一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器制造技术

一种光纤迈克尔逊干涉式加速度传感器，包括筒体、上限位销、第一准直器、光耦合器、下限位销、质量块、第二准直器、环形磁体；光隔离器、激光光源、光电探测器和相位解调电路。本发明专利技术将质量块设计成迈克尔逊干涉仪自由空间光路的一部分，利用静磁排磁通效应将质量块置于悬浮状态，将外界加速度变化转化为质量块的微小位移，再通过差分式光纤迈克尔逊干涉装置检测质量块位移引起的相位变化，实时解调传感器的加速度变化。该传感器采用磁悬浮方式规避机械阻尼的影响，引入双反射法拉第旋光结构消除偏正衰落的影响，具有灵敏度高，稳定性好，体积小，制作简单等优点，具有较好的应用前景。

A Michelson interferometric fiber optic acceleration sensor

A fiber Michelson interference acceleration sensor, which comprises a cylinder body, the upper limit pin, the first collimator, an optical coupler, a limit pin, a mass block, second collimator, ring magnets; optical isolator, laser light source, photoelectric detector and phase demodulation circuit. The quality block is designed into Michelson interferometer free space optical part, by using the static magnetic flux effect will exhaust mass is placed in a suspended state, the outside acceleration change into small displacement mass, phase change by differential optical fiber Michelson interferometer measuring mass displacement caused by the change of acceleration in real time sensor demodulation. The sensor adopts maglev mode to avoid mechanical damping, the double reflection of Faraday rotation structure to eliminate the effect of partial fading, with high sensitivity, good stability, small volume, simple manufacture and other advantages, has a good application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器
本专利技术涉及加速度传感器，具体而言是一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器。
技术介绍
光纤加速度传感器与常规加速度传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性等方面有明显的优势，广泛应用于国防、军事等领域。目前，大多数光纤加速度传感器是利用弹性元件和质量块将外界加速度转化为位移或应变，再将位移或者应变传导到传感光纤上，使传感光纤中信号的光波长、相位等参量发生变化，通过解调光学参量的变化，获取外界的加速度。如专利“一种悬臂梁式光纤光栅加速度计”(申请号：200710065321.X)、“基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计”(申请号：200710065322.X)等采用了悬臂梁式的机械结构，将加速度转化为光栅的波长变化后再进行检测。而专利“一种光纤加速度计”(申请号：201510519101.4)、“一种基于迈克尔逊干涉仪垂直振动位移传感器”(申请号：201310018899.5)中虽然采用干涉型相位传感技术检测加速度或者位移，但仍然需要机械结构作为敏感元件，传感器的灵敏度不高，重复性差。因此，如何充分发挥干涉型相位传感器优势，降低机械结构的影响，是高灵敏度加速度传感器设计需要考虑的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器，克服了传统光纤加速度传感器中机械结构对灵敏度的影响，将质量块设计成迈克尔逊干涉仪自由空间光路的一部分，采用静磁悬浮技术规避机械阻尼的影响，将加速度作用转换为干涉仪臂长的差动变化，降低外界环境的干扰，提高传感器的灵敏度。本专利技术采取的技术方案为：一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器,其特征在于：包括筒体、上限位销、第一准直器、光耦合器、下限位销、质量块、第二准直器、环形磁体。筒体正上方固定安装第一准直器，正下方固定安装第二准直器，质量块悬浮于筒体的内部，与第一准直器、第二准直器具有相等的距离。质量块用于调整加速度传感器的灵敏度和谐振频率，反射来自第一准直器、第二准直器入射光，并使光的偏振态顺时针旋转90°。第一准直器、第二准直器连接光耦合器，光耦合器、第一准直器、质量块的上反射面以及两者之间的自由空间光路，构成第一迈克尔逊干涉臂；光耦合器、第二准直器、质量块的下反射面以及两者之间的自由空间光路，构成第二迈克尔逊干涉臂。筒体内设有环形磁体，环形磁体用于产生静态磁场，利用排磁通效应使质量块处于悬浮态。筒体上设有上限位销，用于限制质量块向上运动的最大行程，筒体上设有下限位销，用于限制质量块向下运动的最大行程；优选地，质量块由磁环、第一法拉第旋光镜、第二法拉第旋光镜构成，法拉第旋光镜两侧面分别镀高反膜和增透膜，第一法拉第旋光镜高反膜面与第二法拉第旋光镜高反膜面叠装，再点胶固化在磁环内。法拉第磁环的双面反射结构设计，方便对迈克尔逊干涉仪的光程变化进行差分检测，与此同时，当光信号入射进法拉第旋光镜后，法拉第旋光镜的磁光效应使信号光的偏振态顺时针旋转45°，反射后再旋转45°，总计旋转90°。则正向入射光与反向反射光在坐标方向的偏振变化反向，产生的偏振衰落相互抵消，从而有效消除偏振衰落的影响，改善信噪比。优选地，磁环产生饱和磁场，保证法拉第旋光镜产生磁光效应，将入射并反射的光偏振态旋转90°，并与环形磁体产生排磁通效应，使所述质量块处于一维的自由悬浮状态。由于法拉第旋光镜需要在磁场的作用下才能产生磁光效应，且工作在饱和磁场区域，在传感器上设计环形磁体，利用排磁通效应使质量块处于悬浮状态，既不会影响旋光效果，又减小了质量块因机械接触导致的灵敏度降低。优选地，光耦合器连接光隔离器，光隔离器连接激光光源；光耦合器连接光电探测器，光电探测器连接相位解调电路。这种构成了一个双臂包含自由光路的迈克尔逊干涉仪，能更加灵敏的检测振动等参量。优选地，一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器的加速度测量方法，激光光源的连续光信号经过光隔离器后进入光耦合器，被分成功率相等的两束光分别进入第一迈克尔逊干涉臂、第二迈克尔逊干涉臂，当加速度传感器的环境加速度恒定时，静磁作用力使得质量块处于磁悬浮状态，通过灵活调节的质量块处于平衡状态，干涉仪的两臂相差稳定；当环境加速度变化时，质量块在上限位销和下限位销的范围内起振，质量块与两个准直器之间的距离发生变化，干涉仪的第一迈克尔逊干涉臂、第二迈克尔逊干涉臂反向差动变化，经过光电探测器探测后，采用3*3耦合器解调法或者PGC解调法实时解调传感系统的相位变化，即可获得质量块的加速度。优选地，一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器的加速度测量方法，其特征在于：加速度引起质量块(6)的位移△x改变，进而产生的相差△φ为：其中，λ为激光光源的中心波长。这种设计，使加速度产生的位移变化对光程的改变提升到传统干涉式传感器的4倍，且让迈克尔逊干涉仪的两臂同时参与传感，且通过调节质量块的配重，将迈克尔逊干涉仪的两臂长调节到相等，当加速度作用时，两臂长产生差分变化，有效减小温度、激光光源噪声等的影响，改善干涉仪的性能。本专利技术一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器,技术效果如下：(1)灵敏度高，稳定性好。采用静磁悬浮方式，使质量块处于重力和磁场悬浮力的平衡态，避免了传统加速度传感器机械摩擦对灵敏度的影响，提高了传感器的灵敏度；质量块中的两个法拉第旋光镜与准直器构成光纤迈克尔逊干涉仪的两臂，有效减小偏振衰落噪声的影响；与此同时，质量块引起干涉仪臂长差的差动变化，灵敏度提高2倍，也消除或减小了温度、光源噪声等的影响，稳定性好。相位检测可以采用成熟的3*3耦合器方法解调，技术成熟，频率检测范围宽。(2)体积小，结构简单。传感器直径可以做到几个mm，长度约20mm的管状结构，体积小，安装方便；环形磁体、法拉第旋光镜、磁环可以选用工业产品，组装方便。(3)无源，方便远程检测。传感器无需供电，传感器灵敏度与传输光纤的长度相关性小，便于远程检测。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术的质量块的结构示意图。具体实施方式如图1、图2所示，一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器,包括筒体1、上限位销2、第一准直器3、光耦合器4、下限位销5、质量块6、第二准直器7、环形磁体8。筒体1正上方固定安装第一准直器3，正下方固定安装第二准直器7，质量块6悬浮于筒体1的内部，与第一准直器3、第二准直器7具有相等的距离。质量块6用于调整加速度传感器的灵敏度和谐振频率，反射来自第一准直器3、第二准直器7的入射光，并使光的偏振态顺时针旋转90°。第一准直器3、第二准直器7连接光耦合器4，光耦合器4、第一准直器3、质量块6的上反射面以及两者之间的自由空间光路，构成第一迈克尔逊干涉臂；光耦合器4、第二准直器7、质量块6的下反射面以及两者之间的自由空间光路，构成第二迈克尔逊干涉臂。筒体1内设有环形磁体8，环形磁体用于产生静态磁场，利用排磁通效应使质量块处于悬浮态。筒体1上设有上限位销2，用于限制质量块6向上运动的最大行程，筒体1上设有下限位销5，用于限制质量块6向下运动的最大行程；质量块6由磁环601、第一法拉第旋光镜602、第二法拉第旋光镜603构成，如图2所示，所述法拉第旋光镜两侧面分别镀高反膜和增透膜，第一法拉第旋光镜602高反膜面与第二法拉第旋光镜603高反膜面叠装，再点胶固化在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器,其特征在于：包括筒体(1)、上限位销(2)、第一准直器(3)、光耦合器(4)、下限位销(5)、质量块(6)、第二准直器(7)、环形磁体(8)；筒体(1)正上方固定安装第一准直器(3)，正下方固定安装第二准直器(7)，质量块(6)悬浮于筒体(1)的内部，与第一准直器(3)、第二准直器(7)具有相等的距离。质量块(6)用于调整加速度传感器的灵敏度和谐振频率，反射来自第一准直器(3)、第二准直器(7)入射光，并使光的偏振态顺时针旋转90°。第一准直器(3)、第二准直器(7)连接光耦合器(4)，光耦合器(4)、第一准直器(3)、质量块(6)的上反射面以及两者之间的自由空间光路，构成第一迈克尔逊干涉臂；光耦合器(4)、第二准直器(7)、质量块(6)的下反射面以及两者之间的自由空间光路，构成第二迈克尔逊干涉臂。筒体(1)内设有环形磁体(8)，环形磁体(8)用于产生静态磁场，利用排磁通效应使质量块(6)处于悬浮态。筒体(1)上设有上限位销(2)，用于限制质量块(6)向上运动的最大行程，筒体(1)上设有下限位销(5)，用于限制质量块(6)向下运动的最大行程。

【技术特征摘要】
1.一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器,其特征在于：包括筒体(1)、上限位销(2)、第一准直器(3)、光耦合器(4)、下限位销(5)、质量块(6)、第二准直器(7)、环形磁体(8)；筒体(1)正上方固定安装第一准直器(3)，正下方固定安装第二准直器(7)，质量块(6)悬浮于筒体(1)的内部，与第一准直器(3)、第二准直器(7)具有相等的距离。质量块(6)用于调整加速度传感器的灵敏度和谐振频率，反射来自第一准直器(3)、第二准直器(7)入射光，并使光的偏振态顺时针旋转90°。第一准直器(3)、第二准直器(7)连接光耦合器(4)，光耦合器(4)、第一准直器(3)、质量块(6)的上反射面以及两者之间的自由空间光路，构成第一迈克尔逊干涉臂；光耦合器(4)、第二准直器(7)、质量块(6)的下反射面以及两者之间的自由空间光路，构成第二迈克尔逊干涉臂。筒体(1)内设有环形磁体(8)，环形磁体(8)用于产生静态磁场，利用排磁通效应使质量块(6)处于悬浮态。筒体(1)上设有上限位销(2)，用于限制质量块(6)向上运动的最大行程，筒体(1)上设有下限位销(5)，用于限制质量块(6)向下运动的最大行程。2.根据权利要求1所述一种迈克尔逊干涉式光纤加速度传感器,其特征在于：所述质量块(6)由磁环(601)、第一法拉第旋光镜(602)、第二法拉第旋光镜(603)构成，所述法拉第旋光镜两侧面分别镀高反膜和增透膜，第一法拉第旋光镜(602)高反膜面与第二法拉第旋光镜(603)高反膜面叠装，再点胶固化在磁环(601)内。3.根据权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗志会，陈思，王凤钧，陈小刚，潘礼庆，杨先卫，肖焱山，王习东，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42