[實用新型]一種采用光纖光柵的加速度傳感器

有效

• 申請號: 201320709411.9
• 申請日: 2013-11-11
• 公開（公告）號: CN203658394U
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 董小華
• 申請（專利權）人: 董小華
• 主分類號: G01P15/093
• 分類號: G01P15/093
• 代理公司: 廈門市首創君合專利事務所有限公司 35204
• 代理人: 張松亭

技術領域

本實用新型涉及一種光纖加速度傳感器，尤其涉及一種采用光纖光柵的加速度傳感器。

背景技術

光纖傳感器以其不受電磁干擾、易于復用、可遠距離傳感等優點，已廣泛應用于土木工程、交通運輸、智能電網、石油化工、軍事國防等領域。特別地，通過在光纖芯區寫入不同中心波長的布拉格(Bragg)光柵，利用光纖光柵波長會受環境溫度和應變的影響而改變這一原理，可以在單一光纖上實現多個傳感器的復用，大大簡化了傳感器傳輸線的布設和安裝，具有傳統傳感技術無法比擬的優勢。目前，基于光纖Bragg光柵的工作原理已設計出溫度、應變、和加速度等多種光纖傳感器。

光纖Bragg光柵(Fiber?Bragg?Grating,FBG)傳感器的工作原理是：若在單模光纖芯區沿軸向引入周期為Λ的折射率變化，當Λ滿足一定條件時這種周期變化的折射率會導致光纖中正向傳輸的基模與反向傳輸的模式發生耦合。滿足耦合條件的光波長λ_B可由下式表示：

λ_B＝2n_effΛ

其中n_eff是光纖基模對應的等效折射率。由于環境溫度和應變會分別導致n_eff和Λ的變化，因此，通過監測光纖中反向傳輸的光信號波長，就可以得到FBG所處位置的溫度和應變。

采用FBG檢測物體加速度時，通常將FBG粘貼在一個端頭接有質量塊m的懸臂梁上。當質量塊m以加速度a運動時，懸臂梁在F=m?a的力作用下產生應變，使FBG的波長發生變化。由于懸臂梁上、下兩個表面在力F作用下產生大小相等、方向相反的正、負應變，因此將兩只FBG分別貼在懸臂梁的上、下表面可以使它們的中心波長分別增大和減小，通過計算兩個中心波長的差值可以提高靈敏度和消除溫度對檢測結果的影響（如劉欽朋,喬學光等人：“雙光柵π相位差溫度不敏感加速度傳感技術研究”，中國激光，第38卷第2期）。這種借助金屬或其它彈性材料懸臂梁的光纖光柵加速度傳感方案需要使用強力膠將1或2只FBG粘貼在懸臂梁的拉伸或壓縮表面，長期使用下膠有可能產生蠕變和粘接牢度下降，影響測量結果的準確性；另一方面，粘貼在懸臂梁上、下表面的兩只不同FBG的溫度系數或在環境中所受溫度均可能不同，兩個波長相減不能完全消除溫度對測量結果的影響。

實用新型內容

本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種體積小、靈敏度高、測量頻率范圍寬、成本低、溫度穩定性好、傳感頭制作工藝簡單的采用光纖光柵的加速度傳感器。

為了解決上述的技術問題，本實用新型提供的一種光纖加速度傳感器，包括寬帶光源、單模光纖、單模光纖耦合器、光纖傳感頭、光纖接頭、FBG波長變化檢測單元，其特征在于，所述光纖傳感頭為至少兩芯光纖Bragg光柵。

作為優選，所述光纖Bragg光柵的一個芯子的圓心位于光纖橫截面中心位置，其余芯子的圓心分別位于偏心位置。

作為優選，所述光纖Bragg光柵的所有芯子的圓心分別位于偏心位置。

作為優選，所述寬帶光源為ASE光源。

作為優選，所述寬帶光源為半導體超輻射發光二極管SLED。

作為優選，所述FBG波長變化檢測單元為高速光譜分析儀。

作為優選，所述FBG波長變化檢測單元為邊沿濾波器與光電探測器的組合。

作為優選，所述單模光纖耦合器分光比為50:50。

作為優選，所述光纖傳感頭的一端固定于傳感頭基座，另一端連接有質量塊m。

本實用新型提供的一種光纖加速度傳感器，利用光纖中處于偏心位置的FBG對彎曲敏感，而處于中心位置的FBG對彎曲不敏感這一特點，無需使用膠將光纖粘貼在其它材料制作的懸臂梁上，所有芯子均處于光纖內部在同一個溫度場內（因此具有高度一致的溫度與溫度系數），與其它方式制作的加速度傳感器相比具有體積小、靈敏度高、可靠性好、測量范圍寬、成本低、溫度穩定性好、制作工藝較簡單等優點，在加速度測量領域有較高的實際應用價值。

附圖說明

圖1為本實用新型優選實施例的裝置圖。

圖2（a）為本實用新型的優選實施例中雙芯光纖的橫截面示意圖。

圖2（b）為本實用新型的優選實施例中雙芯光纖的軸向透視圖。

圖3為處于偏心位置的FBG中心波長隨彎曲半徑變化的仿真計算曲線。d為光纖內芯子的中心離彎曲光纖中性層的距離。

圖4為雙芯光纖光柵的加速度傳感器實測的振動曲線。