cos(φ-2π/3)]
I2=(I0/3)[1+cos(φ)]
I3=(I0/3)[1+cos(φ+2π/3)]
如图5所示。由于干涉仪光程差的变化,将导致三个输出端口光信号的变化。三个输出光信号的光谱特性都是余弦曲线,与图3的曲线相同。但是三条曲线之间存在120°的位相差。这就提供了下列十分重要的性质:
第一,三个输出信号对于光谱变化的灵敏度不会同时降到零。某一路输出达到极大或极小、导数为零时,另外两路的信号正处于变化斜率最大的区间。因此在整个光谱范围内都可以获得高的响应。
第二、由于第一个特性,当位相差变化达到π、某一路光信号达到极值而不能判断相位差进一步变化的方向时,另外两路光信号可以提供明确的判断。利用这一性质,当被测量的变化使位相差变化达到π的整数倍时,仍然可以通过相位展开(Phase Unwrapping)的计算方法,获得被测量变化的确切信息。因此原则上测量传感的范围可以大大地扩展。
第三、图3曲线的变化周期决定于这一非平衡马赫—曾德干涉仪建立时的初始光程差ΔL。ΔL越大,光谱变化周期越小。光谱变化周期小,光信号对于被测量变化的灵敏度越高。但是在一个周期内的量程越小,需要进行相位展开计算的工作量越大。
图4所示的本发明加速度传感器是一个一维加速度传感器。它可以扩展为二维和三维的加速度传感器。
图6为本发明实施例2-一个二维加速度传感器。所述的非平衡马赫—曾德干涉仪是一二维非平衡马赫—曾德干涉仪,一重块1固定在第一光纤段11上,该第一光纤段11和第二光纤段12的两端分别与第一光纤耦合器21和第二光纤耦合器22相连接构成水平非平衡马赫—曾德干涉仪外,还有第三光纤段和第四光纤段为构成垂直方向的马赫—曾德干涉仪的两臂的光纤段,质量块1同时固定在第一光纤段11和第三光纤段上,当质量块1受重力和惯性力作用而位移时,第一光纤段11和第三光纤段发生拉伸应变,就可以通过第一3×3光纤耦合器21和第二3×3光纤耦合器22、第三3×3光纤耦合器23和第四3×3光纤耦合器24构成的非平衡马—曾德干涉仪,测量干涉的变化信号,计算出两个方向上的加速度。
同理,可以构成本发明实施例3-三维响应的加速度传感器,如图7所示。
图8是本发明实施例4-由3×3和2×2耦合器构成的M-Z干涉仪型的加速度传感器,所述的第一光纤耦合器21为2×2光纤耦合器,而第二光纤耦合器22为3×3光纤耦合器,所述的第二光纤耦合器22的三个输出端经经三路光信号的探测器81和信号处理电路模块82相连。
这是由于2×2耦合器比3×3耦合器价格低得多。此时输出端口光强的数学表达式为:
I1=(I0/3)[1-sin(φ-2π/3)]
I2=(I0/3)[1-sin(φ)]
I3=(I0/3)[1-sin(φ+2π/3)]
这说明,三端口输出的起始点有所不同,但三端口间的位相关系与两个3×3耦合器结构相同。因此仍然具有相同的特点和优点。
图9是本发明实施例5-一端采用光纤环形镜的迈克尔逊干涉仪形成的加速度传感器结构示意图,图中第一光纤耦合器21为3×3光纤耦合器,而第二光纤耦合器22为2×2光纤耦合器,该第二光纤耦合器22的两自由端互相连接,构成一个光纤环形镜,所述的第一光纤耦合器21两侧的各三个端口中,右侧的两个端口接马赫—曾德干涉仪的两臂,左侧的一个端口接宽带光源7;另两个端口分别经探测器81接两路信号处理电路模块83。
因此从光源和探测器的角度看,实际上已经演变为一个迈克尔逊干涉仪。但是,与一般的迈克尔逊干涉仪又有差别。一般迈克尔逊干涉仪有一个输入端口,一个输出端口。由于3×3耦合器的特性,在这一结构中有两个输出端口,这两个输出端口的光信号之间也具有不等于π的位相差。因此也具有本发明原理所具有的特点和优点。
本发明从机械运动的角度采用一个具有一定质量的重块来感知加速度产生的惯性力。要提高传感器的灵敏度,就需要用质量较大的重块。这就带来了光纤承受能力的问题。为了在运输、安装和使用过程中避免传感器的损坏失效,有必要采用一定的保护措施。图10是本发明实施例6-配备振幅限制座的加速度传感器。图中1为重块;9为形状与重块1相似,而尺寸稍大的振幅限制座。当加速度引起的惯性力使重块1相对位移过大时,它就会被振幅限制座9挡住。这样就可以避免光纤被拉断,或者拉伸到超过弹性形变的范围,达到保护的目的。