專利名稱：基于四芯光纖的集成式二維光纖微加速度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光纖加速度計(jì)，特別是一種基于四芯光纖的集成式二維光纖 微加速度計(jì)。
背景技術(shù)：
加速度計(jì)是軍械、車輛、船舶等抗沖擊、抗振動(dòng)測(cè)量，地震檢測(cè)，慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系 統(tǒng)中常用的重要傳感器，其基本原理是在慣性空間設(shè)置一質(zhì)量塊，以感知被測(cè)件作加速度 運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力或位移，測(cè)量出此慣性力或位移即可測(cè)量出相應(yīng)的加速度。傳統(tǒng)加速 度計(jì)采用機(jī)電方法測(cè)量質(zhì)量塊的慣性力或位移，光纖加速計(jì)則采用光纖傳感技術(shù)測(cè)量質(zhì)量 塊的慣性力或位移。后者與前者相比，不但具有抗電磁干擾的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，而且體小質(zhì)輕，動(dòng) 態(tài)范圍寬，精度高，能在惡劣環(huán)境下工作，易于遠(yuǎn)距離組網(wǎng)探測(cè)，特別適用于要求高性能加 速度傳感的領(lǐng)域，因此倍受發(fā)達(dá)國(guó)家軍事與商業(yè)領(lǐng)域的青睞，各種可實(shí)用的光纖加速度傳 感器不斷涌現(xiàn)。光纖加速度傳感器的發(fā)展至今也有數(shù)十年的歷史了，目前光纖加速度計(jì)在原理上 主要有三大類光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型。傳統(tǒng)干涉型即相位 調(diào)制型光纖加速度傳感器常用的調(diào)制手段是Mach-Zehnder和Michelson結(jié)構(gòu)，含有兩臂， 一臂為參考臂，一臂為傳感臂，光經(jīng)過(guò)兩臂形成干涉，受力時(shí)干涉相位發(fā)生變化，進(jìn)而測(cè)得 待測(cè)量。但該方法目前很難把多維的信息提取出來(lái)，無(wú)法解決多維方向的加速度測(cè)量。美 國(guó)專利US 20090196543A1提供的加速度結(jié)構(gòu)要想實(shí)現(xiàn)多維測(cè)量也需要多個(gè)傳感器，集成 度也不高。中國(guó)專利“雙芯光纖集成式加速度計(jì)及測(cè)量方法”(公開號(hào)CN101368978)通 過(guò)CCD來(lái)測(cè)量雙芯光纖透射干涉條紋的變化來(lái)測(cè)量加速度，集成度大大提高，但對(duì)CCD的 像素要求很高。而帶有光纖光柵結(jié)構(gòu)的加速度傳感器，多數(shù)是光柵作為傳感單元的波長(zhǎng)調(diào) 制型(如中國(guó)專利 CN 101285845A、CN 101285846A、CN 101344533A、CN 2784933Y，美國(guó) 專利 US 20060236762A1)。Tuan Guo (OPTICS EXPRESS, 2009,17(23) 20651)等提出了集 成于一根光纖的基于傾斜光纖光柵的干涉型加速計(jì)，是系統(tǒng)集成度提高，但僅適合低維測(cè) 量。中國(guó)專利“光纖光柵三維加速度振動(dòng)傳感器”(公開號(hào)CN 101210937A)和美國(guó)專利US 20060219009A1是利用三根光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)三維加速度測(cè)量，該方法設(shè)計(jì)的探頭結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜， 不利于實(shí)際利用。Amanda Fender等報(bào)道了波長(zhǎng)調(diào)制型四芯光纖光柵式加速度傳感器，光纖 光柵作為傳感器件，但波長(zhǎng)調(diào)制型傳感器一般采用寬帶光源，利用傳感部分的選頻特性來(lái) 調(diào)制出射光的波長(zhǎng)，從而得到被測(cè)物理量的大小。但是光譜的變化占用了很寬的信道，且一 般需要光譜儀來(lái)解調(diào)，因此傳感頭和解調(diào)的費(fèi)用都很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)二維方向的加速度測(cè)量，精度高 的基于四芯光纖的集成式二維光纖微加速度計(jì)。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
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它由1310nm波長(zhǎng)的光源、1550nm波長(zhǎng)的光源、波分復(fù)用器(WDM)、環(huán)形器、單芯光 纖、光纖傳感探頭和雙檢測(cè)器連接組成；所述的光纖探頭包括一根由四個(gè)纖芯互成90度對(duì) 稱分布在光纖包層中構(gòu)成的四芯光纖、外部殼體、質(zhì)量塊和支架，每一纖芯都刻有作為反射 鏡的光纖光柵作，正交的兩個(gè)光纖光柵對(duì)的諧振波長(zhǎng)分別為1310nm和1550nm，四個(gè)纖芯構(gòu) 成雙Michelson干涉儀，單芯光纖與四芯光纖間利用光纖耦合器進(jìn)行連接，單芯光纖與外 部殼體剛性連接，質(zhì)量塊與四芯光纖連接固定，質(zhì)量塊固定于四個(gè)光纖光柵位置處，四芯光 纖通過(guò)支架與外部殼體固定。所述的四芯光纖的四個(gè)纖芯的纖芯之間具有一定間距，四個(gè)纖芯折射率和幾何參 數(shù)完全相同或正對(duì)著的兩根纖芯折射率和幾何參數(shù)相同。所述的四芯光纖是保偏光纖，相對(duì)著的兩個(gè)纖芯保偏方向相同，另兩個(gè)纖芯保偏 方向相同且與之正交。所述的單芯光纖與四芯光纖間利用光纖耦合器進(jìn)行連接，是單芯光纖和四芯光纖 利用光纖熔接機(jī)對(duì)接熔合，然后利用拉錐機(jī)將熔合后的光纖在焊點(diǎn)處進(jìn)行加熱拉錐，在焊 點(diǎn)處形成準(zhǔn)錐形光纖錐構(gòu)成光纖耦合器實(shí)現(xiàn)連接。所述的雙檢測(cè)器是分別是具有1310和1550nm的不同波長(zhǎng)的檢測(cè)器，其通過(guò)波分
復(fù)用器與環(huán)形器相連。所述的四芯光纖的四個(gè)纖芯對(duì)稱分布在包層中，纖芯間距較大彼此互不干擾。所述的光纖傳感探頭四芯光纖的光纖光柵是利用相位掩膜和振幅掩膜相結(jié)合的 方法進(jìn)行制備，將四個(gè)纖芯中相對(duì)著的兩個(gè)纖芯平行于掩模板放置，紫外光經(jīng)透鏡聚焦后 先經(jīng)制備1310nm光柵的相位掩模板衍射成平行的亮暗條紋后，經(jīng)過(guò)振幅掩模板后照射在 四芯光纖上，寫入一對(duì)光柵，然后將光纖旋轉(zhuǎn)90度，調(diào)換另一制備1550nm光柵的相位掩模 板，寫入下一對(duì)光柵。所述的振幅掩模板是5個(gè)纖芯寬左右的窄金屬薄片，或是具有兩條矩形鏤空的振 幅掩模板，矩形寬度為光纖芯直徑2-4倍左右，兩矩形間距為相對(duì)著的兩個(gè)纖芯的間距，鏤 空矩形間的掩模板的作用是防止刻入一對(duì)光柵時(shí)引起另一對(duì)光纖纖芯折射率的改變。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于1.利用四芯Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了加速度測(cè)量，利于 傳感器小型化，集成化。2.本發(fā)明利用光纖光柵進(jìn)行選頻反射對(duì)光源單色性要求較低，兩組 不同波長(zhǎng)的光纖光柵對(duì)可以實(shí)現(xiàn)二維方向的加速度測(cè)量。3.雙光柵對(duì)傳感探頭制作方法簡(jiǎn) 單，方便，可行。4.兩只光纖光柵參數(shù)相同，溫度變化引起的波長(zhǎng)改變量可以相互抵消，達(dá)到 了溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?br>

圖1為本發(fā)明四芯加速度計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明光纖加速度計(jì)探頭結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明單芯光纖和四芯光纖熔接拉錐示意圖；圖4本發(fā)明四芯光纖橫截面結(jié)構(gòu)圖；圖5本發(fā)光纖光柵制備結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述圖1為本發(fā)明四芯加速度計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，1310nm的光源1和1550nm的光源2經(jīng) 過(guò)波分復(fù)用器3后連接環(huán)形器4輸入端，環(huán)形器4第一個(gè)輸出端口與單芯單模光纖5連接， 單芯光纖5與光纖傳感探頭6連接，1310nm和1550nm探測(cè)器7、8通過(guò)另一個(gè)波分復(fù)用器3
與環(huán)形器4另一端口連接。光纖傳感探頭6的結(jié)構(gòu)和制作過(guò)程如下描述圖4給出了本發(fā)明的四芯光纖的橫截面結(jié)構(gòu)圖；纖芯20-23對(duì)稱的分布于光纖包 層19中。首先結(jié)合圖5制備兩對(duì)光纖光柵對(duì)，將四芯光纖9相對(duì)著的兩根纖芯20、21所成 平面調(diào)成平行于振幅掩模板27放置，振幅掩模板兩個(gè)鏤空矩形平行于纖芯方向且將兩個(gè) 纖芯20、21的位置露出，紫外光24經(jīng)透鏡25聚焦后先經(jīng)過(guò)制備1310nm光柵的相位掩模板 26衍射成平行的亮暗條紋后，再次經(jīng)過(guò)振幅掩模板27后照射在四芯光纖上，寫入一對(duì)光柵 11、12，然后將光纖旋轉(zhuǎn)90度，調(diào)換制備1550nm光柵的相位掩模板，在纖芯22、23上寫入下 一對(duì)光柵13、14。光柵寫入完成后制作傳感探頭6，將質(zhì)量塊15固定于兩個(gè)光柵對(duì)處，質(zhì)量 塊15用于感知外界加速度的變化，將四芯光纖9與單芯光纖5利用光纖熔接機(jī)對(duì)接熔合， 利用拉錐機(jī)將熔合后的光纖在焊點(diǎn)處進(jìn)行加熱拉錐，在焊點(diǎn)處形成準(zhǔn)錐形光纖錐18構(gòu)成 光纖耦合器10。單芯光纖5與外部殼體16剛性連接，四芯光纖9利用支架17進(jìn)行固定。 完成整個(gè)光纖傳感探頭的制作。加速度工作原理描述如下1310nm的光源1和1550nm的光源2發(fā)出的光經(jīng)波分復(fù)用器3復(fù)用后進(jìn)入光環(huán)形器 4，通過(guò)光環(huán)形器4的輸出端進(jìn)入單模光纖5后，通過(guò)耦合器10進(jìn)入四芯光纖構(gòu)成的傳感頭 6中，因四芯光纖刻有諧振波長(zhǎng)分別為1310nm的光纖光柵對(duì)11、12和1550nm的光纖光柵對(duì) 13、14，光纖光柵11、12構(gòu)成的平面與光纖光柵13、14構(gòu)成的平面正交，光纖光柵11、12和 光纖光柵13和14分別反射1310nm和1550nm的光，反射光按原路徑返回后在耦合器10處 干涉，構(gòu)成雙Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)，反射回的光經(jīng)環(huán)形器4后由另一端口出射，出射后的 光經(jīng)過(guò)另一波分復(fù)用器3后解復(fù)用，由1310nm和1550nm不同波長(zhǎng)的檢測(cè)器接收進(jìn)行數(shù)據(jù) 處理，進(jìn)而測(cè)量待測(cè)量。當(dāng)外界施加一定加速度時(shí)，因質(zhì)量塊固定于光柵處，光柵反射波長(zhǎng) 不會(huì)改變，但發(fā)生干涉的兩臂光程會(huì)有變化，從而導(dǎo)致干涉條紋變化，進(jìn)而測(cè)量加速度。不 同諧振波長(zhǎng)的光柵可以把正交的二維加速度信息提取出來(lái)，實(shí)現(xiàn)二維加速度的測(cè)量。
權(quán)利要求
一種基于四芯光纖的集成式二維光纖微加速度計(jì)，它由1310nm波長(zhǎng)的光源、1550nm波長(zhǎng)的光源、波分復(fù)用器、環(huán)形器、單芯光纖、光纖傳感探頭和雙檢測(cè)器連接組成；其特征是所述的光纖探頭包括一根由四個(gè)纖芯互成90度對(duì)稱分布在光纖包層中構(gòu)成的四芯光纖、外部殼體、質(zhì)量塊和支架，每一纖芯都刻有作為反射鏡的光纖光柵作，正交的兩個(gè)光纖光柵對(duì)的諧振波長(zhǎng)分別為1310nm和1550nm，四個(gè)纖芯構(gòu)成雙Michelson干涉儀，單芯光纖與四芯光纖間利用光纖耦合器進(jìn)行連接，單芯光纖與外部殼體剛性連接，質(zhì)量塊與四芯光纖連接固定，質(zhì)量塊固定于四個(gè)光纖光柵位置處，四芯光纖通過(guò)支架與外部殼體固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四芯光纖的集成式二維光纖微加速度計(jì)，其特征是所 述的四芯光纖的四個(gè)纖芯的纖芯之間具有一定間距，四個(gè)纖芯折射率和幾何參數(shù)完全相 同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四芯光纖的集成式二維光纖微加速度計(jì)，其特征是所 述的四芯光纖的四個(gè)纖芯的纖芯之間具有一定間距，正對(duì)著的兩根纖芯折射率和幾何參數(shù) 相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于四芯光纖的集成式二維光纖微加速度計(jì)，其特征 是所述的四芯光纖是保偏光纖，相對(duì)著的兩個(gè)纖芯保偏方向相同，另兩個(gè)纖芯保偏方向相 同且與之正交。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于四芯光纖的集成式二維光纖微加速度計(jì)，其特征 是所述的單芯光纖與四芯光纖間利用光纖耦合器進(jìn)行連接，是單芯光纖和四芯光纖利用 光纖熔接機(jī)對(duì)接熔合，然后利用拉錐機(jī)將熔合后的光纖在焊點(diǎn)處進(jìn)行加熱拉錐，在焊點(diǎn)處 形成準(zhǔn)錐形光纖錐構(gòu)成光纖耦合器實(shí)現(xiàn)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于四芯光纖的集成式二維光纖微加速度計(jì)，其特征是所 述的單芯光纖與四芯光纖間利用光纖耦合器進(jìn)行連接，是單芯光纖和四芯光纖利用光纖熔 接機(jī)對(duì)接熔合，然后利用拉錐機(jī)將熔合后的光纖在焊點(diǎn)處進(jìn)行加熱拉錐，在焊點(diǎn)處形成準(zhǔn) 錐形光纖錐構(gòu)成光纖耦合器實(shí)現(xiàn)連接。
全文摘要
本發(fā)明提供的是基于四芯光纖的集成式二維光纖微加速度計(jì)。它由1310nm與1550nm波長(zhǎng)的光源、波分復(fù)用器、環(huán)形器、單芯光纖、光纖傳感探頭和雙檢測(cè)器連接組成；光纖探頭包括一根四芯光纖、外部殼體、質(zhì)量塊和支架，每一纖芯都刻有作為反射鏡的光纖光柵作，正交的兩個(gè)光纖光柵對(duì)的諧振波長(zhǎng)分別為1310nm和1550nm，單芯光纖與四芯光纖間利用光纖耦合器進(jìn)行連接，單芯光纖與殼體剛性連接，質(zhì)量塊與四芯光纖連接固定，質(zhì)量塊固定于四個(gè)光纖光柵位置處，四芯光纖通過(guò)支架與外部殼體固定。本發(fā)明利于傳感器小型化，集成化；可以實(shí)現(xiàn)二維方向的加速度測(cè)量；制作方法簡(jiǎn)單，方便，可行；可達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?br> 文檔編號(hào)G01P15/03GK101858926SQ20101017309
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月17日
發(fā)明者關(guān)春穎, 楊軍, 苑立波 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)