專利名稱：具有滑動(dòng)反射鏡式溫度自補(bǔ)償光纖加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖傳感技術(shù)，具體涉及一種具有滑動(dòng)反射鏡式溫度自補(bǔ)償光纖加速度傳感器。
背景技術(shù)：
加速度是物理學(xué)和工程領(lǐng)域非常重要的參數(shù)之一。加速度的測量在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如在航空航天的制導(dǎo)系統(tǒng)、石油勘探的地震檢波系統(tǒng)、橋梁建筑的結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)、交通情況監(jiān)測系統(tǒng)等系統(tǒng)中進(jìn)行沖擊、振動(dòng)測量常用的重要傳感器。因此加速度的測量具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，研究開發(fā)新型實(shí)用的加速度傳感器尤為重要。隨著振動(dòng)測試技術(shù)的發(fā)展和高精度測試的需要，研制高性能的振動(dòng)傳感器勢在 必行。傳統(tǒng)的機(jī)械式加速度計(jì)存在靈敏度低、體積龐大等缺點(diǎn)，在應(yīng)用中受到一定的限制。與傳統(tǒng)的加速度傳感器相比，光纖加速度傳感器不但具有抗電磁干擾的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，而且體積小，質(zhì)量輕，動(dòng)態(tài)范圍寬，準(zhǔn)確度高，能在惡劣環(huán)境下工作，因此光纖加速度傳感器的研究受到各先進(jìn)國家軍事與商業(yè)領(lǐng)域的極大重視?；诠饫w技術(shù)的加速度計(jì)研究已經(jīng)非常廣泛，主要包括光纖光柵型、Michelson干涉儀型、Mach-Zehnder干涉儀型、Sagnac干涉儀型和Fabry_P6rot (FPI)干涉儀型。但是隨著溫度變化而導(dǎo)致各干涉儀輸出的變化是各種光纖加速度計(jì)的一大缺點(diǎn)，為了減小甚至消除溫度的影響，補(bǔ)償系統(tǒng)的引入導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)變的非常復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決背景技術(shù)中的問題，采取的技術(shù)方案為一種具有滑動(dòng)反射鏡式溫度自補(bǔ)償光纖加速度傳感器，它由普通單模光纖、空芯光纖、石英管和微光纖組成；其中，微光纖為變截面結(jié)構(gòu)，微光纖左段直徑小于右段直徑；普通單模光纖一端與空芯光纖的一端熔接，空芯光纖內(nèi)腔直徑大于普通單模光纖的纖芯直徑，空芯光纖內(nèi)腔的橫截面區(qū)域?qū)⑵胀▎文９饫w的纖芯覆蓋；微光纖左段端部置于空芯光纖的內(nèi)腔中，微光纖左段與空芯光纖內(nèi)腔間隙配合，且微光纖左端面與普通單模光纖端面間隔一定距離；普通單模光纖右端面形成第一反射面，微光纖左端面形成第二反射面，空芯光纖內(nèi)腔中兩個(gè)反射面之間的間隙形成干涉腔；普通單模光纖外表面與石英管內(nèi)壁焊接，微光纖右段外表面與石英管內(nèi)壁焊接，石英管將空芯光纖和微光纖左段覆蓋；石英管內(nèi)部與外環(huán)境相互隔離。當(dāng)傳感器跟隨被測物一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，微光纖左段在加速度作用下發(fā)生彎曲，第二反射面的軸向位置發(fā)生變化，導(dǎo)致干涉腔的軸向長度也隨之發(fā)生變化。進(jìn)一步，微光纖左段為變截面結(jié)構(gòu)，微光纖左段的中部直徑大于左段的兩端直徑，且中部位置位于空芯光纖外。進(jìn)一步，普通單模光纖外表面與石英管內(nèi)壁之間采用CO2激光器點(diǎn)焊焊接；微光纖右段外表面與石英管內(nèi)壁之間采用CO2激光器點(diǎn)焊焊接。
進(jìn)一步，所述干涉腔沿空芯光纖軸向上的長度為lO-lOOym。為了降低溫度變化對干涉腔長度造成的影響，本發(fā)明還作了如下改進(jìn)制作微光纖的材料的溫度膨脹系數(shù)大于制作石英管的材料的溫度膨脹系數(shù)。為了進(jìn)一步提高本發(fā)明對溫度影響的補(bǔ)償能力，本發(fā)明還提出了如下的優(yōu)選參數(shù)設(shè)置方式普通單模光纖與石英管的焊接位置記為B點(diǎn)，微光纖與石英管的焊接位置記為C點(diǎn)，B、C點(diǎn)之間的長度為6. 243cm, C點(diǎn)左側(cè)的微光纖長度為6. 2cm,制作微光纖的材料的溫度膨脹系數(shù)為5. 437X10_V°C，制作石英管的材料的溫度膨脹系數(shù)為5. 4X10_7/°C。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于傳感器具備體積小、精度高、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，還具有溫度自補(bǔ)償功能，解決了現(xiàn)有的光纖加速度傳感器的溫度自補(bǔ)償裝置體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。傳感器制作簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)。


圖I、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2、本發(fā)明與外圍設(shè)備的連接關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參見圖1，本發(fā)明的溫度自補(bǔ)償式光纖加速度傳感器，由普通單模光纖I、空芯光纖2、石英管3和微光纖4組成；其中,微光纖4為變截面結(jié)構(gòu),微光纖4左段直徑小于右段直徑；普通單模光纖I 一端與空芯光纖2的一端熔接，空芯光纖2內(nèi)腔直徑大于普通單模光纖I的纖芯直徑，空芯光纖2內(nèi)腔的橫截面區(qū)域?qū)⑵胀▎文９饫wI的纖芯覆蓋(圖I中標(biāo)記1-1所示器件即為普通單模光纖I的纖芯)；微光纖4左段端部置于空芯光纖2的內(nèi)腔中，微光纖4左段與空芯光纖2內(nèi)腔間隙配合,且微光纖4左端面與普通單模光纖I端面間隔一定距離；普通單模光纖I右端面形成第一反射面(見圖I中標(biāo)記1-2所示位置)，微光纖4左端面形成第二反射面(見圖I中標(biāo)記4-2所示位置)，空芯光纖2內(nèi)腔中兩個(gè)反射面之間的間隙形成干涉腔；普通單模光纖I外表面與石英管3內(nèi)壁焊接，微光纖4右段外表面與石英管3內(nèi)壁焊接，石英管3將空芯光纖2和微光纖4左段覆蓋；石英管3內(nèi)部與外環(huán)境相互隔離。當(dāng)傳感器跟隨被測物一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，微光纖4左段在加速度作用下發(fā)生彎曲，第二反射面的軸向位置發(fā)生變化，導(dǎo)致干涉腔的軸向長度也隨之發(fā)生變化。其中，普通單模光纖I的左端還需要連接傳輸光纖。光從普通單模光纖I的左端進(jìn)入，分別在普通單模光纖I右端面和微光纖4左端面反射，形成反射式的干涉儀。工作原理將本發(fā)明的溫度自補(bǔ)償式光纖加速度傳感器安置在需要測量加速度的部件上，由于微光纖4是彈性的，且微光纖4左段十分纖細(xì)，在部件運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度作用下，微光纖4左段會(huì)發(fā)生彎曲，使得第二反射面與空芯光纖2的相對位置發(fā)生變化，間接地就改變了第一反射面和第二反射面之間的距離，使得干涉腔的軸向長度發(fā)生變化。利用單波長的激光器和光電探測器可將該變化轉(zhuǎn)化為輸出電信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度的加速度檢測。其中，微光纖4左段和微光纖4左段的兩端形成簡支梁結(jié)構(gòu)，即微光纖4左段的左端由空芯光纖2內(nèi)壁提供支撐，微光纖4左段的右端由微光纖4左、右段的連接處形成支撐，微光纖4左段中部的懸置部分即為梁身。
與本發(fā)明配合使用的外圍設(shè)備還有光源、1X2耦合器、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)等常規(guī)的器件，采用常規(guī)信號(hào)處理方法即可實(shí)現(xiàn)加速度的測量(顯然，本發(fā)明的傳感器也能完成振動(dòng)量的測量)。本發(fā)明與外圍設(shè)備的連接關(guān)系見附圖2，其中本發(fā)明的傳感器通過2X I的耦合器分別與光源輸出端和光電探測器相連接，光電探測器的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡連接，再將數(shù)據(jù)采集卡輸出的數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算機(jī)；圖中的振動(dòng)臺(tái)為實(shí)驗(yàn)中用于模擬加速度的裝置，具體應(yīng)用中，振動(dòng)臺(tái)可用需要測量加速度的具體設(shè)備替換。常規(guī)信號(hào)處理方法是指通過數(shù)據(jù)采集卡輸出的電壓信號(hào)和光電探測器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)及放大倍數(shù)來計(jì)算出反射光強(qiáng)；再利用計(jì)算出的反射光強(qiáng)和FPI的干涉強(qiáng)度公式就可以得到干涉腔體的實(shí)際長度，通過干涉腔體的變化和簡支梁振動(dòng)公式即可得出相應(yīng)的加速度。其中，加速度的計(jì)算公式為
該公式為化簡后的最終公式；其中a為加速度；EI為微光纖4的彎曲剛度；m為梁身的質(zhì)量；L2為梁身長度；\為輸入光的波長；V為光電探測器輸出的電壓；G為光電探測器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)；B為光電探測器的放大倍數(shù)#為第一反射面的反射率，也即普通單模光纖I右端面的反射率為輸入光強(qiáng)度山為干涉腔的長；n為干涉腔內(nèi)介質(zhì)的折射率(該介質(zhì)一般為制作時(shí)殘留在石英管3內(nèi)的空氣)。為了增強(qiáng)微光纖4左段的振動(dòng)幅度，本發(fā)明還作了如下改進(jìn)微光纖4左段為變截面結(jié)構(gòu)，微光纖4左段的中部4-1直徑大于左段的兩端直徑,且中部4-1位置位于空芯光纖2外。中部4-1實(shí)質(zhì)上起到了振動(dòng)放大器的作用，也可將其稱為振動(dòng)塊，使微光纖4左段在振動(dòng)過程中的彎曲幅度得到放大，間接地就放大了干涉腔的長度變化。微光纖4的長度、直徑以及振動(dòng)塊的軸向長度、直徑等參數(shù)可根據(jù)測量對象的加速度范圍和測量的靈敏度要求進(jìn)行調(diào)整；本發(fā)明還提出了如下的優(yōu)選參數(shù)設(shè)置方案所述干涉腔沿空芯光纖2軸向上的長度為lO-lOOym，其余器件的尺寸以此參數(shù)為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。干涉腔采用前述數(shù)值后，可在現(xiàn)有的一般測量條件下，獲取到較為理想的測量數(shù)據(jù)；本發(fā)明的普通單模光纖I外表面與石英管3內(nèi)壁之間采用CO2激光器點(diǎn)焊焊接； 微光纖4右段外表面與石英管3內(nèi)壁之間采用CO2激光器點(diǎn)焊焊接(圖I中標(biāo)記A所示位置即為焊接點(diǎn)，通過CO2激光焊接后，石英管3內(nèi)部形成封閉空間)。本發(fā)明的微光纖4，為采用腐蝕法，將普通單模光纖I的外表面腐蝕后得到。其中，帶振動(dòng)塊(即中部4-1)的微光纖4的具體制作方法是，a)取一段普通單模光纖，將普通單模光纖上一定長度范圍內(nèi)的涂覆層去掉，這段去掉了涂覆層的部位記為A段，與A段間隔一定距離(該距離即為振動(dòng)塊的軸向長度，該間隔距離范圍內(nèi)的普通單模光纖段記為C段)，將普通單模光纖上另一段長度范圍內(nèi)的涂覆層去掉，這一段去掉了涂覆層的部位記為B段，將A段和B段放入5%氫氟酸中浸泡8小時(shí)，使A段和B段處的普通單模光纖被酸液腐蝕，縮小A段和B段處的普通單模光纖直徑；b)將C段處的涂覆層去掉，然后將C段放入5%氫氟酸中浸泡6小時(shí)，同樣地，C段處的普通單模光纖直徑也因酸液腐蝕而變小，并且，由于C段的浸泡時(shí)間小于A段和B段，這就使得C段的直徑大于A段和B段處的直徑，形成變截面的微光纖4。環(huán)境溫度變化引起的器件形變會(huì)使干涉腔的軸向長度發(fā)生變化，為了降低溫度變化對干涉腔長度造成的影響，在前述方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還作了如下改進(jìn)制作微光纖4的材料的溫度膨脹系數(shù)大于制作石英管3的材料的溫度膨脹系數(shù)。其原理是干涉腔在溫度作用下的長度變化量可用下式示出AL= (L1 a「L2 a 2) A T其中，A L為干涉腔的軸向長度變化量；U為石英管3在兩個(gè)焊接點(diǎn)之間的軸向長度，L2為兩個(gè)焊接點(diǎn)之間微光纖4的長度，由器件結(jié)構(gòu)可看出，L1 > L2 ; a工和a 2分別為石英管3和微光纖4的溫度膨脹系數(shù)；A T為溫度變化量；制作器件時(shí)，制作石英管3和微光纖4的材料可選擇性地使a 2 > Q1,當(dāng)溫度升高時(shí)，由于U>L2，a2> Ci1，這就可以有效抑制溫度變化對干涉腔的影響，即降低AL·的數(shù)值；在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明還提出了一種優(yōu)選的參數(shù)設(shè)置方式普通單模光纖I與石英管3的焊接位置記為B點(diǎn)，微光纖4與石英管3的焊接位置記為C點(diǎn)，B、C點(diǎn)之間的長度為6. 243cm, C點(diǎn)左側(cè)的微光纖4長度為6. 2cm,制作微光纖4的材料的溫度膨脹系數(shù)為
5.437X 10_7/°C，制作石英管3的材料的溫度膨脹系數(shù)為5. 4X 10_7/°C。將前述參數(shù)代入公式AL= (L1Ci1-L2Ci2) AT中，所計(jì)算出的A L的數(shù)值小到幾乎可以忽略不計(jì)，這就有效地降低了溫度變化對器件的影響，使本發(fā)明的傳感器具備溫度自補(bǔ)償能力。
權(quán)利要求
1.一種具有滑動(dòng)反射鏡式溫度自補(bǔ)償光纖加速度傳感器，其特征在于傳感器由普通單模光纖(I)、空芯光纖(2)、石英管(3)和微光纖(4)組成；其中，微光纖(4)為變截面結(jié)構(gòu)，微光纖(4)左段直徑小于右段直徑； 普通單模光纖(I) 一端與空芯光纖(2 )的一端熔接，空芯光纖(2 )內(nèi)腔直徑大于普通單模光纖(I)的纖芯直徑，空芯光纖(2)內(nèi)腔的橫截面區(qū)域?qū)⑵胀▎文９饫w(I)的纖芯覆蓋； 微光纖(4)左段端部置于空芯光纖(2)的內(nèi)腔中，微光纖(4)左段與空芯光纖(2)內(nèi)腔間隙配合，且微光纖(4)左端面與普通單模光纖(I)端面間隔一定距離；普通單模光纖(I)右端面形成第一反射面，微光纖(4)左端面形成第二反射面，空芯光纖(2)內(nèi)腔中兩個(gè)反射面之間的間隙形成干涉腔； 普通單模光纖(I)外表面與石英管(3)內(nèi)壁焊接，微光纖(4)右段外表面與石英管(3)內(nèi)壁焊接，石英管(3)將空芯光纖(2)和微光纖(4)左段覆蓋；石英管(3)內(nèi)部與外環(huán)境相互隔離； 當(dāng)傳感器跟隨被測物一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，微光纖(4)左段在加速度作用下發(fā)生彎曲，第二反射面的軸向位置發(fā)生變化，導(dǎo)致干涉腔的軸向長度也隨之發(fā)生變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有滑動(dòng)反射鏡式溫度自補(bǔ)償光纖加速度傳感器，其特征在于微光纖(4 )左段為變截面結(jié)構(gòu)，微光纖(4 )左段的中部(4-1)直徑大于左段的兩端直徑，且中部(4-1)位置位于空芯光纖(2)外。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有滑動(dòng)反射鏡式溫度自補(bǔ)償光纖加速度傳感器，其特征在于普通單模光纖(I)外表面與石英管(3)內(nèi)壁之間采用CO2激光器點(diǎn)焊焊接；微光纖(4)右段外表面與石英管(3)內(nèi)壁之間采用CO2激光器點(diǎn)焊焊接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有滑動(dòng)反射鏡式溫度自補(bǔ)償光纖加速度傳感器，其特征在于所述干涉腔沿空芯光纖(2)軸向上的長度為10 -IOOum0
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有滑動(dòng)反射鏡式溫度自補(bǔ)償光纖加速度傳感器，其特征在于制作微光纖(4)的材料的溫度膨脹系數(shù)大于制作石英管(3)的材料的溫度膨脹系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有滑動(dòng)反射鏡式溫度自補(bǔ)償光纖加速度傳感器，其特征在于普通單模光纖(I)與石英管(3 )的焊接位置記為B點(diǎn)，微光纖(4)與石英管(3 )的焊接位置記為C點(diǎn)，B、C點(diǎn)之間的長度為6. 243cm, C點(diǎn)左側(cè)的微光纖(4)長度為6. 2cm，制作微光纖(4)的材料的溫度膨脹系數(shù)為5. 437X 10_7/°C，制作石英管(3)的材料的溫度膨脹系數(shù)為 5. 4 X KT7AC。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有滑動(dòng)反射鏡式溫度自補(bǔ)償光纖加速度傳感器，傳感器由普通單模光纖、空芯光纖、石英管和微光纖組成；當(dāng)傳感器跟隨被測物一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，微光纖左段在加速度作用下發(fā)生彎曲，第二反射面的軸向位置發(fā)生變化，導(dǎo)致干涉腔的軸向長度也隨之發(fā)生變化。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是傳感器具備體積小、精度高、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，還具有溫度自補(bǔ)償功能，解決了現(xiàn)有的光纖加速度傳感器的溫度自補(bǔ)償裝置體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。傳感器制作簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01P15/03GK102721828SQ20121023402
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者張強(qiáng), 朱濤 申請人:重慶大學(xué)