CN101368978B - 双芯光纤集成式加速度计及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种双芯光纤集成式加速度计及其测量方法。半导体激光器1通过耦合器耦合在单芯光纤6的一侧，双芯光纤9耦合在单芯光纤6的另一侧，在单芯-双芯光纤的耦合区7外侧套有套管8，套管8与外部壳体2刚性连接，中间有孔的金属套管套在双芯光纤9的另一侧作为质量块3，外部壳体2内设置干涉条纹的接收装置4及数据处理模块5并与接收装置4及数据处理模块5与外部壳体2刚性连接，数据线及电源线通过引线孔10引出。本发明的加速度计具有结构简单紧凑、能够实现自动补偿、适应不同测量场合、测量灵敏度高的优点。

Description

双芯光纤集成式加速度计及测量方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种惯性参数测量装置，具体地说是一种基于双芯光纤结构的新型集成式加速度计。本发明还涉及一种基于双芯光纤集成式加速度计的加速度测量方法。

(二)背景技术

加速度计是惯性导航、惯性制导和控制检测设备的重要测量元件。无论是惯性导航还是惯性制导都是利用加速度计敏感这一特性来测量载体的运动加速度的。目前，加速度计已广泛应用于航空、航海、宇航及武器的制导和控制。

加速度计的种类有很多，包括摆式加速度计、挠性加速度计、电磁加速度计、静电加速度计、振梁式加速度计等。近代激光、光纤传感等新技术以及不断出现的新型材料的应用给光学加速度计的发展提供了有利条件，出现了多种实用的光纤加速度计。

光纤加速度计通常采用光纤传感技术来测量质量块的惯性力，从而测量加速度。目前光纤加速度计在原理上主要有三大类：光强调制型、相位调制型和波长调制型。较为常用的是相位调制型光纤加速度计。相位调制型光纤加速度计的实质是传感光纤受质量块惯性力的作用导致通过它的光产生相位变化，相位变化量即代表被测加速度值。通常采用Michelson干涉法、M-Z干涉法和F-P干涉法来测量相位变化。例如中国专利：全光纤加速度地震检波器(专利公开号CN2594809)、三分量全光纤加速度地震检波器(专利公开号CN2594809)中公开的技术方案等。其基本的特点是利用全光纤迈克尔逊干涉仪或M-Z干涉仪，把振动信号加到信号臂上，调制后的光波与参考臂中返回的光波在耦合器的耦合区产生干涉，从而将光波的相位变化转化成强度变化，进一步转化为电信号后，经解调测出加速度信号。

另外比较常用的方法是采用光纤光栅作为传感器，对物体的加速度或振动信号进行传感测量。例如中国专利：温度自补偿差动式光纤加速度传感头(专利公开号CN2578832)、光纤光栅加速度传感器(专利公开号CN2784933)及国外专利：一种光纤加速度传感器(专利号CA2605372)中公开的技术方案等。其基本特点是把光纤光栅粘在悬臂梁上，悬臂梁的末端安装有质量块。当有加速度作用在传感头上时，质量块将加速度转换为反方向的过载力，使悬臂梁产生挠性弯曲，反射的光信号的中心波长相对于各自初始值将相应地增大或减小，进而检测出加速度信息。

现有的光纤加速度传感器在先技术均具有对相干性要求较高，两干涉臂易受外部环境温度变化的干扰、难以微小型化等缺点。在对加速度测量系统有体积限制和温度稳定性要求的情况下，由分立式光学结构组成的干涉型光纤加速度传感器显然难以满足需求。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、能够实现自动补偿、适应不同测量场合、测量灵敏度高的双芯光纤集成式加速度计。本发明的目的还在于提供一种基于双芯光纤集成式加速度计的加速度测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

半导体激光器1通过耦合器耦合在单芯光纤6的一侧，双芯光纤9耦合在单芯光纤6的另一侧，在单芯-双芯光纤的耦合区7外侧套有套管8，套管8与外部壳体2刚性连接，中间有孔的金属套管套在双芯光纤9另一侧作为质量块3，外部壳体2内设置干涉条纹的接收装置4及数据处理模块5，接收装置4及数据处理模块5与外部壳体2刚性连接，数据线及电源线通过引线孔10引出。

本发明还可以包括这样一些结构特征：

1、所述的接收装置4为CCD敏感单元，所述的数据处理模块5为DSP数据处理模块。

2、单芯-双芯光纤的耦合区通过环氧树脂胶粘在石英半管上，石英半管封装在热缩管内，套管8通过硅胶固定在热缩管外侧。

3、作为质量块3的金属套管通过环氧树脂胶与双芯光纤连接固定。

基于双芯光纤集成式加速度计的加速度测量方法：

利用双芯光纤来实现双光束干涉，在双芯光纤两出射光场的相交区域形成干涉场，双芯光纤末端的两个纤芯可看作独立点光源，两个波前相互叠加干涉形成了干涉条纹，双芯光纤的出射场的干涉条纹分布，与纤芯出射光场方向具有对应关系，外部设备有加速度变化时，双芯光纤发生摆动，纤芯出射光场方向的改变对应干涉条纹的移动，检测条纹移动情况，就可得到加速度信息。

半导体激光器1将光源注入单芯光纤中，该光束经过锥形耦合区2后被分成两束，在双芯光纤9中传播。利用双芯光纤作为弹性敏感元件，加速度计通过质量块3的惯性力来感知加速度。在双芯光纤两出射光场的相交区域形成干涉场，采用CCD6作为干涉条纹的接收装置，采用DSP7作为数据处理单元，CCD把图像信息传送到DSP中进行数据处理。计算CCD上条纹移动，进而得到加速度信息。

本发明的工作原理在于：利用双芯光纤来实现双光束干涉(双芯光纤结构见说明书附图2所示)，在双芯光纤两出射光场的相交区域形成干涉场。双芯光纤末端的两个纤芯可看作独立点光源(双芯光纤的端面见说明书附图3所示)，两个波前相互叠加干涉形成了干涉条纹。双芯光纤的出射场的干涉条纹分布(见说明书附图4)，与纤芯出射光场方向具有对应关系。外部设备有加速度变化时，双芯光纤发生摆动，纤芯出射光场方向的改变对应干涉条纹的移动。检测条纹移动情况，即可得到加速度信息，从而实现加速度精确测量。双芯光纤集成式加速度计的原理示意图见说明书附图1所示。

本发明具有以下的优点：

1、由于将两条光路集成于一根光纤中，极大的缩小了加速度计的体积，使得系统更简化紧凑；

2、两条光路由于处于同一根光纤中，环境温度导致的影响近似相同，因而能够实现两臂光程的自动补偿；

3、由于处于双芯光纤中的两条光路的光程差很小，因而对光源的相干性要求不高；

4、由于弹性元件双芯光纤摆动的角度与加速度的大小有关。改变双芯光纤的长度及质量块可以调整测量的灵敏度和量程，因此可适应不同测量场合的需求。

5、利用CCD作为接收装置，进一步提高系统的测量灵敏度。

6、采用DSP对条纹图像进行处理，测量系统可实现实时性和全数字化输出，同时对时间进行积分可以得到运动的瞬时速度信息。

(四)附图说明

图1为双芯光纤集成式加速度计的原理示意图；

图2为双芯光纤结构图；

图3为双芯光纤集成式加速度计的制作方法流程图；

图4为双芯光纤集成式加速度计的数据处理流程图；

图5为双芯光纤集成式加速度计的结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图5和图2，双芯光纤集成式加速度计的结构组成包括半导体激光器1，壳体2，质量块3，接收装置4，数据处理模块5，单芯光纤6，单芯-双芯光纤耦合区7，套管8，双芯光纤9，引线孔10。半导体激光器1通过耦合器耦合在单芯光纤6的一侧，双芯光纤9耦合在单芯光纤6的另一侧，在单芯-双芯光纤的耦合区7外侧套有套管8，套管8与外部壳体2刚性连接，中间有孔的金属套管套在双芯光纤9另一侧作为质量块3，外部壳体2内设置干涉条纹的接收装置4及数据处理模块5与，接收装置4及数据处理模块5与外部壳体2刚性连接，数据线及电源线通过引线孔10引出。接收装置4为CCD敏感单元，数据处理模块5为DSP数据处理模块。单芯-双芯光纤的耦合区通过环氧树脂胶粘在石英半管上，石英半管封装在热缩管内，套管8通过硅胶固定在热缩管外侧。作为质量块3的金属套管通过环氧树脂胶与双芯光纤连接固定。其中11为双芯光纤的端面，12为双芯光纤干涉场。

下面根据一个实例来说明本发明的双芯光纤集成式加速度计的结构及制作过程：

基于双芯光纤集成式加速度计，包括光源、传感装置、采集装置和数据处理这四个主要部分。

结合图3，光源选用波长为650nm的半导体激光器(LD)，注入单芯光纤一侧。通过单芯光纤和一段双芯光纤的耦合区，光被分成两束，在双芯光纤的两个纤芯中传播。熔融拉锥法是制作单芯光纤和一段双芯光纤耦合器最常用的方法。先将两根(单芯光纤和双芯光纤)剥去部分包层，用溶液清洗干净后绞合在一起，然后在中间区域加热，同时将两侧拉伸，最终在加热区形成双锥形的特殊结构，实现光功率耦合。通过熔融拉锥法我们可以把一段单芯光纤和一段双芯光纤构成一种特殊组合集成光纤。

基于双芯光纤集成式加速度计把组合集成光纤中双芯光纤作为弹性敏感元件，在双芯光纤端面一侧套上用来增加灵敏度的质量块，并以环氧树脂固定。单芯-双芯光纤的耦合区通过环氧树脂胶粘在石英半管上，把石英半管封装在热缩管内。然后用金属套管通过硅胶固定在热缩管外侧加以保护，该金属套管与壳体刚性连接。在双芯光纤两出射光场的相交区域形成干涉场，干涉条纹的形状是一组平行的直条纹，强度随空间位置的不同周期性变化。双芯光纤的出射光场呈现中间的条纹亮度明显大于边缘条纹亮度，而且条纹间距近似相等，在实际测量中可以将条纹间距做平均化处理之后再测量。双芯光纤的出射场的干涉条纹分布，与纤芯出射光场方向具有对应关系，纤芯出射光场方向的改变对应干涉条纹的移动。利用CCD传感器作为干涉条纹的接收装置，CCD把图像信息传送到DSP中进行数据处理，数据处理主要分为：1、FFT变换；2、带通滤波；3、条纹细化；4、条纹中心确定；5、条纹移动值确定；6、查表；7、加速度值输出(见说明书附图4)。干涉条纹的移动与加速度关系并非线性，因此需要在测量前对双芯光纤加速度计进行标定，建立干涉条纹的移动与加速度对应关系。条纹移动值确定后，经查表得到当前加速度值，DSP运算速度极快，可以满足加速度检测实时性方面的需求。

Claims (6)

1.一种双芯光纤集成式加速度计，半导体激光器(1)通过耦合器耦合在单芯光纤(6)的一侧，其特征是：双芯光纤(9)耦合在单芯光纤(6)的另一侧，在单芯-双芯光纤的耦合区(7)外侧套有套管(8)，套管(8)与外部壳体(2)刚性连接，中间有孔的金属套管套在双芯光纤(9)的另一侧作为质量块(3)，外部壳体(2)内设置干涉条纹的接收装置(4)及数据处理模块(5)，接收装置(4)及数据处理模块(5)与外部壳体(2)刚性连接，数据线及电源线通过引线孔(10)引出。

2.根据权利要求1所述的双芯光纤集成式加速度计，其特征是：所述的接收装置(4)为CCD敏感单元，所述的数据处理模块(5)为DSP数据处理模块。

3.根据权利要求1或2所述的双芯光纤集成式加速度计，其特征是：单芯-双芯光纤的耦合区通过环氧树脂胶粘在石英半管上，石英半管封装在热缩管内，套管(8)通过硅胶固定在热缩管外侧。

4.根据权利要求1或2所述的双芯光纤集成式加速度计，其特征是：作为质量块(3)的金属套管通过环氧树脂胶与双芯光纤连接固定。

5.根据权利要求3所述的双芯光纤集成式加速度计，其特征是：作为质量块(3)的金属套管通过环氧树脂胶与双芯光纤连接固定。

6.一种基于双芯光纤集成式加速度计的加速度测量方法，其特征是：利用双芯光纤来实现双光束干涉，在双芯光纤两出射光场的相交区域形成干涉场，双芯光纤末端的两个纤芯看作独立点光源，两个波前相互叠加干涉形成了干涉条纹，双芯光纤的出射场的干涉条纹分布，与纤芯出射光场方向具有对应关系，外部设备有加速度变化时，双芯光纤发生摆动，纤芯出射光场方向的改变对应干涉条纹的移动，检测条纹移动情况，得到加速度信息。

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