一種光纖加速度計的製作方法
2023-05-26 17:00:06 2
專利名稱：一種光纖加速度計的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖加速度計，屬於光纖傳感技術領域。
背景技術：
測量加速度的方法是多種多樣的，有機械的、電磁的、放射線的等等，已有報導的大約有二十多種測量方法。對應每一種測量方法，都可以做出不同形式的加速度計。隨著科學技術的不斷發展，提高加速度計精度的技術也在不斷地改 進，高精度加速度計飛速發展，按發展時間的先後依次是三、四十年代的擺式積分陀螺加速度計和寶石軸承擺式加速度計；六十年代中期開始發展起來的液浮擺式加速度計、撓性加速度計、壓電加速度計、電磁加速度計等，以後是靜電加速度計和雷射加速度計；七十年代以後，除了上述各類加速度計不斷改進提高之外，多功能傳感器和其它基於新支承形式、新材料、新工藝的加速度計蓬勃發展。尤其是微矽加速度計和超導加速度計取得了令人矚目的進展。目前常用的加速度計有以下幾種I)液浮擺式加速度計2)撓性加速度計3)擺式積分陀螺加速度計(PIGA)4)雷射加速度計5)靜電懸浮加速度計6)石英振梁式加速度計7)微矽加速度計8)超導加速度計對於光纖加速度計，正在研製的光纖加速度計在原理上主要有三大類光強調製型、相位調製型和波長調製型。光強調製型加速度計的優點是結構比較簡單，對光源、探測器等要求不高，容易實現。國內外研究較多，技術上已趨成熟。但是，光強調製型加速度計一般穩定性差，精度不夠高，解析度難以達到io_5g以上。相位調製型光纖加速度傳感器可實現全光纖化，可以做出比光強調製型動態範圍大、測試精度高的光纖加速度傳感器，是各發達國家軍工部門競相研究的熱點。波長調製型光纖加速度計具有光路簡單，檢測方法靈活的特點，如果方案得當，還可以降低對光源和探測器的要求，從而降低整個加速度計的成本。對於採用相位調製型的幹涉型光纖加速度計來說，目前多採用基於Mach-Zehnder幹涉儀和Michelson幹涉儀結構，這兩種光纖幹涉儀結構在實現過程中受光的偏振影響較大， 而且需要使用窄線寬光源，實現難度較大。
發明內容
本發明的目的是為了解決上述問題，提出一種光纖加速度計。一種光纖加速度計，包括光源、分路器、起偏器、相位調製器、延遲光纖、法拉第旋光器、耦合器、加速度敏感頭、光電探測器；
光源的尾纖與分路器的一輸入端光纖熔接在一起，光電探測器的尾纖與分路器的另一輸入端光纖熔接在一起；分路器的輸出端光纖與起偏器熔接，起偏器的輸出端保偏光纖與相位調製器的輸入端保偏光纖以45°熔接,相位調製器的輸出端光纖與延遲光纖的輸入端光纖熔接，延遲光纖的輸出端光纖與法拉第旋光器輸入端光纖熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與I禹合器的輸入端熔接，I禹合器將光分為兩路，其中I禹合器的一路輸出與加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖熔接，耦合器的另一路輸出與加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖熔接，這兩段傳感光纖以90°熔接，光電探測器的輸出端與信號處理電路相連接，光電探測器將得到的包含加速度信息的幹涉光信號轉換為電信號提供給信號處理電路，信號處理電路檢測該電信號獲取加速度值，並且輸出，同時信號處理電路將該輸出信號施加到相位調製器上從而實現相位調製。一種光纖加速度計，包括光源、分路器、集成相位調製器、偏振分束/合束器、延遲光纖、法拉第旋光器、稱合器、加速度敏感頭、光電探測器；光源的尾纖與分路器的一輸入端光纖熔接在一起，光電探測器的尾纖與分路器的另一輸入端光纖熔接在一起；分路器的輸出端與集成相位調製器熔接，集成相位調製器的一個輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器的一個輸入端保偏光纖熔接，集成相位調製器的另一個輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器的另一個輸入端保偏光纖熔接，偏振分束/合束器的輸出端光纖與延遲光纖的輸入端光纖熔接，延遲光纖的輸出端光纖與法拉第旋光器輸入端光纖熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與稱合器的輸入端熔接，稱合器將光分為兩路， 其中耦合器的一路輸出與加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖熔接，耦合器的另一路輸出與加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖熔接，這兩段傳感光纖以90° 熔接，光電探測器的輸出端與信號處理電路相連接，光電探測器將得到的包含加速度信息的幹涉光信號轉換為電信號提供給信號處理電路，信號處理電路檢測該電信號獲取加速度值，並且輸出 ，同時信號處理電路將該輸出信號施加到集成相位調製器上從而實現相位調製。一種光纖加速度計，包括光源、分路器、起偏器、相位調製器、延遲光纖、法拉第旋光器、加速度敏感頭、反射鏡、光電探測器；光源的尾纖與分路器的一輸入端光纖熔接在一起，光電探測器的尾纖與分路器的另一輸入端光纖熔接在一起；分路器的輸出端光纖與起偏器熔接，起偏器的輸出端保偏光纖與相位調製器的輸入端保偏光纖以45°熔接,相位調製器的輸出端光纖與延遲光纖的輸入端光纖熔接，延遲光纖的輸出端光纖與法拉第旋光器輸入端光纖熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖一端熔接，加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖的另一端以90°與加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖一端熔接，加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖的另一端與反射鏡連接，光電探測器的輸出端與信號處理電路相連接，光電探測器將得到的包含加速度信息的幹涉光信號轉換為電信號提供給信號處理電路，信號處理電路檢測該電信號獲取加速度值，並且輸出，同時信號處理電路將該輸出信號施加到相位調製器上從而實現相位調製。一種光纖加速度計，包括光源、分路器、集成相位調製器、偏振分束/合束器、延遲光纖、法拉第旋 光器、加速度敏感頭、反射鏡、光電探測器；光源的尾纖與分路器的一輸入端光纖熔接在一起，光電探測器的尾纖與分路器的另一輸入端光纖熔接在一起；分路器的輸出端與集成相位調製器熔接，集成相位調製器的一個輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器的一個輸入端保偏光纖熔接，集成相位調製器的另一個輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器的另一個輸入端保偏光纖熔接，偏振分束/合束器的輸出端光纖同延遲光纖的輸入端光纖熔接，延遲光纖的輸出端光纖同法拉第旋光器輸入端光纖熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖一端熔接，加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖的另一端以90°與加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖一端熔接，加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖的另一端與反射鏡連接，光電探測器的輸出端與信號處理電路相連接，光電探測器將得到的包含加速度信息的幹涉光信號轉換為電信號提供給信號處理電路，信號處理電路檢測該電信號獲取加速度值，並且輸出，同時信號處理電路將該輸出信號施加到集成相位調製器上從而實現相位調製。本發明的優點在於本發明採用兩段傳感光纖的補償式結構，第二段傳感光纖用來補償第一段傳感光纖由於溫度產生的相位變化及兩束正交光之間本身的相位差，因此實現了準互易式結構， 對溫度、振動等環境幹擾有很好的免疫能力，穩定性好，噪聲小，可以實現閉環檢測，有在很大的動態範圍線性度好的優點。
圖I是本發明實施例I的結構示意圖；圖2是本發明實施例2的結構示意圖；圖3是本發明實施例3的結構示意圖；圖4是本發明實施例4的結構示意具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明是一種光纖加速度計，有四種具體實施例，具體為實施例I :如圖I所示，一種光纖加速度計，包括光源、分路器、起偏器、相位調製器、延遲光纖、法拉第旋光器、耦合器、加速度敏感頭、光電探測器。其中，光電探測器、光源、分路器、起偏器、相位調製器、延遲光纖、信號處理電路組成控制單元，耦合器、加速度敏感頭組成傳感單元。光源的尾纖與分路器的一輸入端光纖熔接在一起，光電探測器的尾纖與分路器的另一輸入端光纖熔接在一起；分路器的輸出端光纖與起偏器熔接，起偏器的輸出端保偏光纖與相位調製器的輸入端保偏光纖以45°熔接,相位調製器的輸出端光纖與延遲光纖的輸入端光纖熔接，延遲光纖的輸出端光纖與法拉第旋光器輸入端光纖熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與I禹合器的輸入端熔接，I禹合器將光分為兩路，其中I禹合器的一路輸出與加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖熔接，耦合器的另一路輸出與加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖熔接，這兩段傳感光纖以90°熔接，光電探測器的輸出端與信號處理電路相連接，光電探測器將得到的包含加速度信息的幹涉光信號轉換為電信號提供給信號處理電路，信號處理電路檢測該電信號獲取加速度值，並且輸出，同時信號處理電路將該輸出信號施加到相位調製器上從而實現相位調製。實施例2 如圖2所示，一種光纖加速度計，包括光源、分路器、集成相位調製器、偏振分束/ 合束器、延遲光纖、法拉第旋光器、耦合器、加速度敏感頭、光電探測器。 其中，光電探測器、光源、分路器、集成相位調製器、延遲光纖、信號處理電路組成控制單元，耦合器、加速度敏感頭組成傳感單元。光源的尾纖與分路器的一輸入端光纖熔接在一起，光電探測器的尾纖與分路器的另一輸入端光纖熔接在一起；分路器的輸出端與集成相位調製器熔接，集成相位調製器的一個輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器的一個輸入端保偏光纖熔接，集成相位調製器的另一個輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器的另一個輸入端保偏光纖熔接，偏振分束/合束器的輸出端光纖與延遲光纖的輸入端光纖熔接，延遲光纖的輸出端光纖與法拉第旋光器輸入端光纖熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與稱合器的輸入端熔接，稱合器將光分為兩路， 其中耦合器的一路輸出與加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖熔接，耦合器的另一路輸出與加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖熔接，這兩段傳感光纖以90° 熔接，光電探測器的輸出端與信號處理電路相連接，光電探測器將得到的包含加速度信息的幹涉光信號轉換為電信號提供給信號處理電路，信號處理電路檢測該電信號獲取加速度值，並且輸出，同時信號處理電路將該輸出信號施加到集成相位調製器上從而實現相位調製。實施例3 如圖3所示，一種光纖加速度計，包括光源、分路器、起偏器、相位調製器、延遲光纖、法拉第旋光器、加速度敏感頭、反射鏡、光電探測器。其中，光電探測器、光源、分路器、起偏器、相位調製器、延遲光纖、信號處理電路組成控制單元，耦合器、加速度敏感頭、反射鏡組成傳感單元。光源的尾纖與分路器的一輸入端光纖熔接在一起，光電探測器的尾纖與分路器的另一輸入端光纖熔接在一起；分路器的輸出端光纖與起偏器熔接，起偏器的輸出端保偏光纖與相位調製器的輸入端保偏光纖以45°熔接,相位調製器的輸出端光纖與延遲光纖的輸入端光纖熔接，延遲光纖的輸出端光纖與法拉第旋光器輸入端光纖熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖一端熔接，加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖的另一端以90°與加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖一端熔接，加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖的另一端與反射鏡連接，光電探測器的輸出端與信號處理電路相連接，光電探測器將得到的包含加速度信息的幹涉光信號轉換為電信號提供給信號處理電路，信號處理電路檢測該電信號獲取加速度值，並且輸出，同時信號處理電路將該輸出信號施加到相位調製器上從而實現相位調製。實施例4:如圖4所示，一種光纖加速度計，包括光源、分路器、集成相位調製器、偏振分束/ 合束器、延遲光纖、法拉第旋光器、加速度敏感頭、反射鏡、光電探測器。其中，光電探測器、光源、分路器、集成相位調製器、延遲光纖、信號處理電路組成控制單元，耦合器、加速度敏感頭、反射鏡組成傳感單元。
光源的尾纖與分路器的一輸入端光纖熔接在一起，光電探測器的尾纖與分路器的另一輸入端光纖熔接在一起；分路器的輸出端與集成相位調製器熔接，集成相位調製器的一個輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器的一個輸入端保偏光纖熔接，集成相位調製器的另一個輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器的另一個輸入端保偏光纖熔接，偏振分束/合束器的輸出端光纖同延遲光纖的輸入端光纖熔接，延遲光纖的輸出端光纖同法拉第旋光器輸入端光纖熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖一端熔接，加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖的另一端以90°與加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖一端熔接，加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖的另一端與反射鏡連接，光電探測器的輸出端與信號處理電路相連接，光電探測器將得到的包含加速度信息的幹涉光信號轉換為電信號提供給信號處理電路，信號處理電路檢測該電信號獲取加速度值，並且輸出，同時信號處理電路將該輸出信號施加到集成相位調製器上從而實現相位調製。本發明光路的基本原理為控制單元為傳感單元產生兩束正交模式的偏振光並通過相位調製器對該兩束正交偏振光進行非互易的相位調製；法拉第旋光器位於控制單元與傳感單元之間，其作用是使通過的線偏振光的偏振面旋轉45°，且旋轉方向只與法拉第旋光器內部磁場方向相關，與光傳播方向無關，因此能夠使由傳感單兀返回的兩束正交模式的偏振光實現模式互換，從而使控制單兀產生的兩正交偏振光在法拉第旋光器前的光路具有互易性；傳感單元中的兩段傳感光纖90°熔接，分別均勻纏繞在位於質量塊上下的彈性體上，傳感光纖中傳播由控制單元產生的兩個正交模式的偏振光，質量塊敏感待測加速度傳遞給彈性體，使彈性體發生相應形變從而在兩正交偏振光中引入雙折射產生相位差，由於上下彈性體受力方向不同，因此在兩段傳感光纖之間由加速度引起的相位差符號相反， 而兩段傳感光纖之間90°熔接，使在兩正交偏振光中由加速度引起的相位差加倍，而兩正交模式折射率不同引 起的相位差相互抵消，最終檢測到的相位差只包含待測加速度信息。 光電探測器獲取的幹涉信號表達式為Id (O = Y {I + COS[麼{t-τ)- φ (t) + 死]}其中=Ici為到光電達探測器的光強，t為時間，Φπα)為相位調製器或者集成相位調製器的調製相位，τ為光在延遲光纖中的渡越時間，為由於彈性體形變引起傳感光纖兩模式之間的相位差。信號處理電路檢測該幹涉信號，獲取加速度值，然後進行輸出。
權利要求
1.一種光纖加速度計，其特徵在於，包括光源、分路器、起偏器、相位調製器、延遲光纖、 法拉第旋光器、耦合器、加速度敏感頭、光電探測器；光源的尾纖與分路器的一輸入端光纖熔接在一起，光電探測器的尾纖與分路器的另一輸入端光纖熔接在一起；分路器的輸出端光纖與起偏器熔接，起偏器的輸出端保偏光纖與相位調製器的輸入端保偏光纖以45°熔接，相位調製器的輸出端光纖與延遲光纖的輸入端光纖熔接，延遲光纖的輸出端光纖與法拉第旋光器輸入端光纖熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與稱合器的輸入端熔接，稱合器將光分為兩路，其中稱合器的一路輸出與加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖熔接，耦合器的另一路輸出與加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖熔接，這兩段傳感光纖以90°熔接，光電探測器的輸出端與信號處理電路相連接，光電探測器將得到的包含加速度信息的幹涉光信號轉換為電信號提供給信號處理電路，信號處理電路檢測該電信號獲取加速度值，並且輸出，同時信號處理電路將該輸出信號施加到相位調製器上從而實現相位調製。
2.根據權利要求I所述的一種光纖加速度計，其特徵在於，光電探測器獲取的幹涉光信號表達式為
3.一種光纖加速度計，其特徵在於，包括光源、分路器、集成相位調製器、偏振分束/合束器、延遲光纖、法拉第旋光器、耦合器、加速度敏感頭、光電探測器；光源的尾纖與分路器的一輸入端光纖熔接在一起，光電探測器的尾纖與分路器的另一輸入端光纖熔接在一起；分路器的輸出端與集成相位調製器熔接，集成相位調製器的一個輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器的一個輸入端保偏光纖熔接，集成相位調製器的另一個輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器的另一個輸入端保偏光纖熔接，偏振分束/合束器的輸出端光纖與延遲光纖的輸入端光纖熔接，延遲光纖的輸出端光纖與法拉第旋光器輸入端光纖熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與耦合器的輸入端熔接，耦合器將光分為兩路，其中耦合器的一路輸出與加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖熔接，耦合器的另一路輸出與加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖熔接，這兩段傳感光纖以90°熔接， 光電探測器的輸出端與信號處理電路相連接，光電探測器將得到的包含加速度信息的幹涉光信號轉換為電信號提供給信號處理電路，信號處理電路檢測該電信號獲取加速度值，並且輸出，同時信號處理電路將該輸出信號施加到集成相位調製器上從而實現相位調製。
4.根據權利要求3所述的一種光纖加速度計，其特徵在於，光電探測器獲取的幹涉光信號表達式為
5.一種光纖加速度計，其特徵在於，包括光源、分路器、起偏器、相位調製器、延遲光纖、 法拉第旋光器、加速度敏感頭、反射鏡、光電探測器；光源的尾纖與分路器的一輸入端光纖熔接在一起，光電探測器的尾纖與分路器的另一輸入端光纖熔接在一起；分路器的輸出端光纖與起偏器熔接，起偏器的輸出端保偏光纖與相位調製器的輸入端保偏光纖以45°熔接，相位調製器的輸出端光纖與延遲光纖的輸入端光纖熔接，延遲光纖的輸出端光纖與法拉第旋光器輸入端光纖熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖一端熔接，加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖的另一端以90°與加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖一端熔接，加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖的另一端與反射鏡連接，光電探測器的輸出端與信號處理電路相連接，光電探測器將得到的包含加速度信息的幹涉光信號轉換為電信號提供給信號處理電路，信號處理電路檢測該電信號獲取加速度值，並且輸出，同時信號處理電路將該輸出信號施加到相位調製器上從而實現相位調製。
6.根據權利要求5所述的一種光纖加速度計，其特徵在於，光電探測器獲取的幹涉光信號表達式為
7.一種光纖加速度計，其特徵在於，包括光源、分路器、集成相位調製器、偏振分束/合束器、延遲光纖、法拉第旋光器、加速度敏感頭、反射鏡、光電探測器；光源的尾纖與分路器的一輸入端光纖熔接在一起，光電探測器的尾纖與分路器的另一輸入端光纖熔接在一起；分路器的輸出端與集成相位調製器熔接，集成相位調製器的一個輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器的一個輸入端保偏光纖熔接，集成相位調製器的另一個輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器的另一個輸入端保偏光纖熔接，偏振分束/合束器的輸出端光纖同延遲光纖的輸入端光纖熔接，延遲光纖的輸出端光纖同法拉第旋光器輸入端光纖熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖一端熔接，加速度敏感頭的上端彈性體上纏繞的傳感光纖的另一端以90°與加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖一端熔接，加速度敏感頭的下端彈性體上纏繞的傳感光纖的另一端與反射鏡連接，光電探測器的輸出端與信號處理電路相連接，光電探測器將得到的包含加速度信息的幹涉光信號轉換為電信號提供給信號處理電路，信號處理電路檢測該電信號獲取加速度值，並且輸出，同時信號處理電路將該輸出信號施加到集成相位調製器上從而實現相位調製。
8.根據權利要求7所述的一種光纖加速度計，其特徵在於，光電探測器獲取的幹涉光信號表達式為
全文摘要
本發明公開了一種光纖加速度計，該加速度計由控制單元、法拉第旋光器和傳感單元組成，控制單元為傳感單元產生兩束正交模式的偏振光並通過相位調製器對該兩束正交偏振光進行非互易的相位調製；法拉第旋光器位於控制單元與傳感單元之間，其作用是使由傳感單元返回的兩束正交模式的偏振光實現模式互換，從而使控制單元產生的兩正交偏振光在法拉第旋光器前的光路具有互易性；傳感單元中的傳感光纖均勻纏繞在彈性體上，傳感光纖中傳播由控制單元產生的兩個正交模式的偏振光，質量塊敏感待測加速度傳遞給彈性體，使彈性體發生相應形變從而在傳感光纖的兩正交偏振光中產生相位差，檢測該相位差即可得到待測加速度。
文檔編號G01P15/03GK102721827SQ20121017292
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月29日 優先權日2012年5月29日
發明者於佳, 馮秀娟, 張晞, 李傳生, 李彥, 李立京, 王夏霄, 鄔戰軍 申請人:北京航空航天大學