一种同时测量轴向加速度与水平旋转角速度的光纤传感装置制造方法及图纸

本发明专利技术设计属于光纤干涉仪测量领域，具体涉及到一种同时测量轴向加速度与水平旋转角速度的光纤传感装置。本发明专利技术包括传感光路20，传感壳体10与光源采集卡；传感光路20中，宽谱光输入211连接至环形器231a端口；环形器231的b、c端口分别连接至1号探测器201与第一耦合器221的一个输入端；第一耦合器221的另一个输入端连接至窄线宽激光输入212。本发明专利技术将迈克尔逊干涉仪与萨格纳克干涉仪复用，同时完成对旋转速度与垂直方向加速度的测量。体积小，质量轻，相比于传统的加速度计与旋转速度测量装置，更便于布设安装。依托光纤相位调制解调方法，将被测物理量转换成干涉仪的相位变化，具有更高的灵敏度与动态范围。

Optical fiber sensing device for simultaneously measuring axial acceleration and horizontal rotation angular velocity

The invention belongs to the field of optical fiber interferometer measurement, in particular relates to an optical fiber sensing device for simultaneously measuring axial acceleration and horizontal rotation angular velocity. The invention includes a sensing optical sensor 20, a shell 10 and a light source acquisition card; sensing optical path 20, wide spectrum optical input 211 connected to the 231a port of the circulator circulator; 231 B and C port are respectively connected to the 1 spacecraft in 201 and the first coupler 221 an input end of the first coupler; another the 221 input end is connected to the narrow linewidth laser input 212. The invention of Michelson interferometer and Sagnac interferometer to measure the acceleration and reuse, rotation speed and vertical direction. Small in size and light in weight, it is more convenient for layout and installation than the traditional accelerometer and rotary speed measuring device. Based on fiber phase modulation demodulation method, the measured physical quantity is changed into phase change of interferometer, which has higher sensitivity and dynamic range.

【技术实现步骤摘要】
一种同时测量轴向加速度与水平旋转角速度的光纤传感装置
本专利技术设计属于光纤干涉仪测量领域，具体涉及到一种同时测量轴向加速度与水平旋转角速度的光纤传感装置。
技术介绍
地震测量作为关系到国计民生的测量领域，自张衡专利技术第一台地震仪以来，已有上百年历史。传统对地震的认识是建立在弹性模型基础上，人们认为地震波是一种具有能量很强的弹性运动，即横波。但是在大地震的极震区，偶尔会看到一些建筑物发生旋转错位，最大扭动角度可达30度左右。人们开始怀疑在地下传输的横波中混有一定旋转方向的扭动力，传统的地震教科书里面不认为旋转波可以穿过岩石，所以这种旋转现象在起初在2003年被波兰科学院的RomanTeisseyre解释为，地震横波与穿透物体之间的内在相互作用。直到2009年，同样是波兰科学学院GórskiM证明了，由于非对称应力的作用，旋转波可以在有空洞，缺陷甚至内部完整的岩石中传播。实际上，这种旋转现象早在1976年就被波兰地震局有效记录，此时只有很少部分的人研究旋转波的研究。在弹性模型中，即横波场模型，对于某一方向的形变量我们通常用梯度来表示，然而对于旋转矢量场，就必须引入旋转梯度作为旋转波的衡量单位。1968年，日本的渡边晃使用两根钢管构成的直角磁感应线圈测量其对应x，y两个分量方向的位移，从而通过求解输出电压对位移的微分求矢量和计算得到旋转波大小。1979年Tokmakob同样利用相距为L的两根铁管构成磁感线圈，相对于线圈中间产生的磁场变化测得不同方向的梯度值，通过矢量合成求解得到旋转波大小。对于以上方法属于间接求解旋转的方法，其中或多或少都会有些干扰误差，不能测量到物体的绝对旋转速度。对于横波分量方向，位移，速度以及加速度的测量是使用机械摆，通过拾震摆来测得以上物理量的大小。按照这个思路，对于旋转的测量同样可以设计旋转摆，2009年福建地震局的蔡乃成等人提出了一种旋转惯性摆的结构，该摆由钢丝水平悬吊，垂直径向方向拉紧，使其只能做旋转运动而不能做水平运动，通过该方法连接周围的电容传感器从而测量到了该物体的旋转速度。对于以上传统的机械部件，体积大，布设难，应用条件苛刻等问题无疑会暴露出来。该摆在测量旋转速度的同时屏蔽了轴向横波的干扰，为了减少测量误差。对于旋转速度的测量，波兰华沙应用物理研究所率先采用光纤方法测量地震中物体的旋转速度。该方案借鉴于传统的光纤陀螺，光纤陀螺作为光纤传感领域内比较成熟的角速度测量传感器，具有精度高，轻巧耐用，造价低廉等优势。该旋转地震测量仪使用萨格纳克干涉仪作为旋转探测光路，辅助以GPS/GSM等通信方案实现对设备的无线数据传输与数据采集。国内对于旋转波测量的传感器，数量不多，德国的B施密特在中国申请一篇专利-具有线性和旋转地震元件的双轴、抗震旋转速率传感器(CN201080040102.6)，利用两个质量块与弹簧构成的x，y坐标系求解旋转速度。基于以上分析，本专利公开一种同时测量轴向加速度与水平旋转角速度的光纤传感装置。本装置结合传统的光纤陀螺与马赫泽德干涉仪，将两个干涉仪在光路上进行复用，既减小了体积，同时增加了测量功能。对于轴向加速度的测量，哈尔滨工程大学杨军，吴冰等人提出多种光纤应变，位移测量方案。如一种超短基线顺变柱体结构光纤位移传感器及光纤应变仪(CN201210381978.8)，一种短基线差分式激光应变测量仪(CN201210381976.9)，一种超短基线差分盘式光纤位移传感器及光纤应变仪(CN201210381977.3)等，以上专利阐述了如何利用迈克尔逊干涉仪测量地震波产生的应变，轴向加速度，其应变测量分辨率(10-11～10-12ε)，动态范围大于180dB，在此基础上，将萨格纳克干涉仪与马赫泽德干涉仪进行光路复用，此时可以利用光纤陀螺原理测量传感器的旋转速度，对比当前光纤陀螺测量精度，其角速度测量分辨率为10-9rad/s。该方案在大规模阵列式地震测量领域内有广阔的发展空间与应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种同时测量轴向加速度与水平旋转角速度的光纤传感装置。本专利技术的目的是这样实现的：包括传感光路20，传感壳体10与光源采集卡；传感光路20中，宽谱光输入211连接至环形器231a端口；环形器231的b、c端口分别连接至1号探测器201与第一耦合器221的一个输入端；第一耦合器221的另一个输入端连接至窄线宽激光输入212；第一耦合器221的一个输出端通过第一连接光纤a连接至外层光纤环242，外层光纤环242通过第三连接光纤c连接至波分复用器245的一个输入端；第一耦合器221的另一个输出端通过第二连接光纤b连接至相位调制器251，之后通过第五连接光纤e连接至内层光纤环243，之后通过第四连接光纤d连接至波分复用器245的一路输出端口；波分复用器245的另外一对输入输出端口连接至第二耦合器222；第二耦合器222的输出端口分别连接至2号探测器202与3号探测器203；第一耦合器221，外层光纤环242，内层光纤环243构成萨格纳克干涉仪；外层光纤环242，内层光纤环243，波分复用器245与第二耦合器222构成马赫泽德干涉仪；第一耦合器221，第二耦合器222，环形器231与波分复用器245同时粘贴于弹性盘片303的下表面，外层光纤环242，内层光纤环243则粘贴于弹性盘片303的上表面，弹性盘片303中间掏空，安装质量感应块321。所述的传感壳体10，由封装壳上盖110，底座输出端口113部件组成，传感器上盖110通过8个内六角螺丝1101将传感器密封，传感器上盖110下方有气密胶垫1102，与传感器上盖110共同固定；传感探头中部为复用干涉仪；传感光路20输出端的三个光纤接头通过第一输出光纤201a，第二输出光纤202a，第三输出光纤203a连接至光电转换模块140处；光电转换模块140的输出端连接至底座输出端口113的加速度输出信号1132，旋转角速度输出信号1133，光电转换模块140的输入端连接至调相波输入信号1131；窄线宽光源输入法兰盘1134与宽谱光源输入法兰盘1135通过第一输入光纤211a，第二输入光纤212a连接至宽谱光输入211与窄线宽激光输入212。所述的外围设备，包括窄线宽光源152，宽谱光源153，数据采集卡151与计算机150；数据采集卡151输出调相波信号至相位调制器251，其输入端连接至加速度输出信号1132与旋转角速度输出信号1133，最后连接至计算机150，加速度信号与旋转角速度信号实时显示于计算机150处；窄线宽光源152与宽谱光源153分别连接至窄线宽光源输入法兰盘1134与宽谱光源输入法兰盘1135。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)将迈克尔逊干涉仪与萨格纳克干涉仪复用，同时完成对旋转速度与垂直方向加速度的测量。(2)体积小，质量轻，相比于传统的加速度计与旋转速度测量装置，更便于布设安装。(3)依托光纤相位调制解调方法，将被测物理量转换成干涉仪的相位变化，具有更高的灵敏度与动态范围。附图说明图1是一种同时测量轴向加速度与水平旋转角速度的光纤传感装置结构图；图2是一种同时测量轴向加速度与水平旋转角速度的光纤传感装置光路接线图；图3是该传感装置内部光路原理图；图4是该传感装置弹性盘片背面安装图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同时测量轴向加速度与水平旋转角速度的光纤传感装置，其特征在于：包括传感光路(20)，传感壳体(10)与光源采集卡；传感光路(20)中，宽谱光输入(211)连接至环形器(231)a端口；环形器(231)的b、c端口分别连接至1号探测器(201)与第一耦合器(221)的一个输入端；第一耦合器(221)的另一个输入端连接至窄线宽激光输入(212)；第一耦合器(221)的一个输出端通过第一连接光纤(a)连接至外层光纤环(242)，外层光纤环(242)通过第三连接光纤(c)连接至波分复用器(245)的一个输入端；第一耦合器(221)的另一个输出端通过第二连接光纤(b)连接至相位调制器(251)，之后通过第五连接光纤(e)连接至内层光纤环(243)，之后通过第四连接光纤(d)连接至波分复用器(245)的一路输出端口；波分复用器(245)的另外一对输入输出端口连接至第二耦合器(222)；第二耦合器(222)的输出端口分别连接至2号探测器(202)与3号探测器(203)；第一耦合器(221)，外层光纤环(242)，内层光纤环(243)构成萨格纳克干涉仪；外层光纤环(242)，内层光纤环(243)，波分复用器(245)与第二耦合器(222)构成马赫泽德干涉仪；第一耦合器(221)，第二耦合器(222)，环形器(231)与波分复用器(245)同时粘贴于弹性盘片(303)的下表面，外层光纤环(242)，内层光纤环(243)则粘贴于弹性盘片(303)的上表面，弹性盘片(303)中间掏空，安装质量感应块(321)。...

【技术特征摘要】
1.一种同时测量轴向加速度与水平旋转角速度的光纤传感装置，其特征在于：包括传感光路(20)，传感壳体(10)与光源采集卡；传感光路(20)中，宽谱光输入(211)连接至环形器(231)a端口；环形器(231)的b、c端口分别连接至1号探测器(201)与第一耦合器(221)的一个输入端；第一耦合器(221)的另一个输入端连接至窄线宽激光输入(212)；第一耦合器(221)的一个输出端通过第一连接光纤(a)连接至外层光纤环(242)，外层光纤环(242)通过第三连接光纤(c)连接至波分复用器(245)的一个输入端；第一耦合器(221)的另一个输出端通过第二连接光纤(b)连接至相位调制器(251)，之后通过第五连接光纤(e)连接至内层光纤环(243)，之后通过第四连接光纤(d)连接至波分复用器(245)的一路输出端口；波分复用器(245)的另外一对输入输出端口连接至第二耦合器(222)；第二耦合器(222)的输出端口分别连接至2号探测器(202)与3号探测器(203)；第一耦合器(221)，外层光纤环(242)，内层光纤环(243)构成萨格纳克干涉仪；外层光纤环(242)，内层光纤环(243)，波分复用器(245)与第二耦合器(222)构成马赫泽德干涉仪；第一耦合器(221)，第二耦合器(222)，环形器(231)与波分复用器(245)同时粘贴于弹性盘片(303)的下表面，外层光纤环(242)，内层光纤环(243)则粘贴于弹性盘片(303)的上表面，弹性盘片(303)中间掏空，安装质量感应块(321)。2.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭峰，侯璐，杨军，苑勇贵，吴冰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23