CN101923102B - 基于马赫与泽德干涉仪的光纤加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于马赫与泽德干涉仪的光纤加速度计。包括光源、单芯保偏光纤、传感探头、双芯保偏光纤，和探测器；双芯保偏光纤的两端分别通过保偏光纤耦合器与单芯保偏光纤耦合连接；光源发出的光经单芯保偏光纤，利用保偏光纤1×2耦合器耦合分别耦合进双芯保偏光纤的两个纤芯，然后进入由双芯保偏光纤构成的马赫与泽德干涉仪传感探头；传感探头的两臂光在保偏光纤2×1耦合器处干涉，干涉后的信号经单芯保偏光纤后由探测器接收转换为电信号后进行数据处理。本发明有利于传感器小型化，集成化；可以解决传统加速度计传感器因偏振态随机变化引起的稳定性问题；具有两路互补信号输出的优点；对光源的相干性要求不高。

Description

基于马赫与泽德干涉仪的光纤加速度计

技术领域

本发明涉及的是一种光纤加速度传感器。

背景技术

加速度的测量，在许多领域都有广泛的应用。随着使用范围的不断扩大，要求传感器体积更小巧、测量精确度和可靠性更高并向智能化的方向发展。由于科学技术的高速发展，对传感器的精度、稳定性及体积小型化的要求越来越高。在已经报道的大多数光纤加速度传感探头中，悬臂梁结构和芯轴柱体结构是两种常用来构造质量惯性振子的结构。芯轴柱体结构基本应用在相位调制型加速度传感器中，是一种普遍实用的结构，但传感信号的交叉串扰较大。悬臂梁结构普遍应用在强度调制型光纤探头中，也有用于光纤光栅型传感探头的报道，这种结构简单易行，但是灵敏度和精度不高，且被测振动加速度范围较大时非线性误差难以避免。

迈克尔逊型干涉仪和马赫——泽德干涉仪则是相位调制型光纤干涉仪的经典结构之一。迈克尔逊型干涉仪依靠反射光产生干涉，光纤耦合器中的四个光纤接头在光路上是对称的，由一根光纤输入的光信号总是均匀的分配给两根光纤输出，由参考臂和信号臂反射回来的光，经3dB光纤耦合器不仅在光电检测器这一光路中产生干涉光，而且在光源这根光路中也会产生与进入光电检测器相同的反射光，使光源的噪声增大，相干性减弱。所以一般要在光源后加一个光隔离器，阻止反射光进入光源。与迈克尔逊型的反射干涉结构相比，马赫——泽德是一种透射式干涉结构，没有返回光影响光源工作的问题，且具有两路互补信号输出的优点，这种对称输出使得对干涉仪进行控制和信号处理较为方便。但目前为止多数马赫——泽德结构集成度仍不高，如美国专利US 6031948，US5920666，US 20040149037A1，中国专利“使用复合光纤的马赫-策恩德干涉型器件”(公开号CN 1172958A)。在对干涉仪有较高的机械稳定性和温度稳定性要求的情况下，由分立式光学结构组成的光纤马赫曾德干涉仪很难满足这样的需求。双根光纤构成的保偏耦合器要有好的消光比，要求两根光纤偏振主轴保持平行，保偏光纤在熔融拉伸过程中要始终保持两根光纤受力平衡，不发生微转动，这些都对系统稳定性有影响。中国专利“双芯光纤集成式加速度计及测量方法”(公开号CN 101368978)通过CCD来测量双芯光纤透射干涉条纹的变化来测量加速度，集成度大大提高，但对CCD的像素要求很高。中国专利“纤维集成式马赫曾德干涉仪及其制造方法”(公开号CN 101105555A)提出一种集成式光纤马赫——泽德干涉仪结构，但上述专利中所述的光纤及器件均为非保偏光纤及器件，光波在普通低双折射单模光纤中传输时偏振态的随机变化导致干涉信号的不稳定是至今难以有效克服的难题之一。一般由低双折射光纤做成的双束光纤干涉仪都无法避免由于光纤中光波偏振态随机变化引起的检测信号随机衰落，致使系统的稳定性变得很差。特别当光纤中两传感臂偏振态正交时，干涉仪的输出干涉信号为零。在相位调制型光纤传感器中，为减小光纤本身的相位和偏振态的扰动，应采用单模光纤，为使干涉光强的对比度最佳，要求信号臂和参考臂中的光波必须同相偏振。而胡永明等提出了利用保偏光纤的加速度计(中国激光，2005，32(10)：1382)，但其集成度不够。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有极大的温度稳定性，干涉信号稳定，集成化的基于马赫与泽德干涉仪的光纤加速度计。

本发明的目的是这样实现的：

包括光源、单芯保偏光纤、传感探头、双芯保偏光纤，和探测器；双芯保偏光纤的两端分别通过保偏光纤耦合器与单芯保偏光纤耦合连接；光源发出的光经单芯保偏光纤，利用保偏光纤1×2耦合器耦合分别耦合进双芯保偏光纤的两个纤芯，然后进入由双芯保偏光纤构成的马赫与泽德干涉仪传感探头；传感探头的两臂光在保偏光纤2×1耦合器处干涉，干涉后的信号经单芯保偏光纤后由探测器接收转换为电信号后进行数据处理；所述的保偏光纤耦合器由单芯保偏光纤和双芯保偏光纤耦合而成；所述的光纤传感探头是由中心为空气孔的熔嵌芯式双芯保偏光纤构成的马赫-泽德干涉仪构成的传感探头。

本发明还可以包括：

1、所述的传感探头包括与双芯保偏光纤固定连接的质量块，与双芯保偏光纤刚性连接的传感头外部壳体。

2、所述的传感头外部壳体为圆筒状，圆筒状的两端与双芯保偏光纤刚性连接。

3、所述的传感头外部壳体为片状，质量块两端的双芯保偏光纤分别通过夹具与片状外部壳体刚性连接。

4、所述的熔嵌芯式双芯保偏光纤是每个保偏芯均是单模保偏纤芯，纤芯是圆形或是椭圆形纤芯，两个纤芯偏振主轴方向相同。

5、所述的熔嵌芯式双芯保偏光纤材料可以是石英，塑料或聚合物。

6、所述的保偏光纤耦合器由单芯保偏光纤和和双芯保偏光纤耦合而成，是指单芯保偏光纤和双芯保偏光纤利用保偏光纤熔接机直接对接熔合构成的保偏光纤耦合器；或是对熔接后的光纤利用拉锥机在两光纤焊点处进行加热拉锥，在焊点处形成准锥形结构构成的保偏光纤耦合器。

本发明为了解决在制作全光纤加速度仪时，由于单模光纤极化引起的全光纤干涉仪的偏振态的衰减等技术难点，同时为了解决传感器的稳定性提高与成本之间的矛盾，提出了一种基于马赫——泽德干涉仪的光纤加速度计。

本发明的优势在于：1.利用双芯马赫——泽德干涉仪结构实现了加速度测量，有利于传感器小型化，集成化。2.利用保偏光纤构成马赫——泽德干涉仪，可以解决传统加速度计传感器因偏振态随机变化引起的稳定性问题。3.马赫——泽德是一种透射式干涉结构，没有返回光影响光源工作的问题，且具有两路互补信号输出的优点。4.由于处于双芯光纤中的两个干涉臂的光程差很小，因而对光源的相干性要求不高。

附图说明

图1为本发明基于马赫与泽德干涉仪的光纤加速度计结构图；

图2为本发明基于熔嵌芯式双芯保偏光纤截面图；

图3为本发明光纤加速度计传感探头内部结构；

图4为本发明双芯光纤均在外部壳体内的传感探头内部结构；

图5为本发明片状封装结构传感探头；

图6为本发明简支梁结构传感探头。

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：

图2为本发明基于熔嵌芯式双芯保偏光纤截面图；两个纤芯8具有相同的偏振主轴方向，光纤中心为空气孔10，两个纤芯8对称的嵌在包层9的内壁，每个纤芯8部分在包层中且小部分在空气孔10中。

实施例一：

图1为本发明基于马赫——泽德干涉仪的光纤加速度计系统结构图，光源1发出的光经单芯保偏单模光纤2，利用保偏光纤1×2耦合器3耦合分别耦合进熔嵌芯式双芯保偏光纤4的两个纤芯，然后进入由双芯保偏光纤构成的马赫——泽德干涉仪传感头。传感探头5是由一质量块11通过环氧树脂与双芯光纤4连接固定，质量块11用于感知外界加速度的变化，将双芯光纤4与传感头外部壳体12刚性连接构成的传感探头(图3)，或者是质量块11两端的双芯光纤分别与夹具13进行刚性固定，形成片状封装结构(图4)。两臂光在保偏光纤2×1耦合器6处干涉，干涉后的信号经保偏光纤2后由探测器7接受转换为电信号后进行数据处理，进而测量外界加速度。

其中保偏光纤1×2和2×1耦合器36，是采用熔融拉锥方法制作，单芯保偏光纤2与双芯保偏光纤4利用保偏光纤熔接机对接熔合，对接时单芯光纤2和双芯光纤4的偏振主轴方向相同，利用拉锥机将熔合后的光纤在焊点处进行加热拉锥，在焊点处形成准锥形光纤锥构成光纤耦合器36；

实施例二：

为减小外界微扰影响双芯光纤，可将马赫——泽德干涉仪整体置于外部壳体腔中。具体描述如下：光纤加速度计系统由光源1，单芯保偏光纤2，保偏光纤1×2耦合器3，传感探头5，双芯保偏光纤4，保偏光纤2×1耦合器6，探测器7依次连接组成。1×2耦合器3和2×1耦合器6是单芯光纤和双芯光纤利用保偏光纤熔接机直接对接熔合形成的，因熔接时双芯光纤中心空气孔塌陷，两纤芯侧面接触则可构成保偏光纤耦合器。传感头5是由双芯保偏光纤构成的马赫——泽德干涉仪组成，质量块11通过环氧树脂与双芯光纤4连接固定，将保护好的保偏光纤耦合器14与传感头外部壳体12刚性连接，构成的传感探头(图5)，此时马赫——泽德干涉仪整体置于外部壳体腔中。该加速度计具有稳定性高的优点。

实施例三：

光纤加速度计系统由光源1，单芯保偏光纤2，保偏光纤1×2耦合器3，传感探头5，双芯保偏光纤4，保偏光纤2×1耦合器6，探测器7依次连接组成。1×2耦合器3和2×1耦合器6是单芯光纤和双芯光纤利用保偏光纤熔接机直接对接熔合形成的，因熔接时双芯光纤中心空气孔塌陷，两纤芯侧面接触则可构成保偏光纤耦合器，熔合后需要进行封装。传感头5是由双芯保偏光纤构成的马赫——泽德干涉仪组成，干涉仪两端的单芯光纤2与传感头外部壳体12刚性连接，质量块11通过环氧树脂与双芯光纤4连接固定，在壳体内双芯光纤两端处增设两个支点15固定光纤，构成简支梁结构的传感探头(图6)。此时马赫——泽德干涉仪整体置于外部壳体腔中，具有很高的稳定性。

Claims (4)

1.一种基于马赫与泽德干涉仪的光纤加速度计，包括光源、单芯保偏光纤、传感探头、双芯保偏光纤和探测器；其特征是：双芯保偏光纤的两端分别通过保偏光纤耦合器与单芯保偏光纤耦合连接；光源发出的光经单芯保偏光纤，利用保偏光纤1×2耦合器耦合分别耦合进双芯保偏光纤的两个纤芯，然后进入由双芯保偏光纤构成的传感探头；传感探头的两臂光在保偏光纤2×1耦合器处干涉，干涉后的信号经单芯保偏光纤后由探测器接收转换为电信号后进行数据处理；所述的保偏光纤耦合器是由单芯保偏光纤和双芯保偏光纤利用保偏光纤熔接机对接熔合，对接时单芯保偏光纤和双芯保偏光纤的偏振主轴方向相同，利用拉锥机将熔合后的光纤在焊点处进行加热拉锥，在焊点处形成准锥形光纤锥构成保偏光纤耦合器；所述的传感探头是由中心为空气孔的熔嵌芯式双芯保偏光纤构成的马赫与泽德干涉仪构成的传感探头，两个纤芯对称的嵌在包层的内壁，每个纤芯部分在包层中且小部分在空气孔中；所述的传感探头包括与双芯保偏光纤固定连接的质量块，与双芯保偏光纤刚性连接的传感探头外部壳体；所述的双芯保偏光纤是每个保偏芯均是单模保偏纤芯，纤芯是椭圆形纤芯，两个纤芯偏振主轴方向相同。

2.根据权利要求1所述的基于马赫与泽德干涉仪的光纤加速度计，其特征是：所述的双芯保偏光纤材料是石英或塑料。

3.根据权利要求1或2所述的基于马赫与泽德干涉仪的光纤加速度计，其特征是：所述的传感探头外部壳体为圆筒状，圆筒状的两端与双芯保偏光纤刚性连接。

4.根据权利要求1或2所述的基于马赫与泽德干涉仪的光纤加速度计，其特征是：所述的传感探头外部壳体为片状，质量块两端的双芯保偏光纤分别通过夹具与片状外部壳体刚性连接。

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