[發明專利]基于加速度傳感器獲取加速度信號的方法、加速度傳感器

在審

• 申請號: 201410375008.6
• 申請日: 2014-07-31
• 公開（公告）號: CN104166014A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 張敏;王笑非;周宏樸
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01P15/03
• 分類號: G01P15/03
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 李相雨

技術領域

本發明涉及加速度傳感技術領域，尤其涉及一種基于加速度傳感器獲取加速度信號的方法、加速度傳感器。

背景技術

加速度傳感器將外界的加速度信息轉化為更易測量的電信號信息和光信號信息，廣泛的應用于地質勘探，石油開采，大型建筑健康狀況監測，交通狀況監測等領域，是一類與日程生活和工業生產息息相關的傳感器。

傳統加速度傳感器主要采用電基結構，例如壓電效應等，除靈敏度較低等缺點外，其在極端環境中(例如高溫高壓環境等)的生存能力較差。與傳統壓電傳感器相比，光纖加速度傳感器具有高靈敏度，高動態范圍，極端環境生存能力強以及抗電磁干擾能力強等優點，是近年來比較受歡迎的一種加速度傳感器。

光纖加速度傳感器一般基于干涉儀原理，將外界加速度信息轉化為光的相位信息，配合高精度相位解調方法實現高靈敏度加速度信息解調。常用的傳感器有基于雙順變柱體的推挽式加速度傳感器，盤式加速度傳感器。

推挽式傳感器可實現高達10⁴rad/g的加速度靈敏度，但其帶寬一般較窄，上限為400Hz，此外由于順變柱體中常用的橡膠等材料的穩定性差，傳感器的壽命受到大大影響；盤式傳感器的帶寬一般很寬，其上限可達2500Hz，但靈敏度一般小于40rad/g(參考Moro?E?A,Todd?M?D,Puckett?A.A?performance?comparison?of?transducer?designs?for?interferometric?fiber?optic?accelerometers[C]//SPIE?Smart?Structures?and?Materials+Nondestructive?Evaluation?and?Health?Monitoring.International?Society?for?Optics?and?Photonics,2010:76480G-76480G-12.)。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術的不足，如何提供一種新的基于彈性筒的光纖加速度傳感器結構，以在保證100rad/g的高靈敏度前提下，大幅度提高傳感器的帶寬的關鍵問題。

為此目的，本發明提出了一種基于加速度傳感器獲取加速度信號的方法，包括具體以下步驟：

S1：激光通過端口輸入耦合器中，并將所述激光分為等光強的兩束光；

S2：所述等光強的兩束光分別進入參考光纖與傳感光纖；

S3：當傳感器所處的加速度環境發生變化時，加速度信號轉化為質量塊的振動；

S4：所述質量塊的振動使彈性筒的壓縮狀態產生改變，以及使傳感光纖發生形變，其中，所述傳感光纖與所述參考光纖之間存在相位差；

S5：通過相位測量電路獲取相位差信息，并通過分析所述相位差的變化獲取加速度信號。

進一步地，所述傳感光纖與所述參考光纖之間的相位差根據所述傳感器光纖的形變產生變化。

為此目的，本發明還提出了一種加速度傳感器，包括：質量塊、芯軸、彈性筒、參考光纖、傳感光纖、匹配光纖、反射單元、緊固螺絲、壓環以及耦合器；

其中，所述質量塊套在與底座相連的所述芯軸上；所述彈性筒，用于提供主要恢復力，其中，所述彈性筒為柱形結構，位于所述質量塊與所述底座之間；所述參考光纖纏繞在所述壓環上，其中，所述壓環通過所述緊固螺絲與所述芯軸相連；所述壓環，用于固定傳感器高度，并向所述質量塊提供預設值壓力；所述耦合器固定在所述芯軸內部的通孔中；所述反射單元固定在所述底座底部與所述壓環底部。

進一步地，所述傳感光纖包括：實際傳感部分與長度匹配部分，其中，所述實際傳感部分纏繞在所述彈性筒上，所述長度匹配部分纏繞在所述底座上。

進一步地，所述長度匹配部分，用于匹配兩個反射光之間的時間延遲關系，其中所述兩個反射光為通過端口輸入所述耦合器中的激光被分為所述等光強的兩束光。

進一步地，所述彈性筒的材料為塑料材料、金屬材料或其他耐高溫材料。

進一步地，所述反射單元采用法拉第旋鏡、光纖布拉格光柵和/或光纖末端鍍膜。