本發(fā)明設(shè)計屬于光纖干涉儀測量領(lǐng)域，具體涉及到一種同時測量軸向加速度與水平旋轉(zhuǎn)角速度的光纖傳感裝置。

背景技術(shù)：

地震測量作為關(guān)系到國計民生的測量領(lǐng)域，自張衡發(fā)明第一臺地震儀以來，已有上百年歷史。傳統(tǒng)對地震的認(rèn)識是建立在彈性模型基礎(chǔ)上，人們認(rèn)為地震波是一種具有能量很強(qiáng)的彈性運動，即橫波。但是在大地震的極震區(qū)，偶爾會看到一些建筑物發(fā)生旋轉(zhuǎn)錯位，最大扭動角度可達(dá)30度左右。人們開始懷疑在地下傳輸?shù)臋M波中混有一定旋轉(zhuǎn)方向的扭動力，傳統(tǒng)的地震教科書里面不認(rèn)為旋轉(zhuǎn)波可以穿過巖石，所以這種旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象在起初在2003年被波蘭科學(xué)院的Roman Teisseyre解釋為，地震橫波與穿透物體之間的內(nèi)在相互作用。直到2009年，同樣是波蘭科學(xué)學(xué)院Górski M證明了，由于非對稱應(yīng)力的作用，旋轉(zhuǎn)波可以在有空洞，缺陷甚至內(nèi)部完整的巖石中傳播。實際上，這種旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象早在1976年就被波蘭地震局有效記錄，此時只有很少部分的人研究旋轉(zhuǎn)波的研究。

在彈性模型中，即橫波場模型，對于某一方向的形變量我們通常用梯度來表示，然而對于旋轉(zhuǎn)矢量場，就必須引入旋轉(zhuǎn)梯度作為旋轉(zhuǎn)波的衡量單位。1968年，日本的渡邊晃使用兩根鋼管構(gòu)成的直角磁感應(yīng)線圈測量其對應(yīng)x，y兩個分量方向的位移，從而通過求解輸出電壓對位移的微分求矢量和計算得到旋轉(zhuǎn)波大小。1979年Tokmakob同樣利用相距為L的兩根鐵管構(gòu)成磁感線圈，相對于線圈中間產(chǎn)生的磁場變化測得不同方向的梯度值，通過矢量合成求解得到旋轉(zhuǎn)波大小。對于以上方法屬于間接求解旋轉(zhuǎn)的方法，其中或多或少都會有些干擾誤差，不能測量到物體的絕對旋轉(zhuǎn)速度。

對于橫波分量方向，位移，速度以及加速度的測量是使用機(jī)械擺，通過拾震擺來測得以上物理量的大小。按照這個思路，對于旋轉(zhuǎn)的測量同樣可以設(shè)計旋轉(zhuǎn)擺，2009年福建地震局的蔡乃成等人提出了一種旋轉(zhuǎn)慣性擺的結(jié)構(gòu)，該擺由鋼絲水平懸吊，垂直徑向方向拉緊，使其只能做旋轉(zhuǎn)運動而不能做水平運動，通過該方法連接周圍的電容傳感器從而測量到了該物體的旋轉(zhuǎn)速度。對于以上傳統(tǒng)的機(jī)械部件，體積大，布設(shè)難，應(yīng)用條件苛刻等問題無疑會暴露出來。該擺在測量旋轉(zhuǎn)速度的同時屏蔽了軸向橫波的干擾，為了減少測量誤差。

對于旋轉(zhuǎn)速度的測量，波蘭華沙應(yīng)用物理研究所率先采用光纖方法測量地震中物體的旋轉(zhuǎn)速度。該方案借鑒于傳統(tǒng)的光纖陀螺，光纖陀螺作為光纖傳感領(lǐng)域內(nèi)比較成熟的角速度測量傳感器，具有精度高，輕巧耐用，造價低廉等優(yōu)勢。該旋轉(zhuǎn)地震測量儀使用薩格納克干涉儀作為旋轉(zhuǎn)探測光路，輔助以GPS/GSM等通信方案實現(xiàn)對設(shè)備的無線數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)采集。國內(nèi)對于旋轉(zhuǎn)波測量的傳感器，數(shù)量不多，德國的B施密特在中國申請一篇專利-具有線性和旋轉(zhuǎn)地震元件的雙軸、抗震旋轉(zhuǎn)速率傳感器(CN201080040102.6)，利用兩個質(zhì)量塊與彈簧構(gòu)成的x，y坐標(biāo)系求解旋轉(zhuǎn)速度。

基于以上分析，本專利公開一種同時測量軸向加速度與水平旋轉(zhuǎn)角速度的光纖傳感裝置。本裝置結(jié)合傳統(tǒng)的光纖陀螺與馬赫澤德干涉儀，將兩個干涉儀在光路上進(jìn)行復(fù)用，既減小了體積，同時增加了測量功能。對于軸向加速度的測量，哈爾濱工程大學(xué)楊軍，吳冰等人提出多種光纖應(yīng)變，位移測量方案。如一種超短基線順變柱體結(jié)構(gòu)光纖位移傳感器及光纖應(yīng)變儀(CN201210381978.8)，一種短基線差分式激光應(yīng)變測量儀(CN201210381976.9)，一種超短基線差分盤式光纖位移傳感器及光纖應(yīng)變儀(CN201210381977.3)等，以上專利闡述了如何利用邁克爾遜干涉儀測量地震波產(chǎn)生的應(yīng)變，軸向加速度，其應(yīng)變測量分辨率(10^-11～10^-12ε)，動態(tài)范圍大于180dB，在此基礎(chǔ)上，將薩格納克干涉儀與馬赫澤德干涉儀進(jìn)行光路復(fù)用，此時可以利用光纖陀螺原理測量傳感器的旋轉(zhuǎn)速度，對比當(dāng)前光纖陀螺測量精度，其角速度測量分辨率為10^-9rad/s。該方案在大規(guī)模陣列式地震測量領(lǐng)域內(nèi)有廣闊的發(fā)展空間與應(yīng)用前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種同時測量軸向加速度與水平旋轉(zhuǎn)角速度的光纖傳感裝置。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

包括傳感光路20，傳感殼體10與光源采集卡；傳感光路20中，寬譜光輸入211連接至環(huán)形器231a端口；環(huán)形器231的b、c端口分別連接至1號探測器201與第一耦合器221的一個輸入端；第一耦合器221的另一個輸入端連接至窄線寬激光輸入212；第一耦合器221的一個輸出端通過第一連接光纖a連接至外層光纖環(huán)242，外層光纖環(huán)242通過第三連接光纖c連接至波分復(fù)用器245的一個輸入端；第一耦合器221的另一個輸出端通過第二連接光纖b連接至相位調(diào)制器251，之后通過第五連接光纖e連接至內(nèi)層光纖環(huán)243，之后通過第四連接光纖d連接至波分復(fù)用器245的一路輸出端口；波分復(fù)用器245的另外一對輸入輸出端口連接至第二耦合器222；第二耦合器222的輸出端口分別連接至2號探測器202與3號探測器203；第一耦合器221，外層光纖環(huán)242，內(nèi)層光纖環(huán)243構(gòu)成薩格納克干涉儀；外層光纖環(huán)242，內(nèi)層光纖環(huán)243，波分復(fù)用器245與第二耦合器222構(gòu)成馬赫澤德干涉儀；第一耦合器221，第二耦合器222，環(huán)形器231與波分復(fù)用器245同時粘貼于彈性盤片303的下表面，外層光纖環(huán)242，內(nèi)層光纖環(huán)243則粘貼于彈性盤片303的上表面，彈性盤片303中間掏空，安裝質(zhì)量感應(yīng)塊321。

所述的傳感殼體10，由封裝殼上蓋110，底座輸出端口113部件組成，傳感器上蓋110通過8個內(nèi)六角螺絲1101將傳感器密封，傳感器上蓋110下方有氣密膠墊1102，與傳感器上蓋110共同固定；傳感探頭中部為復(fù)用干涉儀；傳感光路20輸出端的三個光纖接頭通過第一輸出光纖201a，第二輸出光纖202a，第三輸出光纖203a連接至光電轉(zhuǎn)換模塊140處；光電轉(zhuǎn)換模塊140的輸出端連接至底座輸出端口113的加速度輸出信號1132，旋轉(zhuǎn)角速度輸出信號1133，光電轉(zhuǎn)換模塊140的輸入端連接至調(diào)相波輸入信號1131；窄線寬光源輸入法蘭盤1134與寬譜光源輸入法蘭盤1135通過第一輸入光纖211a，第二輸入光纖212a連接至寬譜光輸入211與窄線寬激光輸入212。

所述的外圍設(shè)備，包括窄線寬光源152，寬譜光源153，數(shù)據(jù)采集卡151與計算機(jī)150；數(shù)據(jù)采集卡151輸出調(diào)相波信號至相位調(diào)制器251，其輸入端連接至加速度輸出信號1132與旋轉(zhuǎn)角速度輸出信號1133，最后連接至計算機(jī)150，加速度信號與旋轉(zhuǎn)角速度信號實時顯示于計算機(jī)150處；窄線寬光源152與寬譜光源153分別連接至窄線寬光源輸入法蘭盤1134與寬譜光源輸入法蘭盤1135。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)將邁克爾遜干涉儀與薩格納克干涉儀復(fù)用，同時完成對旋轉(zhuǎn)速度與垂直方向加速度的測量。

(2)體積小，質(zhì)量輕，相比于傳統(tǒng)的加速度計與旋轉(zhuǎn)速度測量裝置，更便于布設(shè)安裝。

(3)依托光纖相位調(diào)制解調(diào)方法，將被測物理量轉(zhuǎn)換成干涉儀的相位變化，具有更高的靈敏度與動態(tài)范圍。

附圖說明

圖1是一種同時測量軸向加速度與水平旋轉(zhuǎn)角速度的光纖傳感裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖2是一種同時測量軸向加速度與水平旋轉(zhuǎn)角速度的光纖傳感裝置光路接線圖；

圖3是該傳感裝置內(nèi)部光路原理圖；

圖4是該傳感裝置彈性盤片背面安裝圖；

圖5是該傳感裝置彈性盤片正面安裝圖。

具體實施方式

為清楚地說明一種同時測量軸向加速度與水平旋轉(zhuǎn)角速度的光纖傳感裝置，結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

1.一種同時測量軸向加速度與水平旋轉(zhuǎn)角速度的光纖傳感裝置，其特征是：主要由包括傳感光路20，傳感殼體10與光源采集卡等外圍設(shè)備。傳感光路20中，寬譜光輸入211連接至環(huán)形器231a端口；環(huán)形器231的b、c端口分別連接至1號探測器201與第一耦合器221的一個輸入端；第一耦合器221的另一個輸入端連接至窄線寬激光輸入212；第一耦合器221的一個輸出端通過第一連接光纖a連接至外層光纖環(huán)242，外層光纖環(huán)242通過第三連接光纖c連接至波分復(fù)用器245的一個輸入端；第一耦合器221的另一個輸出端通過第二連接光纖b連接至相位調(diào)制器251，之后通過第五連接光纖e連接至內(nèi)層光纖環(huán)243，之后通過第四連接光纖d連接至波分復(fù)用器245的一路輸出端口；波分復(fù)用器245的另外一對輸入輸出端口連接至第二耦合器222；第二耦合器222的輸出端口分別連接至2號探測器202與3號探測器203；第一耦合器221，外層光纖環(huán)242，內(nèi)層光纖環(huán)243構(gòu)成薩格納克干涉儀；外層光纖環(huán)242，內(nèi)層光纖環(huán)243，波分復(fù)用器245與第二耦合器222構(gòu)成馬赫澤德干涉儀。第一耦合器221，第二耦合器222，環(huán)形器231與波分復(fù)用器245同時粘貼于彈性盤片303的下表面，外層光纖環(huán)242，內(nèi)層光纖環(huán)243則粘貼于彈性盤片303的上表面，彈性盤片303中間掏空，安裝質(zhì)量感應(yīng)塊321。

2.所述的傳感殼體10，由封裝殼上蓋110，底座輸出端口113等部件組成，其特征是：傳感器上蓋110通過8個內(nèi)六角螺絲1101將傳感器密封，傳感器上蓋110下方有氣密膠墊1102，與傳感器上蓋110共同固定。傳感探頭中部為復(fù)用干涉儀；傳感光路20輸出端的三個光纖接頭通過第一輸出光纖201a，第二輸出光纖202a，第三輸出光纖203a連接至光電轉(zhuǎn)換模塊140處；光電轉(zhuǎn)換模塊140的輸出端連接至底座輸出端口113的加速度輸出信號1132，旋轉(zhuǎn)角速度輸出信號1133，光電轉(zhuǎn)換模塊140的輸入端連接至調(diào)相波輸入信號1131；窄線寬光源輸入法蘭盤1134與寬譜光源輸入法蘭盤1135通過第一輸入光纖211a，第二輸入光纖212a連接至寬譜光輸入211與窄線寬激光輸入212。

3.所述的外圍設(shè)備，其特征是：包括窄線寬光源152，寬譜光源153，數(shù)據(jù)采集卡151與計算機(jī)150；數(shù)據(jù)采集卡151輸出調(diào)相波信號至相位調(diào)制器251，其輸入端連接至加速度輸出信號1132與旋轉(zhuǎn)角速度輸出信號1133，最后連接至計算機(jī)150，加速度信號與旋轉(zhuǎn)角速度信號實時顯示于計算機(jī)150處。窄線寬光源152與寬譜光源153分別連接至窄線寬光源輸入法蘭盤1134與寬譜光源輸入法蘭盤1135。

光路復(fù)用結(jié)構(gòu)：

本裝置用于同時測量垂直地震波與旋轉(zhuǎn)地震波產(chǎn)生的軸向加速度與水平旋轉(zhuǎn)速度，測量原理圖如圖3所示。其工作方式如下：

整個傳感光路由馬赫澤德干涉儀與薩格納克干涉儀復(fù)合而成，其中馬赫澤德干涉儀用于測量軸向加速度，薩格納克干涉儀用于測量旋轉(zhuǎn)角速度；馬赫澤德干涉儀的工作光路如下：窄線寬激光輸入212通過第一耦合器221將光注入到外層光纖環(huán)242中，至波分復(fù)用器245處；另一路光沿內(nèi)層光纖環(huán)243傳輸，至相位調(diào)制器251處，至波分復(fù)用器245處；此時這兩束光同時滿足波分復(fù)用器的分光條件，同時進(jìn)入波分復(fù)用器并傳輸至第二耦合器222的兩個輸入端，在第二耦合器222內(nèi)發(fā)生干涉記為M光，干涉光通過第二耦合器分別輸出至2號探測器202與3號探測器203處；光電轉(zhuǎn)換模塊140輸出信號140a，140b，140c分別連接至加速度輸出信號1132，旋轉(zhuǎn)角速度輸出信號1133，調(diào)相波輸入信號1131。

薩格納克干涉儀工作光路如下：寬譜光輸入211至環(huán)形器231的a端口處，在環(huán)形器231的b端口輸出，至第一耦合器221的一個輸入端口。第一耦合器221輸出光同樣分成兩路，一路沿外層光纖環(huán)242傳輸，至波分復(fù)用器245處，此時該寬譜光源輸入光不滿足波分復(fù)用器的選擇條件，繼續(xù)經(jīng)過波分復(fù)用器輸出；到達(dá)相位調(diào)制器251處，再次返回至第一耦合器221處；第一耦合器221的另一路輸出光沿內(nèi)層光纖環(huán)243傳輸，同樣到達(dá)波分復(fù)用器245處；此時該寬譜光源輸入光不滿足波分復(fù)用器的選擇條件，繼續(xù)經(jīng)過波分復(fù)用器輸出，再次到達(dá)第一耦合器221，并與之前回來的光發(fā)生干涉，記做光S；S光經(jīng)過第一耦合器221輸出至環(huán)形器231的b端口，在環(huán)形器的c端口輸出至1號探測器201處。

加速度測量原理：

M光用于測量垂直方向的加速度變化，彈性盤片303固定于封裝外殼內(nèi)側(cè)面，中間有質(zhì)量感應(yīng)塊321，當(dāng)傳感器受到向下的加速度變化時，此時質(zhì)量感應(yīng)塊321向下運動，帶動彈性盤片303發(fā)生形變，粘貼于正向加速度敏感區(qū)與反向加速度敏感區(qū)的光纖由于受到不同方向的力的作用產(chǎn)生相反方向的拉伸與收縮，此時即對邁克爾遜干涉儀的兩個傳感臂施加了力的作用，對應(yīng)改變其長度l。利用相位調(diào)制器對邁克爾遜干涉儀進(jìn)行調(diào)制，可以得到M光輸出信號形式為：

其中M₁M₂分別為兩束干涉光光強(qiáng)，A為干涉后光強(qiáng)的直流分量，B為干涉后光強(qiáng)的交流分量，為干涉相位變化值，該相位變化可表示為：

其中分別為干涉初相位，加速度引起的相位變化，調(diào)制信號引起的相位變化。調(diào)制信號變化量與光源調(diào)制頻率ν有關(guān)。

其中n為光纖折射率，l為兩臂臂長差，c為光速，若此時的調(diào)制電流為i＝i₀cosω₀t則對應(yīng)光源頻率變化為ν＝Δνcosω₀t，由公式(2-3)可以得到相位變化量為：

其中C為調(diào)制深度，是一個與光纖干涉儀以及調(diào)相波參數(shù)相關(guān)的固定常量，若不考慮干涉的初相位，公式(2-1)可化簡為：

此時可知相位為加速度引起的相位變化，則相位解調(diào)算法需要對該相位變化進(jìn)行求解。利用光電探測器與AD轉(zhuǎn)換器對光信號進(jìn)行電信號轉(zhuǎn)換與采集，可以得到干涉信號的電壓表示形式

即當(dāng)慣性加速度作用使干涉儀兩臂臂長差l發(fā)生改變時，對應(yīng)干涉儀的相位變化發(fā)生改變，此時對加速度的求解即可反應(yīng)為對M信號相位變化的求解。

旋轉(zhuǎn)速度測量原理：

本裝置利用薩格納克干涉儀完成對旋轉(zhuǎn)速度的測量。S干涉信號光的兩個分量同時經(jīng)過上下光纖環(huán)與外圍光纖環(huán)，即無論光路中任意一段光纖發(fā)生任何變化，對這兩路干涉信號都是同樣的，其走過光路完全相同。設(shè)光在光纖中傳播速度為c/n，其中c為真空中光速，n為光纖折射率。當(dāng)整個環(huán)發(fā)生角速度為ω的旋轉(zhuǎn)時，對應(yīng)順逆兩束光實際的速度為

式中c_a與c_b分別為順時針逆時針經(jīng)過光路的兩束光實際速度，R為外圍環(huán)半徑大小，此時兩束光在外圍光纖環(huán)繞行時間為：

對應(yīng)順時逆時針光路相差的時間與光程分別為：

式中A為外圍光纖環(huán)面積，將光程差轉(zhuǎn)換為相位差：

此時可以看出，外圍光纖環(huán)旋轉(zhuǎn)速度ω與環(huán)面積大小有關(guān)，已知外圍光纖環(huán)面積后，對其旋轉(zhuǎn)速度的測定可轉(zhuǎn)換為對薩格納克干涉儀輸出信號S光信號相位變化的測量。

傳感器裝置如圖1與圖2所示，傳感使用器件選擇與參數(shù)如下：

(1)寬譜光源153的中心波長1550nm、半譜寬度大于45nm，出纖功率為1mW～10mW，窄線寬光源152的中心波長1310nm，線寬小于10k，出纖功率為1mW～10mW；

(2)第一耦合器221，第二耦合器222工作波長1550nm&1310nm，分光比50.5％/49.5％，兩路插入損耗分別為3.03dB，3.12dB；

(3)環(huán)形器231中心波長為1550nm，插入損耗小于1dB，每通道最小隔離度40dB，最大串?dāng)_50dB，偏振模式色散0.1ps，結(jié)構(gòu)為三端口，額定功率500mW；

(4)波分復(fù)用器245通道波長為ITU 100GHz Grid(約為0.8nm左右)，中心波長準(zhǔn)確度±0.05nm，最小信道間隔100GHz～(0.8nm)，插入損耗IL(<6.0dB)，通道插損均勻性(<2.0dB)，溫度敏感度損耗(<0.003dB/℃)，波長位移與溫度(<0.002nm/℃)，存儲溫度(-40～+85℃)，工作溫度(0～+70℃)，注入功率(<300mW)

(5)光纖環(huán)工作波長1550nm&1310nm，環(huán)串?dāng)_<-18dB，環(huán)衰減<1dB/km，環(huán)內(nèi)徑13～250mm，環(huán)外徑30～260mm，光纖長度80～300m，每層匝數(shù)8～250匝，根據(jù)干涉儀相干長度計算公式l＝λ²/Δλ，則使用100G的波分復(fù)用器對應(yīng)相干長度為3mm，所以此時應(yīng)保證內(nèi)外兩層光纖環(huán)長度差3mm；

(6)質(zhì)量感應(yīng)塊321為正方體，圓柱體或垂體重物，質(zhì)量在1～20g之間，材料為鋁合金，鋁或鋼制材料，其質(zhì)量分布均勻，內(nèi)部無缺陷，凹洞等，保證其熱膨脹系數(shù)小于0.9×10^-10/℃；

(7)彈性盤片303為銅，鋁或合金圓盤，厚度在0.5～3mm，柔韌性好，質(zhì)量分布均勻，其材質(zhì)最終應(yīng)能夠良好傳導(dǎo)應(yīng)力變化。內(nèi)徑為10～50mm，外徑為100～500mm。

(8)相位調(diào)制器251為圓柱形壓電陶瓷環(huán)，諧振頻率為2000Hz，諧振電阻小于200歐姆，電容量為50nF±30％，環(huán)厚度0.5～2mm，環(huán)高度10～300mm，環(huán)外徑10～60mm，光纖纏于壓電陶瓷環(huán)上并用強(qiáng)效膠水粘接。

(9)傳感器上蓋110為鋁，鐵或其他鋼化合金圓形外殼，高度為100～300mm，外殼壁厚度為2～10mm，外殼外徑大小為100～3000mm，其密封性良好，接頭連接穩(wěn)定可靠。

(10)1號探測器，2號探測器，3號探測器為InGaAs探測器，波長寬度為550～1550nm，轉(zhuǎn)換效率為0.12A/W，負(fù)載電容為40pF，響應(yīng)時間為1ns，電壓基準(zhǔn)為5V，暗電流40nA。