基於馬赫與澤德幹涉儀的光纖加速度計的製作方法
2023-06-16 21:32:46 2
專利名稱：基於馬赫與澤德幹涉儀的光纖加速度計的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種光纖加速度傳感器。
背景技術：
加速度的測量，在許多領域都有廣泛的應用。隨著使用範圍的不斷擴大，要求傳感 器體積更小巧、測量精確度和可靠性更高並向智能化的方向發展。由於科學技術的高速發 展，對傳感器的精度、穩定性及體積小型化的要求越來越高。在已經報導的大多數光纖加速 度傳感探頭中，懸臂梁結構和芯軸柱體結構是兩種常用來構造質量慣性振子的結構。芯軸 柱體結構基本應用在相位調製型加速度傳感器中，是一種普遍實用的結構，但傳感信號的 交叉串擾較大。懸臂梁結構普遍應用在強度調製型光纖探頭中，也有用於光纖光柵型傳感 探頭的報導，這種結構簡單易行，但是靈敏度和精度不高，且被測振動加速度範圍較大時非 線性誤差難以避免。麥可遜型幹涉儀和馬赫——澤德幹涉儀則是相位調製型光纖幹涉儀的經典結構 之一。麥可遜型幹涉儀依靠反射光產生幹涉，光纖耦合器中的四個光纖接頭在光路上是對 稱的，由一根光纖輸入的光信號總是均勻的分配給兩根光纖輸出，由參考臂和信號臂反射回 來的光，經3dB光纖耦合器不僅在光電檢測器這一光路中產生幹涉光，而且在光源這根光路 中也會產生與進入光電檢測器相同的反射光，使光源的噪聲增大，相干性減弱。所以一般要在 光源後加一個光隔離器，阻止反射光進入光源。與麥可遜型的反射幹涉結構相比，馬赫—— 澤德是一種透射式幹涉結構，沒有返回光影響光源工作的問題，且具有兩路互補信號輸出的 優點，這種對稱輸出使得對幹涉儀進行控制和信號處理較為方便。但目前為止多數馬赫—— 澤德結構集成度仍不高，如美國專利US 6031948，US5920666, US 20040149037A1，中國專利 「使用複合光纖的馬赫-策恩德幹涉型器件」(公開號CN 1172958A)。在對幹涉儀有較高的機 械穩定性和溫度穩定性要求的情況下，由分立式光學結構組成的光纖馬赫曾德幹涉儀很難滿 足這樣的需求。雙根光纖構成的保偏耦合器要有好的消光比，要求兩根光纖偏振主軸保持平 行，保偏光纖在熔融拉伸過程中要始終保持兩根光纖受力平衡，不發生微轉動，這些都對系統 穩定性有影響。中國專利「雙芯光纖集成式加速度計及測量方法」(公開號CN 101368978)通 過CCD來測量雙芯光纖透射幹涉條紋的變化來測量加速度，集成度大大提高，但對CCD的像素 要求很高。中國專利「纖維集成式馬赫曾德幹涉儀及其製造方法」(公開號CN 101105555A) 提出一種集成式光纖馬赫——澤德幹涉儀結構，但上述專利中所述的光纖及器件均為非保偏 光纖及器件，光波在普通低雙折射單模光纖中傳輸時偏振態的隨機變化導致幹涉信號的不穩 定是至今難以有效克服的難題之一。一般由低雙折射光纖做成的雙束光纖幹涉儀都無法避免 由於光纖中光波偏振態隨機變化引起的檢測信號隨機衰落，致使系統的穩定性變得很差。特 別當光纖中兩傳感臂偏振態正交時，幹涉儀的輸出幹涉信號為零。在相位調製型光纖傳感器 中，為減小光纖本身的相位和偏振態的擾動，應採用單模光纖，為使幹涉光強的對比度最佳， 要求信號臂和參考臂中的光波必須同相偏振。而胡永明等提出了利用保偏光纖的加速度計 (中國雷射，2005，32 (10) 1382)，但其集成度不夠。
發明內容
本發明的目的在於提供一種具有極大的溫度穩定性，幹涉信號穩定，集成化的基 於馬赫與澤德幹涉儀的光纖加速度計。本發明的目的是這樣實現的包括光源、單芯保偏光纖、傳感探頭、雙芯保偏光纖，和探測器；雙芯保偏光纖的兩 端分別通過保偏光纖耦合器與單芯保偏光纖耦合連接；光源發出的光經單芯保偏光纖，利 用保偏光纖1X2耦合器耦合分別耦合進雙芯保偏光纖的兩個纖芯，然後進入由雙芯保偏 光纖構成的馬赫與澤德幹涉儀傳感探頭；傳感探頭的兩臂光在保偏光纖2X 1耦合器處幹 涉，幹涉後的信號經單芯保偏光纖後由探測器接收轉換為電信號後進行數據處理；所述的 保偏光纖耦合器由單芯保偏光纖和雙芯保偏光纖耦合而成；所述的光纖傳感探頭是由中心 為空氣孔的熔嵌芯式雙芯保偏光纖構成的馬赫_澤德幹涉儀構成的傳感探頭。本發明還可以包括1、所述的傳感探頭包括與雙芯保偏光纖固定連接的質量塊，與雙芯保偏光纖剛性 連接的傳感頭外部殼體。2、所述的傳感頭外部殼體為圓筒狀，圓筒狀的兩端與雙芯保偏光纖剛性連接。3、所述的傳感頭外部殼體為片狀，質量塊兩端的雙芯保偏光纖分別通過夾具與片 狀外部殼體剛性連接。4、所述的熔嵌芯式雙芯保偏光纖是每個保偏芯均是單模保偏纖芯，纖芯是圓形或 是橢圓形纖芯，兩個纖芯偏振主軸方向相同。5、所述的熔嵌芯式雙芯保偏光纖材料可以是石英，塑料或聚合物。6、所述的保偏光纖耦合器由單芯保偏光纖和和雙芯保偏光纖耦合而成，是指單芯 保偏光纖和雙芯保偏光纖利用保偏光纖熔接機直接對接熔合構成的保偏光纖耦合器；或是 對熔接後的光纖利用拉錐機在兩光纖焊點處進行加熱拉錐，在焊點處形成準錐形結構構成 的保偏光纖耦合器。本發明為了解決在製作全光纖加速度儀時，由於單模光纖極化引起的全光纖幹涉 儀的偏振態的衰減等技術難點，同時為了解決傳感器的穩定性提高與成本之間的矛盾，提 出了一種基於馬赫——澤德幹涉儀的光纖加速度計。本發明的優勢在於1.利用雙芯馬赫——澤德幹涉儀結構實現了加速度測量，有 利於傳感器小型化，集成化。2.利用保偏光纖構成馬赫——澤德幹涉儀，可以解決傳統加速 度計傳感器因偏振態隨機變化引起的穩定性問題。3.馬赫——澤德是一種透射式幹涉結 構，沒有返回光影響光源工作的問題，且具有兩路互補信號輸出的優點。4.由於處於雙芯光 纖中的兩個幹涉臂的光程差很小，因而對光源的相干性要求不高。
圖1為本發明基於馬赫與澤德幹涉儀的光纖加速度計結構圖；圖2為本發明基於熔嵌芯式雙芯保偏光纖截面圖；圖3為本發明光纖加速度計傳感探頭內部結構；圖4為本發明雙芯光纖均在外部殼體內的傳感探頭內部結構；圖5為本發明片狀封裝結構傳感探頭。圖6為本發明簡支梁結構傳感探頭。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述圖2為本發明基於熔嵌芯式雙芯保偏光纖截面圖；兩個纖芯8具有相同的偏振主 軸方向，光纖中心為空氣孔10，兩個纖芯8對稱的嵌在包層9的內壁，每個纖芯8部分在包 層中且小部分在空氣孔10中。實施例一圖1為本發明基於馬赫——澤德幹涉儀的光纖加速度計系統結構圖，光源1發出 的光經單芯保偏單模光纖2，利用保偏光纖1X2耦合器3耦合分別耦合進熔嵌芯式雙芯保 偏光纖4的兩個纖芯，然後進入由雙芯保偏光纖構成的馬赫——澤德幹涉儀傳感頭。傳感 探頭5是由一質量塊11通過環氧樹脂與雙芯光纖4連接固定，質量塊11用於感知外界加 速度的變化，將雙芯光纖4與傳感頭外部殼體12剛性連接構成的傳感探頭(圖3)，或者是 質量塊11兩端的雙芯光纖分別與夾具13進行剛性固定，形成片狀封裝結構(圖4)。兩臂 光在保偏光纖2X 1耦合器6處幹涉，幹涉後的信號經保偏光纖2後由探測器7接受轉換為 電信號後進行數據處理，進而測量外界加速度。其中保偏光纖1 X 2和2 X 1耦合器36，是採用熔融拉錐方法製作，單芯保偏光纖2 與雙芯保偏光纖4利用保偏光纖熔接機對接熔合，對接時單芯光纖2和雙芯光纖4的偏振 主軸方向相同，利用拉錐機將熔合後的光纖在焊點處進行加熱拉錐，在焊點處形成準錐形 光纖錐構成光纖耦合器36 ；實施例二 為減小外界微擾影響雙芯光纖，可將馬赫——澤德幹涉儀整體置於外部殼體腔 中。具體描述如下光纖加速度計系統由光源1，單芯保偏光纖2，保偏光纖1X2耦合器3， 傳感探頭5，雙芯保偏光纖4，保偏光纖2 X 1耦合器6，探測器7依次連接組成。1 X 2耦合器 3和2X 1耦合器6是單芯光纖和雙芯光纖利用保偏光纖熔接機直接對接熔合形成的，因熔 接時雙芯光纖中心空氣孔塌陷，兩纖芯側面接觸則可構成保偏光纖耦合器。傳感頭5是由 雙芯保偏光纖構成的馬赫——澤德幹涉儀組成，質量塊11通過環氧樹脂與雙芯光纖4連接 固定，將保護好的保偏光纖耦合器14與傳感頭外部殼體12剛性連接，構成的傳感探頭(圖 5)，此時馬赫——澤德幹涉儀整體置於外部殼體腔中。該加速度計具有穩定性高的優點。實施例三光纖加速度計系統由光源1，單芯保偏光纖2，保偏光纖1X2耦合器3，傳感探頭 5，雙芯保偏光纖4，保偏光纖2 X 1耦合器6，探測器7依次連接組成。1 X 2耦合器3和2 X 1 耦合器6是單芯光纖和雙芯光纖利用保偏光纖熔接機直接對接熔合形成的，因熔接時雙芯 光纖中心空氣孔塌陷，兩纖芯側面接觸則可構成保偏光纖耦合器，熔合後需要進行封裝。傳 感頭5是由雙芯保偏光纖構成的馬赫——澤德幹涉儀組成，幹涉儀兩端的單芯光纖2與傳 感頭外部殼體12剛性連接，質量塊11通過環氧樹脂與雙芯光纖4連接固定，在殼體內雙芯 光纖兩端處增設兩個支點15固定光纖，構成簡支梁結構的傳感探頭(圖6)。此時馬赫—— 澤德幹涉儀整體置於外部殼體腔中，具有很高的穩定性。
權利要求
一種基於馬赫與澤德幹涉儀的光纖加速度計，包括光源、單芯保偏光纖、傳感探頭、雙芯保偏光纖，和探測器；其特徵是雙芯保偏光纖的兩端分別通過保偏光纖耦合器與單芯保偏光纖耦合連接；光源發出的光經單芯保偏光纖，利用保偏光纖1×2耦合器耦合分別耦合進雙芯保偏光纖的兩個纖芯，然後進入由雙芯保偏光纖構成的馬赫與澤德幹涉儀傳感探頭；傳感探頭的兩臂光在保偏光纖2×1耦合器處幹涉，幹涉後的信號經單芯保偏光纖後由探測器接收轉換為電信號後進行數據處理；所述的保偏光纖耦合器由單芯保偏光纖和雙芯保偏光纖耦合而成；所述的光纖傳感探頭是由中心為空氣孔的熔嵌芯式雙芯保偏光纖構成的馬赫 澤德幹涉儀構成的傳感探頭。
2.根據權利要求1所述的基於馬赫與澤德幹涉儀的光纖加速度計，其特徵是所述的 傳感探頭包括與雙芯保偏光纖固定連接的質量塊，與雙芯保偏光纖剛性連接的傳感頭外部 殼體。
3.根據權利要求2所述的基於馬赫與澤德幹涉儀的光纖加速度計，其特徵是所述的 熔嵌芯式雙芯保偏光纖是每個保偏芯均是單模保偏纖芯，纖芯是圓形或是橢圓形纖芯，兩 個纖芯偏振主軸方向相同。
4.根據權利要求3所述的基於馬赫與澤德幹涉儀的光纖加速度計，其特徵是所述的 熔嵌芯式雙芯保偏光纖材料可以是石英，塑料或聚合物。
5.根據權利要求4所述的基於馬赫與澤德幹涉儀的光纖加速度計，其特徵是所述的 保偏光纖耦合器由單芯保偏光纖和和雙芯保偏光纖耦合而成，是指單芯保偏光纖和雙芯保 偏光纖利用保偏光纖熔接機直接對接熔合構成的保偏光纖耦合器；或是對熔接後的光纖 利用拉錐機在兩光纖焊點處進行加熱拉錐，在焊點處形成準錐形結構構成的保偏光纖耦合
6.根據權利要求5所述的基於馬赫與澤德幹涉儀的光纖加速度計，其特徵是所述的 傳感頭外部殼體為圓筒狀，圓筒狀的兩端與雙芯保偏光纖剛性連接。
7.根據權利要求5所述的基於馬赫與澤德幹涉儀的光纖加速度計，其特徵是所述的 傳感頭外部殼體為片狀，質量塊兩端的雙芯保偏光纖分別通過夾具與片狀外部殼體剛性連接。
全文摘要
本發明提供的是一種基於馬赫與澤德幹涉儀的光纖加速度計。包括光源、單芯保偏光纖、傳感探頭、雙芯保偏光纖，和探測器；雙芯保偏光纖的兩端分別通過保偏光纖耦合器與單芯保偏光纖耦合連接；光源發出的光經單芯保偏光纖，利用保偏光纖1×2耦合器耦合分別耦合進雙芯保偏光纖的兩個纖芯，然後進入由雙芯保偏光纖構成的馬赫與澤德幹涉儀傳感探頭；傳感探頭的兩臂光在保偏光纖2×1耦合器處幹涉，幹涉後的信號經單芯保偏光纖後由探測器接收轉換為電信號後進行數據處理。本發明有利於傳感器小型化，集成化；可以解決傳統加速度計傳感器因偏振態隨機變化引起的穩定性問題；具有兩路互補信號輸出的優點；對光源的相干性要求不高。
文檔編號G01P15/093GK101923102SQ20101017309
公開日2010年12月22日 申請日期2010年5月17日 優先權日2010年5月17日
發明者關春穎, 楊軍, 苑立波 申請人:哈爾濱工程大學