CN219552448U - 一种基于光纤fpi的加速度计及其测试系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于光纤FPI的加速度计，包括单模光纤、光学微腔、质量块和弹性薄膜，所述光学微腔包括相对的第一端和第二端，所述单模光纤的端面连接于所述光学微腔的第一端上，所述质量块悬空于所述光学微腔的第二端上，所述弹性薄膜附着在所述质量块上以支撑所述质量块悬空；所述质量块的表面与所述单模光纤的端面相平行，以使所述单模光纤的端面、光学微腔以及所述质量块的表面之间构成FP干涉仪。该加速度计基于光纤FPI，采用探测光信号对加速度进行传感，具有测量精度高、灵敏度高、可远距离测量、抗电磁干扰、体积小、重量轻、响应速度快、抗恶劣环境等优势。本实用新型还公开了一种测试系统，包括上述加速度计。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于光纤FPI的加速度计及其测试系统。
背景技术
随着现代化技术发展，加速度计已经扩展到各行各业并成为了惯性测量系统中不可或缺的一种传感器，其主要用于测量力、质量、位移等众多的物理参数。目前，在惯性导航、雷达制导、姿态测量、石油勘探等众多领域中，加速度计是必不可少的传感器件之一，其性能对系统的测量精度和指标起着决定性作用。
随着NEMS的发展，纳米机械谐振器被广泛研究。作为纳米机械谐振器的一种，纳米机械加速度计系统由于其灵敏度高以及带宽大等优点，在可穿戴电子设备、物联网等领域中有着良好的应用前景。
例如，专利号为CN201210574101.0的中国专利中公开了一种无源SAW加速度计，包括外壳、设置于外壳内的基片上的力转换装置和SAW器件；所述SAW器件包括换能器和用于反射从换能器发出的并沿基片表面传播信号的第二反射栅；所述换能器设置有用于输入输出信号的电极；所述力转换装置包括悬臂梁、质量块和与外壳固定连接的固定块；所述固定块与悬臂梁连接，所述悬臂梁与质量块连接；所述第二反射栅及换能器之间的区域位于悬臂梁上表面。
然而，由于纳米机械加速度计系统的信号解调是依靠电学式的机电换能器来进行的，故仍然存在一些难以克服的缺陷，如：电磁干扰严重、不抗冲击、精度低等问题。
实用新型内容
为了解决上述现有技术的不足，本实用新型提供一种加速度计，基于光纤FPI，采用探测光信号对加速度进行传感，具有测量精度高、灵敏度高、可远距离测量、抗电磁干扰、体积小、重量轻、响应速度快、抗恶劣环境等优势。
本实用新型还提供一种测试系统，用于对上述加速度计进行测试。
本实用新型所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
一种基于光纤FPI的加速度计，包括单模光纤、光学微腔、质量块和弹性薄膜，所述光学微腔包括相对的第一端和第二端，所述单模光纤的端面连接于所述光学微腔的第一端上，所述质量块悬空于所述光学微腔的第二端上，所述弹性薄膜附着在所述质量块上以支撑所述质量块悬空；所述质量块的表面与所述单模光纤的端面相平行，以使所述单模光纤的端面、光学微腔以及所述质量块的表面之间构成FP干涉仪。
进一步地，所述单模光纤的端面上连接有一空心管体，所述空心管体的内部腔体形成所述光学微腔，所述空心管体作为所述光学微腔的腔壁。
进一步地，所述单模光纤包括纤芯和包层，所述空心管体的第一端与所述单模光纤的包层端面相连接，所述光学微腔的第一端与所述单模光纤的纤芯端面相连接，所述质量块与所述单模光纤的纤芯相对准。
进一步地，所述空心管体的外径与所述单模光纤的包层外径相当，所述空心管体的内径大于所述单模光纤的包层内径。
进一步地，所述弹性薄膜与所述空心管体之间还设有介质层连接，所述介质层围绕在所述质量块的外围上并与所述质量块相隔开。
进一步地，还包括布拉格光栅，所述布拉格光栅形成于所述单模光纤内。
进一步地，还包括真空管，所述FP干涉仪插入到所述真空管内；所述真空管朝向所述单模光纤的一端与所述单模光纤密封连接，另一端封口设置；所述真空管的内部为真空状态。
一种测试系统，包括振动激励装置、光源示波装置和上述的基于光纤FPI的加速度计，所述振动激励装置用于带动所述加速度计产生往复振动，所述光源示波装置与所述加速度计的单模光纤的另一端面相耦合，以向所述加速度计内发射一固定波长且连续的探测光信号，并展示被所述加速度计反射回来的探测光信号的波形。
进一步地，所述光源示波装置包括探测光源、环形器、光电探测器和示波器，所述环形器具有入射端、透射端和出射端，所述探测光源与所述环形器的入射端相连接，所述加速度计的单模光纤的另一端面与所述环形器的透射端相连接，所述光电探测器与所述环形器的出射端相连接；所述示波器与所述光电探测器电性连接。
进一步地，所述振动激励装置包括信号发生器、功率放大器和振动台，所述信号发生器、功率放大器和振动台依次电性连接；所述加速度计设置于所述振动台上。
本实用新型具有如下有益效果：该加速度计通过在所述单模光纤的端面上制作所述光学微腔和质量块，以构成所述FP干涉仪，位于所述光学微腔两端的所述单模光纤的端面以及所述质量块的表面相当于所述FP干涉仪的两面反射镜，在所述单模光纤内传输的探测光信号在经过所述单模光纤的端面时，由于端面两侧的介质折射率差异，部分探测光信号被反射回所述单模光纤内，部分探测光信号进入所述光学微腔内，进入所述光学微腔内的探测光信号在经过所述质量块的端面时，由于端面两侧的介质折射率差异，部分探测光信号被反射回所述光学微腔内并经所述光学微腔重新回到所述单模光纤内，部分探测光信号进入外界空间，被反射回所述单模光纤内的两束探测光信号之间具有光程差，可相干涉而形成干涉光信号，通过光谱测量系统和频谱测量系统可分别获得所述干涉光信号如图和所示的光谱和频谱；当所述FP干涉仪位于加速环境中时，所述质量块在自身惯性作用下会相对于所述光学微腔发生位移，导致所述光学微腔的腔长发生变化，进而引起所述干涉光信号的光谱/频谱漂移，而所述弹性薄膜则用于对所述质量块进行限位复位，并在加速度环境中使所述质量块形成往复振动；所述质量块在往复振动时，对被其反射的第二束探测光信号的光强进行了调制，此时若选择光谱中某一个波长的光信号进行观察，可以发现该光信号的光强发生了变化，且该光信号的光强的变化频率与所述质量块的振动频率一致，其在示波器上是一频率与所述质量块的振动频率一致的正弦波信号，通过该正弦波信号的峰值即可推算出加速度环境的加速度大小和加速度方向。
附图说明
图1为本实用新型提供的加速度计的结构示意图。
图2为本实用新型提供的另一加速度计的结构示意图。
图3为本实用新型提供的又一加速度计的结构示意图。
图4为采用光谱测量系统对本实用新型提供的加速度计测量输出的光谱图。
图5为采用频谱测量系统对本实用新型提供的加速度计测量输出的频谱图。
图6为本实用新型提供的测试系统的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
实施例一
如图1所示，一种基于光纤FPI的加速度计，包括单模光纤51、光学微腔521、质量块53和弹性薄膜54，所述光学微腔521包括相对的第一端和第二端，所述单模光纤51的端面连接于所述光学微腔521的第一端上，所述质量块53悬空于所述光学微腔521的第二端上，所述弹性薄膜54附着在所述质量块53上以支撑所述质量块53悬空；所述质量块53的表面与所述单模光纤51的端面相平行，以使所述单模光纤51的端面、光学微腔521以及所述质量块53的表面之间构成FP干涉仪。
该加速度计通过在所述单模光纤51的端面上制作所述光学微腔521和质量块53，以构成所述FP干涉仪，位于所述光学微腔521两端的所述单模光纤51的端面以及所述质量块53的表面相当于所述FP干涉仪的两面反射镜，在所述单模光纤51内传输的探测光信号在经过所述单模光纤51的端面时，由于端面两侧的介质折射率差异，部分探测光信号被反射回所述单模光纤51内，部分探测光信号进入所述光学微腔521内，进入所述光学微腔521内的探测光信号在经过所述质量块53的端面时，由于端面两侧的介质折射率差异，部分探测光信号被反射回所述光学微腔521内并经所述光学微腔521重新回到所述单模光纤51内，部分探测光信号进入外界空间，被反射回所述单模光纤51内的两束探测光信号之间具有光程差，可相干涉而形成干涉光信号，通过光谱测量系统和频谱测量系统可分别获得所述干涉光信号如图4和5所示的光谱和频谱；当所述FP干涉仪位于加速环境中时，所述质量块53在自身惯性作用下会相对于所述光学微腔521发生位移，导致所述光学微腔521的腔长发生变化，进而引起所述干涉光信号的光谱/频谱漂移，而所述弹性薄膜54则用于对所述质量块53进行限位复位，并在加速度环境中使所述质量块53形成往复振动；所述质量块53在往复振动时，对被其反射的第二束探测光信号的光强进行了调制，此时若选择光谱中某一个波长的光信号进行观察，可以发现该光信号的光强发生了变化，且该光信号的光强变化频率与所述质量块53的振动频率一致，其在示波器上是一频率与所述质量块53的振动频率一致的正弦波信号，通过该正弦波信号的峰值即可推算出加速度环境的加速度大小和加速度方向。
所述质量块53可以但不限于为光纤纤芯、石英块或金属块等，可通过装配等方式附着在所述弹性薄膜54上，也可与所述弹性薄膜54为一体结构。
所述单模光纤51包括纤芯511和包层512，所述包层512包裹在所述纤芯511的外周面上，所述纤芯511与所述包层512的折射率不同，以使探测光信号可在所述纤芯511与所述包层512的交界面上发生全反射，进而在所述纤芯511内沿轴向传输。
所述单模光纤51的端面上连接有一空心管体52，所述空心管体52的内部腔体形成所述光学微腔521，所述空心管体52形成所述光学微腔521的腔壁；所述空心管体52的外径与所述单模光纤51的包层512外径相当，所述空心管体52的内径大于所述单模光纤51的包层512内径，所述空心管体52的第一端与所述单模光纤51的包层512端面相连接，所述光学微腔521的第一端与所述单模光纤51的纤芯511端面相连接，所述质量块53与所述单模光纤51的纤芯511相对准。
所述空心管体52可以但不限于为空芯光纤或石英管等，通过熔接方式与所述单模光纤51的端面相连接。
所述弹性薄膜54可以但不限于为石墨烯膜、石英膜、Parylene-C膜(聚对二甲苯)、PDMS膜(聚二甲基硅氧烷)等，只要能够提供足够的弹性使所述质量块53在惯性下拥有足够的位移空间以及能够带动所述质量块53复位即可。
所述弹性薄膜54与所述空心管体52之间还设有介质层55连接，所述介质层55围绕在所述质量块53的外围上并与所述质量块53相隔开。
所述介质层55的主要作用是在所述光学微腔521和弹性薄膜54之间隔开一定间距，以容纳所述质量块53，可以但不限于为光纤包层或石英介质等，通过熔接方式与所述空心管体52的第二端相连接，所述介质层55朝向所述弹性薄膜54的一侧表面可通过磨砂方式等提高平整度，以提高对所述弹性薄膜54的附着力。
实施例二
作为实施例一的优化方案，在本实施例中，如图2所示，该基于光纤FPI的加速度计还包括布拉格光栅513，所述布拉格光栅513形成于所述单模光纤51内。
该加速度计通过在所述单模光纤51内制作所述布拉格光栅513，形成与所述FP干涉仪串联的一光纤FBG，所述光纤FBG在特定波长的窄波带中具有高反射率，可将特定波长的探测光信号直接反射回去，如图4和5所示，以在所述FP干涉仪的干涉光信号中叠加一反射波峰，所述反射波峰的位置对环境温度敏感，当环境温度发生变化时，所述布拉格光栅513在所述单模光纤51的热胀冷缩效应下，其周期和折射率会发生变化，从而其反射中心波长发生漂移，反应在所述干涉光信号中即为所述反射波峰发生漂移，通过所述反射波峰的漂移量即可推算出环境温度的大小变化。
实施例三
作为实施例一或实施例二的优化方案，在本实施例中，如图3所示，该基于光纤FPI的加速度计还包括真空管56，所述FP干涉仪插入到所述真空管56内；所述真空管56朝向所述单模光纤51的一端与所述单模光纤51密封连接，另一端封口设置；所述真空管56的内部为真空状态。
该加速度计通过所述真空管56将所述FP干涉仪进行真空密封，可避免环境压强(气压或液压)以及环境中的介质流动对所述质量块53的振动产生影响，进而提高所述FP干涉仪对加速度的测量精度。
所述真空管56的内径大于所述单模光纤51的外径，本实施例中所述真空管56的内径为250±6μm，其内部气压小于5*10^-6mbar，可以但不限于选用硅毛细管。
实施例四
如图6所示，一种测试系统，包括振动激励装置、光源示波装置和实施例一、实施例二或实施例三所述的基于光纤FPI的加速度计5，所述振动激励装置用于带动所述加速度计5产生往复振动，所述光源示波装置与所述加速度计5的单模光纤51的另一端面相耦合，以向所述加速度计5内发射一固定波长且连续的探测光信号，并展示被所述加速度计5反射回来的探测光信号的波形。
所述光源示波装置包括探测光源1、环形器2、光电探测器3和示波器4，所述环形器2具有入射端、透射端和出射端，所述探测光源1与所述环形器2的入射端相连接，所述加速度计5的单模光纤51的另一端面与所述环形器2的透射端相连接，所述光电探测器3与所述环形器2的出射端相连接；所述示波器4与所述光电探测器3电性连接。
所述振动激励装置包括信号发生器6、功率放大器7和振动台8，所述信号发生器6、功率放大器7和振动台8依次电性连接；所述加速度计5设置于所述振动台8上。
在测试时，先将所述加速度计5与所述环形器2的透射端相连接，同时将所述加速度计5固定设置在所述振动台8上，使得所述振动台8的振动可传递到所述加速度计5上；然后，所述探测光源1发射的固定波长的探测光信号经过所述环形器2进入所述加速度计5内，最终通过所述光电探测器3接收被所述加速度计5反射回来的探测光信号，并由所述示波器4展示被反射回来的探测光信号的波形，同时所述信号发生器6发出一固定频率以及固定幅度的电信号，该电信号经所述功率放大器7实现了信号的放大，放大后的信号经所述功率放大器7传输到所述振动台8上，使所述振动台8产生往复振动，在所述振动台8的往复振动下，所述加速度计5上悬空的质量块53会产生相应的往复振动，所述质量块53的往复振动调制了被其表面反射回所述单模光纤51内的探测光信号的光强，而被所述单模光纤51的端面反射回所述单模光纤51内的另一束探测光信号的光强则未受到调制，该束被调制的探测光信号与另一束未被调制的探测光信号在所述光电探测器3上发生相干涉而形成一正弦波信号，所述示波器4输出该正弦波信号，该正弦波信号的频率和峰值反映出所述质量块53的振动频率和振动幅度，通过该正弦波信号的峰值即可推算出加速度大小和加速度方向。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本实用新型实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本实用新型实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于光纤FPI的加速度计，其特征在于，包括单模光纤、光学微腔、质量块和弹性薄膜，所述光学微腔包括相对的第一端和第二端，所述单模光纤的端面连接于所述光学微腔的第一端上，所述质量块悬空于所述光学微腔的第二端上，所述弹性薄膜附着在所述质量块上以支撑所述质量块悬空；所述质量块的表面与所述单模光纤的端面相平行，以使所述单模光纤的端面、光学微腔以及所述质量块的表面之间构成FP干涉仪。
2.根据权利要求1所述的基于光纤FPI的加速度计，其特征在于，所述单模光纤的端面上连接有一空心管体，所述空心管体的内部腔体形成所述光学微腔，所述空心管体作为所述光学微腔的腔壁。
3.根据权利要求2所述的基于光纤FPI的加速度计，其特征在于，所述单模光纤包括纤芯和包层，所述空心管体的第一端与所述单模光纤的包层端面相连接，所述光学微腔的第一端与所述单模光纤的纤芯端面相连接，所述质量块与所述单模光纤的纤芯相对准。
4.根据权利要求3所述的基于光纤FPI的加速度计，其特征在于，所述空心管体的外径与所述单模光纤的包层外径相当，所述空心管体的内径大于所述单模光纤的包层内径。
5.根据权利要求2所述的基于光纤FPI的加速度计，其特征在于，所述弹性薄膜与所述空心管体之间还设有介质层连接，所述介质层围绕在所述质量块的外围上并与所述质量块相隔开。
6.根据权利要求1所述的基于光纤FPI的加速度计，其特征在于，还包括布拉格光栅，所述布拉格光栅形成于所述单模光纤内。
7.根据权利要求1所述的基于光纤FPI的加速度计，其特征在于，还包括真空管，所述FP干涉仪插入到所述真空管内；所述真空管朝向所述单模光纤的一端与所述单模光纤密封连接，另一端封口设置；所述真空管的内部为真空状态。
8.一种测试系统，其特征在于，包括振动激励装置、光源示波装置和权利要求1-7中任一所述的基于光纤FPI的加速度计，所述振动激励装置用于带动所述加速度计产生往复振动，所述光源示波装置与所述加速度计的单模光纤的另一端面相耦合，以向所述加速度计内发射一固定波长且连续的探测光信号，并展示被所述加速度计反射回来的探测光信号的波形。
9.根据权利要求8所述的测试系统，其特征在于，所述光源示波装置包括探测光源、环形器、光电探测器和示波器，所述环形器具有入射端、透射端和出射端，所述探测光源与所述环形器的入射端相连接，所述加速度计的单模光纤的另一端面与所述环形器的透射端相连接，所述光电探测器与所述环形器的出射端相连接；所述示波器与所述光电探测器电性连接。
10.根据权利要求8所述的测试系统，其特征在于，所述振动激励装置包括信号发生器、功率放大器和振动台，所述信号发生器、功率放大器和振动台依次电性连接；所述加速度计设置于所述振动台上。
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