專利名稱：基于超短腔光纖激光器的光纖加速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于光纖傳感領域，具體涉及 一 種基于超短腔光纖激光器作為核心部件的光纖加速度傳感器，適合于工業、軍事領域的微小振動的測量以及地震動監測、大型建筑物監測等領域的高精度測試和標定、計量背景技術加速度傳感器是軍械、車輛、船舶等抗沖擊、抗振動測量、地震測、慣性導航與制導系統中常用的重要傳感器。慣性式加速度計的工作原理是在慣性空間設置質量塊以感知被測件作加速度運動時產生的慣性力或位移，測里出此慣性力或位移即可測量出相應的加速度。傳統的加速度傳感器多采用電磁式的結構，由于電磁測量本身的特點所決定，不可避免帶來電磁噪聲干擾、結構復雜、易安裝等缺點。隨著光電子技術的發展，光纖光柵傳感技術近年來已成為研究的熱點。光纖光柵是利用光纖材料的光 敏性，在光纖纖芯內形成空間相位光柵。當多波長信 號入射進入光纖時，滿足光柵反射條件的某個波長信號(Bragg波長)會被耦合成反向波并沿光纖原路返回。光纖光袖n 挪傳感的基本原理是:溫度、應變和應力等物理量的變化會引起光纖光柵的柵距和有效折射率的變化，從而使光纖光柵反射的Bragg波長發生漂移，通過檢測光纖光恤 微Bragg波長的變化就可以獲得相應的溫度、應變和應力的信息。由于光纖光柵的傳感信號直接調制于光波波長，不受光源強度起伏、連接損耗及光纖彎曲損耗等影響，穩定性好;同時便于利用波分復用技術串聯多個光纖光柵形成分布式傳感網絡，因此得到巨大的發展。目前光纖光柵已成功的應用于應力、應變、溫度的直接測量，而借助于機械裝置、埋入技術等也可以實現對位移、力、加速度等物理量的測量如光纖光柵加速度傳感器、光纖光恤 挪溫度傳感器、光纖光艦 微水聽器等。基于光纖光恤 微的傳感器是無源器件，即檢測通過光纖光艦 挪窄帶反射光中心波長的變化，得到被測信號的信息由于光纖光柵的反射光帶寬無法進步縮小(約0 . 1 nm )，與之配套的波長檢測分辨率僅為亞pm 量級，盡管已經采取各種增敏措施，但無論靈敏度和動態范圍都不能達到更高的水平基于光纖光柵的光纖激光器，利用光纖光柵的反射特性和選頻作用，通過在 一 段高增益摻稀土光纖兩端各連接一個中心波長相同的光纖光柵形成光纖激光器結構。由于上述激光器的輸出激光信號具有極窄的線寬巨刖可以達到KHz量級)，相干長度可達百公里量級，通過設計合適的換能機構和解調系統，可以用于多種領域傳感測量。且該方案較傳統光纖光柵傳感巡 益的靈敏度高數個數量級。基于光纖光柵的光纖激光器的傳感器，不但靈敏度高于傳統的光纖光柵傳感器，而且同樣具備如抗電磁干擾、體積小、質量輕、動態范圍大、易組網復用的特點。發明內容本發明的目的在于，提供一種基于超短腔光纖激光益的光纖加速度傳感器，其可以達到提高傳感靈敏度數個必/, 數量級靈敏度。本發明利用超短腔光纖激光器作為基本傳感部件，利用等強度懸1聲梁作為換能機構，實 測現對物體的加速度及其他振動信息進行高精度傳感側本發明種基于超短腔光纖激光器的光纖加速度6傳感器，其特征在于，包括一等強度懸臂梁，該等強度懸臂梁為一等腰三角 形，將端部慣性力轉化為表面均勻的應變；一慣性質量塊，該慣性質量塊固定在等強度懸臂 梁的端部，用于產生慣性力；一光纖激光器，該光纖激光器固定在等強度懸臂 梁上面的中軸線上，以將懸臂梁上的應變轉化為激光 器激射波長的變化。其中所述的光纖激光器是DBR型光纖激光器或DFB型光纖激光器。其中所述的D.BR型光纖激光器包括 一高增益的摻稀土光纖，該高增益的摻稀土光纖的兩端制作有匹 配的光纖光柵。其中DBR型光纖激光器的光纖光柵分別與尾纖連接。其中所述的DFB型光纖激光器包括一高增的摻稀土光纖和制作在其上面的光柵。其中制作在高增益有源光纖上的光纖光棚的兩端分別與尾纖連接。本發明的有益結果是作為傳感部件的超短腔光纖激光器提供極窄的激光線寬，區別于光纖光柵的反射信號，使進一步高精度解調傳感信息成為可能；本發明內容不僅可以作為加速度傳感器使用，通過調整等強度梁和質量塊系統的自振頻率，還可以用于不同范圍的振速傳感器和位移傳感器；相對與傳統的電學傳感器，本發明提供的傳感器中無電子元件及電信號傳輸，傳感器不受電磁場干擾，電絕緣性和安全性好；激光器可以是DBR或者DFB中的任何 一 種，激光器的作方'式可以采用反射或者透射的兩種可選方式等強度懸臂梁保證了懸臂梁上光纖激光器上應變處處相等，光纖光柵不會出現啁啾現象，進而保證了不厶出現激光器模式的跳動；波長的解調采用非平衡M—Z的解調方案，可以實現高精度的波長解調；信號解調采用相位解調的方案，大大提高了系統的動態范圍傳感腿 益測且 里的信號為快速振動信號，可以忽略緩變的溫度影響可以隨意選擇不同中心波長的選頻光纖光柳 微，改變激光器的、激射波長以滿足實用需求；激光器具備天然的波長特性，易采用波分復用的 方式，較干涉式加速度傳感器和強度調制型傳感器容 易實現陣列應用。故系統不僅可以單點測量，也可以 實現陣列應用。
為了進一步說明本發明的技術特征和效果，下面 結合附圖和實施例對本發明做進 一 步的說明，其中圖1是光纖激光器的加速度傳感器示意圖； 圖2是超短腔DBR型光纖激光器示意圖；圖3是DFB型光纖激光器示意圖；圖4是光纖激光器加速度傳感器示意圖； 圖5是光纖激光器選模示意圖；圖6是光纖激光器單縱模、窄線寬輸出圖(外差測試方案)；圖7是高精度波長解調系統原理圖；圖8是光纖激光器加速度傳感器陣列應用示意圖。
具體實施方式
下面以DBR型光纖激光加速度傳感器為例，結合附圖進 一 步說明本發明的測量原理、具體結構和實施 方式。請參閱圖1 、圖2所示，本發明 一 種基于超短腔 光纖激光器的光纖加速度傳感器，包括一等強度懸臂梁5，該等強度懸臂梁5為一等腰三角形，將端部慣性力轉化為表面均勻的應變；一慣性質量塊6 ，該慣性質量塊6固定在等強度懸臂梁5的端部，用于產生慣性力；一光纖激光器8，該光纖激光器8固定在等強度懸臂梁5上面的中軸線上，以將懸臂梁上的應變轉化為激光器激射波長的變化。其中所述的光纖激光器是DBR型光纖激光器8或DFB型光纖激光器8 '(圖3 )。其中所述的DBR型光纖激光器8(圖2 )包括一高增的摻稀土光纖1 2 ，該高增益的摻稀土光纖1 2的兩端制作有匹配的光纖光柵11 、1 3，該，該光纖光柵1 1 、 13分別與尾纖10 、1 4連接。其中所述的DFB型光纖激光器8，(圖3，其中相同的部件，采用相同的標號)包括: 一高增、a 顯的摻稀土光纖1 2和制作在其上面的光柵11、該光纖光珊11'的兩端分別與尾纖1 0 、1 4連接，4主結合參閱圖4，圖4為本發明所述光纖激光器加速度傳感器系統結構示意圖。該系統包含泵浦光源 1 ，波長解調系統2 ，合/分波器件3 ，傳感器及封裝外殼4 ，傳光光纖9 ，加速度傳感器3 0通過連接傳 光光纖9和合/分波器件3同泵浦光1和波長解調系 統2連接；如圖1示，加速度傳感器3 0包含光纖激 光器8 ，等強度懸臂梁5 ，慣性質量塊6 ，緊固螺釘 7等，其中，等強度梁5被緊固螺釘7固定在封裝外殼 4上，光纖激光器8采用粘接、嵌入等方式固定在等 強度梁5的上面的中央，用于將慣性力引起的應變轉 化成激光器8腔長的變化；如圖2示，光纖激光器8 由兩個中心波長一致的光纖光柵l l和l 3構成激光 諧振腔的反射鏡、高增益摻稀土(如鉺)光纖12(也 稱有源光纖)、連接尾纖1 0和1 4構成，其中，高增 益摻稀土光纖的兩端熔接兩個匹配光柵1 1和1 3 ， 它們之間采用熔接的方式實現低損耗連接。光纖激光器加速度傳感器的基本工作原理光纖 激光器加速度傳感器在振動環境中，質量塊6和加速 度傳感器外殼4的相對運動，造成作為換能器的等強 度懸臂梁5產生彎曲，引起固結在懸臂梁5上面的光 纖激光器8產生軸向的拉伸或者壓縮應變，即激光器 的FP諧振腔的長度被外界信號所調制，進而引起了激 光器輸出激光中心波長的改變，通過高精度的波長解調系統2反推出振動加速度信息。 光纖激光器的調制原理光纖激光器采用畫 (Distributed Bragg Reflector,分布布拉格反射)的結構，如附圖2所示兩個匹配的光纖光柵1 1和1 3和高增益的摻稀土光纖12組成 一 個F — P諧振腔。在FBG帶通濾波和F-一 P腔選頻的共同作用下，泵浦激光作用下產生的寬帶熒光4並 >曰中的特定部分在腔內來回反射的同時得到不斷的放大并最終形成激光。合理的選擇摻稀土光纖種類和長度、FBG匹配波長和泵浦激光，可以得到單縱模激光的連續輸出。改變泵浦光入射方向可以實現反射或者透射的工作方式。其選模原理示意圖如附圖5所示附圖5中兩個中心波長一致的光纖光柵1 1 、13構成F—P諧振腔的反射鏡，如大反射帶寬、高反射率的光纖光柵ll和起選頻作用的窄反射帶寬的光纖光孤 微1 3 ，大反射帶寬還能增加光纖光柵對之間匹配冗余度；F—P腔中的模式1 7為式間隔(2 )但由于光纖光柵的帶通特性，只部分位于窄線寬光纖光恤 棚13反射譜1 6內的部分縱模擁有諧振的可能如附圖5中的灰色和黑色的縱模)；由于整個FBG的帶寬僅有0.1 2nm左右，在這個范圍內的摻稀土光纖的增、水平一致，所以競爭的幾個縱模中位于FBG反射率最高點的諧振模(附圖5中黑色)在激光器的白由模式血 兄爭中最先達到閥值激射出窄線寬激光并消耗粒子數翻轉抑制其他模式(附圖5中灰色)的激振。作為傳感器的光纖激光器8在受到外界環境作用下，不會存在模式的跳躍突變。等強度懸臂梁上的應變作用導致固結在其上的光纖激光器8的摻稀土光纖和光纖光恤匹配對l1、 13上產生相應的軸向應變，如對于F.一p腔，應變導致的射波長變化可以用兩個部分表示 <formula>formula see original document page 13</formula>(3 )而對于FBG，應變導致其中心波長波長變化為<formula>formula see original document page 14</formula>(4 )即兩者具有同樣的結果。所以F—P諧振腔和光纖光微共同應變時，兩個匹配光柵仍然匹配，所選模式依在光纖光柵反射譜15、 16中的相對位置不變，選頻結果穩定，不會出現由于F—P腔諧振模式和反射峰的錯位而造成的模式跳動及模式反射率變化引起的射功率波動。從選模過程可以看出，光纖激光器8的諧振腔長12越短，縱模1 7間隔越大；同時，選頻FBG線寬16越窄，能夠激振并參加模式競爭的縱模越少所以，最短的有源諧振腔長度1 2和最小的FBG反射帶寬13越容易實現單縱模的激射，如激光器中寬帶光纖光柵11的長度為5mm，高增益的摻稀土光纖12長度為15mm 左右，窄線寬光纖光柵l3的長度約為10mm ，激光器長度共計3 0 mm左右。有利于后續的增敏封裝及小型化，單縱模激射圖如圖6所示。傳感原理分析根據彈性力學知識，等強度梁5受到垂直于中位面的載荷時發生撓曲，當撓曲不大時等強度梁的曲率為常數，等強度梁上面各點的應變可以表示為<formula>formula see original document page 15</formula>(5 )其中，E為材料的彈性模量，L、 h、 b分別為梁的 長度、厚度和固定端的寬度，對于固結在等強度梁5 上面的超短腔光纖激光器8 ，在受到軸向應力作用時，其波長變化為<formula>formula see original document page 15</formula>(6 )其中，7為粘貼傳遞系數，與光纖光柵激光器8和等強度懸臂梁5之間粘貼時采用的膠水和工藝有關，Pe為光纖的彈光系數， 一般為0.22。在進行加速度測量時，將該光纖激光器加速度傳感器4以某種方式剛性連接到待測點上，若振動加速度在垂直于中位面的分量為"，那么質量塊6引起的慣性力為F-目，方向同加速度方向一致，即在等強度梁5的頂端施加了大小為F的載荷并引起梁的彎曲，此時，引起的波長變化為A 易/z(7 )從上式可以看出，即波長變化量AA同加速度"成正比關系溫度引起的波長漂移相對于振動加速度引起的波長漂移而是緩變信號，可以通過低通濾波去除。對于光纖激光振動加速度而言，傳感信號是以波長編碼的方式輸出的，可以定義傳感器的靈敏度為傳感器在敏感方向上受到的單位加速度作用時輸出的波長變化通常用 一 個標準的重力加速度 g二9.8m/s2作為加速度的單位)，即AA/ /人(8 )所以式(7)又可以表示為AA 6丄 s =——=0.78 x 9.8 x-^ x x義(戸/ g)(9 )其中，傳遞系數"為l，彈光系數為0.7 8。 對于等強度梁以及質量塊系統，其自振頻率表示為1I 貓32;r 6(;w+0.2w2)/ (10)其中，w'和^分別是質量塊和梁的質量。在作加速度測1:時被測加速度的頻率必須小于加速度傳感器的白振頻率，在地震動監測領域，地震動都是低頻信號，為此設定加速度的自振頻率在15 0 Hz左右。咼精度解調技術盡管光纖激光腿 益和光纖光柵在相同應變作用下產生的中心波長偏移里是相同的(如式3和式4表明)，但由于光纖激光器發出的激光線寬非常窄(KHz)，激光線寬約為光纖光恤 棚3 dB帶寬(1 5GHz)的1 0 - 6 。所以配套相應的波長解調技術，可以實現傳感器靈敏度提咼i06倍，從而實現高精度測:量加速度的目的。光纖激光水聽器波長解調技術基于干涉式傳感器的基本原理通過非平衡干涉儀將光纖激光水聽器波長的變化轉化為相位變化，然后采用高分辨率的相位產生載波(PGC )方案進行相位檢測，從而實現水聽器 被長解調。解調系統原理如附圖7中的2所示。圖中 1 8為隔離器，1 9為信號發生器，2 0為纏繞在PZT上的臂長差，2 1為非平衡干涉儀，22為光電探測器23為相位解調模塊。加速度傳感器中被振動信號調制的激光通過隔離器l 8后進入非平衡干涉儀21轉化為相位的變化，由于信號光的相干長度很長，干涉儀2 l可以采用大臂長差2 0將很小的波長偏移放大成相位變化，采用PGC解調系統23將其檢測還原光纖激光器波長變化和干涉儀相位變化之間的關系如下式所示朋d A ，11通過設計不同參數的干涉儀和PGC相位解調系統來實現 下不同的波長解調精度。 面通過實例來說明如等強度梁采用合金鋼材料，其各種參,必L 數如下表所示力膝/W/他」1 06 02. 11 4 41 06.631 5 4若高靈敏度波長解調系統的波長分辨率為5x1(3所以該傳感器能夠分辯的最小加速度大小為a75//g !而基于光纖光柵的傳感器，其返回解調設備的光信號為光纖光柵的反射譜，其線寬約為l 5GHz左右，由于光纖光柵的反射光帶寬無法進一步縮小，不能像 超短腔光線激光器加速度傳感器系統 一 樣得到高精度的波長分辨率(亞pm量級)，因此其傳感靈敏度也遠 遠低于上述系統。本發明所述光纖激光加速度傳感現 器4不僅僅可以*點測量，而且可以陣列應用，如附圖8所示由于光纖激光益本身具有的波長特性，在串聯組陣時可以首先采用波分復用的方法。泵浦光在激光器中被依次吸收并激發出相應波長的窄線寬激光通過在解調系統增加相應的分波單元2 4和探測器陣列25即可實現分布多點測量的陣列應用
權利要求
1. 一種基于超短腔光纖激光器的光纖加速度傳感器，其特征在于，包括一等強度懸臂梁，該等強度懸臂梁為一等腰三角形，將端部慣性力轉化為表面均勻的應變；一慣性質量塊，該慣性質量塊固定在等強度懸臂梁的端部，用于產生慣性力；一光纖激光器，該光纖激光器固定在等強度懸臂梁上面的中軸線上，以將懸臂梁上的應變轉化為激光器激射波長的變化。
2、 根據權利要求l所述的基于超短腔光纖激光 器的光纖加速度傳感器，其特征在于，其中所述的光 纖激光器是DBR型光纖激光器或DFB型光纖激光器。
3、 根據權利要求2所述的基于超短腔光纖激光 器的光纖加速度傳感器，其特征在于，其中所述的DBR 型光纖激光器包括 一高增益的摻稀土光纖，該高增 益的摻稀土光纖的兩端制作有匹配的光纖光柵。
4 、根據權利要求3所述的基于超短腔光纖激光 器的光纖加速度傳感器，其特征在于，其中DBR型光 纖激光器的光纖光柵分別與尾纖連接。
5 、根據權利要求2所述的基于超短腔光纖激光 器的光纖加速度傳感器，其特征在于，其中所述的DFB 型光纖激光器包括 一 高增益的摻稀土光纖和制作在 其上面的光柵。
6 、根據權利要求5所述的基于超短腔光纖激光 器的光纖加速度傳感器，其特征在于，其中制作在高 增益有源光纖上的光纖光柵的兩端分別與尾纖連接。
全文摘要
本發明一種基于超短腔光纖激光器的光纖加速度傳感器，其特征在于，包括一等強度懸臂梁，該等強度懸臂梁為一等腰三角形，將端部慣性力轉化為表面均勻的應變；一慣性質量塊，該慣性質量塊固定在等強度懸臂梁的端部，用于產生慣性力；一光纖激光器，該光纖激光器固定在等強度懸臂梁上面的中軸線上，以將懸臂梁上的應變轉化為激光器激射波長的變化。
文檔編號G01P15/02GK101261281SQ200710064238
公開日2008年9月10日 申請日期2007年3月7日 優先權日2007年3月7日
發明者劉育梁, 芳 李, 王永杰 申請人:中國科學院半導體研究所